基于紅外遙控的電機控制畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 能夠得到實現。其中，脈寬調制（ PWM）方法，變頻技術在直流調速和交流調速系統中得到了廣泛應用。本次設計中電機的調速就是使用的 PWM 調速方法 [3]。 江蘇技術師范學院畢業設計說明書 (論文 ) 第 2 頁 共 57 頁 直流電機 PWM 調速原理 所謂脈沖寬度調制是指用改變電機電樞電壓接通與斷開的時間的占空比來控制電機轉速的方法，稱為脈沖寬度調制 (PWM)。 對于直流電機調速系統，使 用 FPGA 進行調速是極為方便的。其方法是通過改變電機電樞電壓導通時間與通電時間的比值 （即占空比）來控制電機速度 。 在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規律改變通、斷電時間，即可讓電機轉速得到控制。設電機永遠接通電源時，其轉速最大為 Vmax，設占空比為 D=t1/T，則電機的平均速度為 Vd=Vmax?D （ ） 式中， Vd—— 電機的平均速度 Vmax—— 電機全通時的速度（最大） D=t1/T—— 占空比 平均速度 Vd與占空比 D的函數曲線，如圖 11所示。 電 壓( V )時 間 （ t )通 電 斷 電t 1t 2T0平 均 速 度V dV m a x00 . 51占 空 比 ( D ) 圖 11 平均速度和占空比的關系 由圖 11可以看出， Vd 與占空比 D 并不是完全線性關系（圖中實線），理想情況下，可以將其近似地看成線性關系（圖中虛線）。因此也就可以看成電機電樞電壓 Ua與占空比 D 成正比，改變占空比的大小即可控制電機的速度。 由以上敘述可知：電機的轉速與電機電樞電壓成比例，而電機電樞電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與 占空比成比例，占空比越大，電機轉得越快，當占空比 α ＝ 1 時，電機轉速 最大 [4]。 江蘇技術師范學院畢業設計說明書 (論文 ) 第 3 頁 共 57 頁 第二章 總體方案設計 系統功能 與框圖 本系統是 紅外遙控控制電機 的研制， 主要通過自行設計的紅外發射板和接收板來控制電機的起動、停止、正轉、反轉、加速、減速，并且通過 LCD 液晶顯示出電機的轉速 。 硬件電路由 紅外發射電路 、 紅外接收電路 、 霍爾測速電路、 單片機 最小系統 、按鍵電路、 LCD 顯示電路組成。 本設計的一般框圖如圖 21所示： (a) 發射模塊 圖 21 系統框圖 紅外接 收電 路 轉速顯 示電路 單 片 機 電機驅動電路 直流 電機 霍爾測速電路 (b) 接收測速模塊 單 片 機 紅外發 射電路 按鍵 電路 江蘇技術師范學院畢業設計說明書 (論文 ) 第 4 頁 共 57 頁 設計方案 為較好的實現各模塊的功能，分別設計了幾種方案并分別進行了論證。 控制器選擇 方案 1：采用可編程邏輯期間 CPLD 作為控制器。 CPLD 可以實現各種復雜的邏輯功能、規模大、密度高、體積小、穩定性高、 IO 資源豐富、易于進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統的處理速度，適合作為大規模控制系統的控制核心。但本系統不需要復雜的邏輯功能， 對數據的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經濟的角度考慮 放棄了此方案。 方案 2：采用凌陽公司的 16 位單片機 ，它是 16 位控制器，具有體積小、驅動能力高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結構簡單、中斷處理能力強等特點。處理速度高，尤其適用于語音處理和識別等領域。但是當凌陽單片機應用語音處理和辨識時，由于其占用的 CPU 資源較多而使得凌陽單片機同時處理其它任務的速度和能力降低。 本系統主要是采集溫度以及對電機的控制。如果單純的使用凌陽單片機，從系統的穩定性和編程的簡潔性 考慮， 放棄了單純使用凌陽單片機而考慮其它的方案。 方案 3： AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機，片內含 4k bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM）和 128bytes 的隨機存取數據存儲器（ RAM）。采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS51 指令系統，片內置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲單元 .,128 8 字節內部 RAM， 32 個可編程 I/O 口線， 2 個 16 位定時 /計數器， 6 個中斷源，低功耗空閑和掉電模式 [5]。 本系統主要結合已學知識，再加上實際應用方便、經濟性， 故選擇了方案 3。 紅外收發電路 方案 1：采用專門的紅外編解碼芯片。優點：軟件開銷小，編解碼芯片幫助 軟件 完成很多工作。缺點：成本高，電路復雜。 方案 2： 利用單片機內部定時器調制到 38KHz紅外信號，利用單片機外部中斷進行解碼 。優點： 成本低，電路簡單 。缺點： 軟件復雜，使用的中斷資源多 。 江蘇技術師范學院畢業設計說明書 (論文 ) 第 5 頁 共 57 頁 但是本設計中，在紅外發射和接受時，單片機并沒有其他并發的任務需要執行，故選擇方案 2 以簡化電路設計。 測轉速傳感器模塊 方案 1：用光敏電阻組成測速傳感器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線發射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發 生明顯的變化。將阻值的變化值經過比較器就可以輸出高低電平 [6]。 但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩定的工作。因此 考慮其他更加穩定的方案。 方案 2：用紅外發射管和接收管自己制作光電對管測速傳感器。紅外發射管發出紅外線，當發出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發射管發出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本 能夠滿足要求，但是工作不夠穩定，且容易受外界光線的影響，因此 放棄了這個方案 [7]。 方案 3：用 槽開光電開關 作 為測速傳感器， 把一個光發射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側的是槽形光電。發光器能發出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關便動作。輸出一個開關控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關的檢測距離因為受整體結構的限制一般只有幾厘米 ， 但是輸出波形需要整形 。 方案 4：用霍爾開關作為測速傳感器，檢測不到磁場時輸出高電平，檢測到磁場時輸出低電平 [8]。輸出波形較為平整，不需要整形亦可直接測量，且不會丟失下降沿，相比槽型光電開關安裝方便。十分 符合本設計的需求 [9]。 因此 選擇了方案 4。 電機模塊 方案 1：采用步進電機作為該系統的驅動電機。由于其轉過的角度可以精確的定位，可以實現小車前進路程和位置的精確定位。雖然采用步進電機有諸多優點，步進電機的輸出力矩較低，隨轉速的升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，其轉速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統。經綜合比較考慮，放棄了此方案 [10]。 江蘇技術師范學院畢業設計說明書 (論文 ) 第 6 頁 共 57 頁 方案 2： 采用直流減速電機。直流減速電機轉動力矩大，體積小 ，重量輕，裝配簡單，使用方便，能夠較好的滿足系統的要求，因此 選擇了此方案。 電機驅 動模塊 方案 1：采用專用芯片 L293D 作為電機驅動芯片。 L293D是一個具有高電壓大電流的全橋驅動芯片，它相應頻率高，一片 L293D 可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅動，操作方便，穩定性好，性能優良 [11]。 方案 2：對于直流電機用分立元件構成驅動電路。由分立元件構成電機驅動電路，結構簡單，價格低廉，在實際應用中應用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩定。 因此選用了方案 1。 最終方案 經過反復論證，最終確定了如下方案： （ 1）采用通用板制作。 （ 2）采用 ATMEL 公司生產 的 AT89C51 單片機作為主控制器。 （ 3）用 霍爾 開關 作為測速傳感器 （ 4） L293D 作為直流電機的驅動芯片。 江蘇技術師范學院畢業設計說明書 (論文 ) 第 7 頁 共 57 頁 第三章 硬件電路的設計 第 2 章介紹了本次設計的方案選定及系統框圖。 本章主要介紹本次設計硬件電路的具體設計。 紅外通信的基本原理實質上就是利用紅外線來作為載體傳送信息。把單片機等產生的的編碼控制信號，經由調制電路調制為 32~40KHz 的方波信號（提高發射效率、降低功耗）。在經由驅動電路驅動紅外發光二極管發出紅外遙控信號；在接收端使用與發射端相配對的紅外光電二極管，接收含有控制信 號的紅外信號，在將該紅外信號解調為電信號后，再送入單片機進行解碼，以得到相應的控制信號，從而完成紅外信息的傳送。 CPU 模塊設計 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機，片內含 4Kbytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM）和 128bytes 的隨機存取數據存儲器（ RAM）。采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 MCS51 指令系統，片內置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲單元 .,128 8字節內部 RAM， 32 個可編程I/O 口線 ， 2 個 16位定時 /計數器， 6個中斷源，低功耗空閑和掉電模式。 復位和時鐘電路 復位電路和時鐘電路如圖 31 所示，對于復位電路，本設計采用上電復位電路，由于 89C51 是高電平復位，因此通過在 RESET 端接一個電阻到地，并接一個電容到電源的方式完成上電復位，上電時電源給電容充電，電容導通，因此 RESET 腳就相當于連接到+5V 電源，開始復位，當電容充電完成后，電容斷開， RESET 腳被下拉電阻鉗位在低電平，則退出復位狀態。 對于時鐘電路，采用 的晶振并加以兩個 22pF 的起振電容。 江蘇技術師范學院畢業設計說明書 (論文 ) 第 8 頁 共 57 頁 圖 31 復位和時鐘電路 紅外發射電路 本 設計的紅外 發射器采用碼分制遙控方式，碼分制紅 外 遙控就是指令信號產生電路以不同的脈沖編碼（不同的脈沖數目及組合）代表不同的控制指令。當不同的指令鍵被按下時，指令信號電路產生不同的脈沖編碼的指令信號，也就是進行編碼，然后經由調制電路進行調制從而產生不同的編碼信號，再由驅動電路驅動紅外發射器 發射 紅外信號。如圖 32 所示： 圖 32 紅外發射電路 江蘇技術師范學院畢業設計說明書 (論文 ) 第 9 頁 共 57 頁 紅外接收電路 紅外接收電路是紅外遙控系統中的指令信號及檢出電路，通過一體化紅外接收頭1838(集成紅外 線的接收、放大、解調，不需要任何外接元件，就能完成從紅外線的接收到輸出與 TTL 電平信號兼容的所有工作 )然后將接收到的信號發送給 AT89C51，然后AT89C51 通過內部程序對所接收信號進行判斷然后就驅動相應的外部設備進行相應的動作。此設計的遙控開關是在通用遙控的基礎上加以改進的，其實就是將紅外遙控器接收部分采用單片機 AT89C51 來控制。即當一體化紅外接收器接收到的紅外遙控信號，經放大、解碼濾波后，將原編碼信號傳送入單片機 AT89C51 中進行信號識別編碼然后進行相應的處理，已達到控制電路的目的。紅外接收 電路 如 圖 33所示 。 1838 接收頭的 1號腳接到單片機的 號腳上。 圖 33 紅外接收電路 如圖 33 所示，圖中 R10 為 22 歐姆的小電阻，串聯進 1838 的電源腳，起保護作用。C11 為 104 電容 ()，對 1838 的電源起到濾波作用，增加抗干擾性能。 按鍵電路 由于本設計中只需要六只按鍵且單片機 I/O 口富足，因此，按鍵電路只需如圖 34所示即可，而不必采用復雜的矩陣鍵盤。 Key1 到 Key6 分別接到單片機的 到 號腳上。 江蘇技術師范學院畢業設計說明書 (論文 ) 第 10 頁 共 57 頁 圖 34 按鍵電路 如圖 34所示，六個按鍵從 1 號到 6號分別表示起動，停止，正轉，反轉，加速，減速。每個按鍵接 的上拉電阻，以保證按鍵未被按下時， I/O 口檢測到的電平為高電平，而不會引起按鍵的誤操作，提高按鍵電路的抗干擾能力。 電機電路 本設計中電機驅動 選用的驅動芯片為 L293D，它包含 4個輸出通道，最大輸出峰值電流為 1． 2 A，能同時驅動 2個直流電機工作；其信號輸入端和使能端接收到來自單片機的信號，控制電機的通斷以及正、反轉，還可以通過向使能端輸入不同占空比的方波信號來調整電機轉速 (PWM 方式 )。如圖 35 所示， IN端口接控制信號， OUT 端口接電機的兩端， EN 端口接使能信號。一組 IN 端口輸入為高／低或低／高電平時，能實現電機的正／反轉。一組 IN 端口輸入均為高或低電平時，電機將停轉。 EN 使能端為高電平時，相應端口輸入信號有效；反之，則輸入信號無效。在 EN 端輸入 PWM 波，通過調整 PWM波的占空比，即可實現電機的無級調速。 江蘇技術師范學院畢業設計說明書 (論文 ) 第 11 頁 共 57 頁 圖 35 電機驅動電路 霍爾測速電路 本設計中采用霍爾開關來進行測速。霍爾開關 是 檢測磁場的傳感器，當無磁場信號時輸出高電平，有磁場信號時輸出低電平，因此將霍爾開 關輸出的信號接入單片機的外部計數引腳，然后通過測頻法將很容易求得電機的轉速，霍爾開關電路如圖 36所示。 圖 36 霍爾開關電路 如圖 36所示，霍爾開關 1 腳為輸出腳， 2 腳為地腳， 3腳接電源，使用十分方便，需要注意的是霍爾開關 是 OC 輸出的，因此在輸出腳需要加一個上拉電阻。 江蘇技術師范學院畢業設計說明書 (論文 ) 第 12 頁 共 57 頁 LCD 轉速顯示電路 本設計中采用 LCD1602 模組來顯示轉速，要驅動該模組只需要按照 1602 模組的時序操作即可，參考 1602 模組的數據手冊，設計的驅動電路如圖 37所示。 圖 37 液晶顯示 電路 如圖 37所示 ， LCD 模組 2 腳分別接地和電源（ 5V）， 3 腳為液晶顯示偏壓信號，通過一可調電阻接地， 調節該電位器可以調節液晶的對比度， 46 腳分別接單片機的,714 腳分別接單片機 ,1 16 腳分別接電源（ 5V）和地。 江蘇技術師范學院畢業設計說明書 (論文 ) 第 13 頁 共 57 頁 第四章 軟件設計 軟件功能 本 設計 的軟件主要結合硬件電路實現預計各種功能， 包括紅外遙控電機起動，停止，正轉，反轉，加速，減速，并且通過 LED 指示電機所處運行狀態。另外還需要檢測出轉速并予以顯示 。 紅外發射 板程序 分析 紅外發射 板 主程序主要實現對 按鍵的檢測，并根據相應按鍵發射相應的紅外碼給紅外接收板 。軟件流程圖如圖 41 所示： 圖 41 紅外發射板程序流程圖 其中紅外編碼發射的具體函數如下所示： 開始 單片機初始化 有鍵按下 發送對應鍵 值的紅外碼 N Y 江蘇技術師范學院畢業設計說明書 (論文 ) 第 14 頁 共 57 頁 /******************************************* 發送紅外數據 *******************************************/ void sendcode(void) { set_count=575。//發 送 9ms 38K 紅外光 flag=1。 count=0。 TR0=1。 while(countset_count)。 TR0=0。 set_count=320。//間隔 flag=0。 count=0。 TR0=1。 while(countset_count)。 TR0=0。 ircode=irsys[0]。//發送 26位系統碼的前 18位 sendcode_8()。 ircode=irsys[1]。//發送 26位系統碼的前 916位 sendcode_8()。 ircode=irsys[2]。//發送 26位系統碼的前 1724 位 sendcode_8()。 江蘇技術師范學院畢業設計說明書 (論文 ) 第 15 頁 共 57 頁 ircode=irsys[3]。//發送 26位系統碼的前 2426 位 sendcode_2()。 ircode=irdata。//發送 8位數據碼 sendcode_8()。 ircode=~irdata。 //發送 8位數據反碼 sendcode_8()。 set_count=28