基于红外遥控的步进电机智能控制电路设计方案

1 基于红外遥控的步进电机智能控制电路设计方案 第一章 概述 步进电机 是将 电脉冲 信号转变为 角位移 或线 位移 的 开环控制 元步进 电机 件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于 脉冲信号 的频率和 脉冲 数，而不受负载变化的影响，当步进 驱动器 接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为 “ 步距角 ” ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数 来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制 脉冲频率 来控制电机转动的速度和 加速度 ，从而达到调速的目的。 根据步进电机驱动方式，我们想到了用单片机输出频率，但是单片机输出电压不够，需要升压，于是在单片机的外围电路上加上高速光耦电路在去驱动步进电机，本设计最大的优点在于可以远程遥控，步进电机的转动的频率。本课题最大的意义，是突出机电一体化（电子技术）专业的精华，弱电控制强电，强弱相结合，智能控制。在确定设计方向后，我们这个设计小组就讨论在分步分模块 设计电路，然后整体结合。还是一步就把整个电路做出来。在解教授的指导下，我们明白设计需要严谨，电路不能一步成功，而是一步一个脚印，步进式的设计电路，分模块做电路和写程序。于是我们设计和调试都是分部进行的，每个成员做一个擅长的模块，然后再整体结合，虽然在结合过程中，有许多困难，但是在解教授的指导下，一一攻破。最后设计完成液晶时间显示，红外线发射，红外线接收，输出频率。使步进电机智能控制正常运行。 第二章 系统硬件设计 外线发射部分总电路 红外线发射部分总电路如图 2 图 路采用了 功耗单片机，红外线发射二极管， 阵按键。 机系统电路： 性能 位 单片机 ，片内含 8k 56 器件采用 高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 内置通用 8位中央处理器和 泛的应用。 51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的 8同。主要管脚有： 19 脚）和 18 脚）为振荡器输入输出端口，外接 12振。 9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。 40 脚）和 20 脚）为供电端口，分别接 +53 为可编程通用 I/O 脚，其功能用途由软件定义。 3 图 晶显示屏电路： 显示使用了 1602 液晶屏显示，液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。 6脚接口，其中 V 正电源，液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，为使显示达到最佳效果，实训电路在 间串接一 10K 的电位器进行对比度调节。 三极管 极管 制液晶屏的开关，用于省电模式。 寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 W 为低电平时可以写入数据。 晶模块 执行命令。 7 为 8位双向数据线。 所示。 图 4 所示。 图 钟芯片电路 时间计算使用了 括时钟 /日历寄存器和 31字节（ 8位）的数据暂存寄存器，数据通信仅通过一条串行输入输出口。实时时钟 /日历提供包括秒、分、时、日期、月份和年份信息。闰年可自行调整，可选择 12 小时制和 24 小时制，可以设置 通过三根线进行数据的控制和传递： ， 过备用电源可以让芯片在小于 1功率下运作。 主要工作原理 ： 移位寄存器，控制逻辑，晶振，时钟和 进行任何数据传输时， 意虽然将它置为高电平，内部时钟还是在晶振作用下走时的，此时，允许外部读写数据），在每个 升沿时数据被输入，下降沿时数据被输出，一次只能读写一位，适度还是写需要通过串行输入控制指令来实现（也是一个字节），通过 8 个脉冲便可读取一个字节从而实现串行输入与输出 。最初通过 8 个时钟周期载入控制字节到移位寄存器。如果控制指令选择的是单字节模式，连续的 8 个时钟脉冲可以进行 8 位数据的写和 8 位数据的读操作， 钟的上升沿时，数据被写入 冲的下降沿读出 数据。 8 个脉冲便可读写一个字节。在突发模式，通过连续的脉冲一次性读写完 7 个字节的时钟 /日历寄存器（注意时钟 /日历寄存器要读写完），也可以一次性读写 8328 位 据（可按实际情况读写一定数量的位，不必全部读写，两者的区别） 所示： 5 图 图 阵按键电路： 键盘使用了 4乘 4矩阵按键 首先确定是哪一行按下键，在确定哪一个键那下。 （ 1） 置 扫描第一行，拉底 果第一行无键按下， 6 就拉高 底 始扫描第二行。如果还是没键按下，按以上顺序，扫描第三行和第四行，直到检测到按键为止。 （ 2） 如果检测第一行有按键按下，就开始检测列的按键， 因为 矩阵对应的编码，所以检测出 出对应的按键。依此类推，就可以检测第二行，第三行，第四行，列位的键。 键盘与单片机电路图如图 图 外线发射电路： 红外线发射采用了 红外线发射管。 红外线发射管也称红外线发射二极管，属于 二极管 类。它是可以将电能直接转换成近红外光（不可见光）并 能辐射出去的发光器 件，主要应用于各种 光电开关 及遥控发射电路中。红外线发射管的结构、原理与普通发光二极管相近，只是使用的半导体材料不同。红外发光二极管通常使用 砷化镓 （ 砷铝化镓（ 材料，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。 工作原理：用单片机控 制 红外线发射管 ，设定遥控码的脉冲个数，在调制成 40波由红外线发射管发射出去。 红外线发射管 图如图 示： 图 7 红外线发射管 与单片机图如图 示： 图 外线接受部分 红外线接受总电路图如图 图 路采用 功耗单片机，红外线接收头，光耦电路，步进电机驱动电路。 8 外线接收 电路： 红外线接收头 (又称红外线接收模组 ,集成红外线接收 极管 、放大、滤波和比较器输出等 块。红外线接 收头分类通常可以按频率分为 36,0,按不同需求选择使用不同频点 泛应用在家用电视 不再制作接收放大电路，这样红外接收头简化了电路。 常用的一种红外接收头的外形，均有三只引脚，即电源正 源负(数据输出 (接收头的引脚排列因型号不同而不尽相同，因接收头的外形不同而引脚的 区别。 红外线引脚图如图 示： 图 外线接收头与单片机电路图如图 示： 图 9 耦电路 （ 1） 光耦的工作原理 耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱 动发光二极管（ 使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电 光 电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。 （ 2） 光耦的优点 光耦合器的 主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是 70 年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器 (仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。 （ 3） 光耦的种类 光电耦合器分为两种：一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。 非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。 常用的 4。 线性光耦的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。 常用的线性光耦是 开关电源中常用的光耦是线性光耦。如果使用非线性光耦，有可能使振荡波形变坏，严重时出现寄生振荡，使数千赫的振荡频率被数十到数百赫的低频振荡依次为号调制。由此产生的后果是对彩电，彩显，在图像画面上产生干扰。同时电源带负载能力下降。 在彩电，显示器等开关电源维修中如果光耦损坏，一定要用线性光耦代换。 常用的 4脚线性光耦有 。 常用的 4不适合用于开关电源中的，因为这 4种光耦均属于非线性光耦。 电路选用光耦为 各种要求比较精密的功能电路中常常被当作耦合器件，具有上 下级电路完全隔离的作用，相互不产生影响。 部框图如图 示： 10 图 输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流从输出端输 出，从而实现了“电 电”的转换。 普通光电耦合器只能传输数字信号（开关信号），不适合传输模拟信号。线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟电压或电流信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同。 电耦合器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用。 如图 图 射极电压 二极管正向电流 系 11 单片机与光耦电路图如图 示 ： 图 耦驱动部分如图 示 ： 图 路使用单片机低电平触发， 限流电阻，当单片机输出为低电平时候，光耦 动 12 光耦输出部分如图 示 ： 图 为步进电机驱动器为 24V 脉冲型号驱动，所以光耦输出电路，脉冲上限为40进电机电路： 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只 取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单 。虽然步进电机已被广泛运用，但它不能像普通的直流电机，交流电机那样在常规下使用。它由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成系统次可以使用。 步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置 。 步进电机驱动简介： 步进电机 不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的 步进电机 驱动器，如图 示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。驱动单元与 步进电动机 直接耦合，也可理解成 步进电机 微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。 图 进电机 驱动控制器 13 动器如图 图 2D）为等角度恒力矩细分型驱动器，驱动电压 配 6或 8 出线、电流在 6A 以下、外径 57各种 型号的二相混合式步进电机。该产品广泛应用于雕刻机、激光打标机，激光内雕机等分辨率较高的小型数控设备上。 特点： 高性能、低价格 采用独特的控制电路 设有 12/8档等角度恒力矩细分，最高 200细分 最高反应频率可达 200 步进脉冲停止超过 100圈电流自动减半 双极恒流斩波方式 光电隔离信号输入 /输出 驱动电流从 到 6A/相连续可调 单电源输入，电压范围： 作电流示设置图如图 图 14 输入信号时序图如图 图 图 动器接线图如图 图 15 注意： 1、千万不要将电源接反，输入电压不要超过 2、输入控制信号电平为 5V，当高于 5 3、驱动器温度超过 70 度时驱动器停止工作，故障指示灯 ，直到驱动器温度降到 50 度，驱动器自动恢复工作。出现过热保护请加装散热器； 4、此型号驱动器由于采用特殊的控制电路，故必须使用 6出线或 8出线电机； 5、过流（负载短路）故障指示灯 检查电机接线及其他短路故障，排除后需要重新上电恢复； 6、欠压（电压小于 故障指示灯 分表如表 表 分数 1 2 4 5 8 10 20 25 40 50 100 200 200 200 200 200 N N N N N N N N 1 N N N N 2 N N N N 3 N N N N 4 脉冲： 脉冲： 检测开关 (接收外部脉冲， 驱动器内部发 细分数 1 2 4 8 16 32 64 128 N N N N 1 N N 2 N N 3 无效 N，双脉冲： 脉冲： 检测开关 (接收外部脉冲， 驱动器内部发 6 脉冲 ) 引脚功能说明如 表 示 表 记符号 功 能 注 释 作指示灯 色指示灯点亮 障指示灯 过热保护时红色发光管点亮 机线圈电流设定电位器 调整电机相电流，逆时针减小，顺时针增大 + 输入信号光电隔离正端 接 +5+54高于 +54=下降沿有效 ,每当脉冲由高变低时电机走一步。输入电阻220 ，要求：低电平 电平 4冲宽度 N， + 输入信号光电隔离正端 接 +5+54高于 +54=用于改变电机转向。输入电阻 220 ，要求：电平 4冲宽度 N， + 输入信号光电隔离正端 接 +5+54高于 +5机释放信 号 有效（低电平）时关断电机线圈电流，驱动器停止工作， 电机处于 自由状态 + 原点输出光电隔离正端 电机线圈通电位于原点置为有效（ B， 光电隔离输出（高电平） 17 点输出信号光电隔离负端 +端接输出信号限流电阻， 大驱动电流50高电压 50V。 +V 电源正极 V 电源负极 电机接线 18 第三章 软件系统设计 晶显示屏程序设计： , 图 图 图 19 图 晶显示的程序框图如图 图 示子程序： A, #01H 清屏 A, #38H 20 8位数据， 165 A, #0开显示，关光标，不闪烁 A, #06H 读写字符时地址 +1，整屏不移动 A 写入控制命令 E E A 写入数据 E 判断液晶模块是否忙 ? E 0看 E E 如果 所示： 21 图 存器如表 示 ： 表 序流程图如图 图 图 示子程序： 8 00H ;允许写 1302 ；写子程序 80H 80H ;1302 停止振荡 8年写入 1302 22 8周写入 1302 88H ;月写入 1302 86H ;日写入 1302 84H ;时写入 1302 82H ;分写入 1302 80H ;秒写入 1302 A,8 A A, 23 8 A _80H ;开始振荡 8禁止写入 1302 80H 0 T 8 ;年读出 ；读子程序 8 ;周读出 89H ;月读出 87H ;日读出 85H ;时读出 83H ;分读出 81H ;秒读出 24 A, 8 A 8 C,A 25 阵按键程序设计 键盘是由若干独立的键组成。键盘的形式有以下两种：独立式键盘和编码式键盘。 为了节省资源，所以使用了编码式键 盘（ 4 乘 4 矩阵按键）。 键的按下与释放是通过机械触点的闭合与断开来实现的，因机械触点的弹性作用，在闭合与断开的瞬间均有一个抖动过程 。 抖动时序图如图 示： 图 这个项目采用了，软件去抖动的方法，用了 10时 ,去抖动。 4乘 4矩阵按键程序工作流程图如图图 26 图 盘子程序： 0 A, A,#0 A,#0 A, 27 A,#0 A,#0 A, A,#0 A,#0 A, A,#0 A,#0 A, A,#0 A,#0 A, A, A,#0 A,#0 00H A, A,A+ A, 10H, ; A, B,A A A,B A+ 28 B 07H,0红外线发射程序设计 遥控码的编码格式：遥控器采用脉冲个数编码，不同的脉冲个数代表不同的码，最小为 2个脉冲，最大为 17个脉冲。为了使接受可靠，第一位码宽为 3余为 1控码数据帧间大于 10如图 示： 图 29 红外线发射程序流程图如图 图 外线发射子程序： ;装入发射脉冲个数 ;转第一个码发射处理 55H ;1低电平发射控制数据 ;开 ;开启定时器 ;延时 ;时间不到转 循环 32H ;1电平间隙控制数据 ;关定时器 ;关 ;关脉冲输出 ;空操作延时 30 ;时间不到转 循环 ;脉冲未发完，转 循环发射 ; ; 0;装发谢 3控制数据 ;转 513 微秒延时程序 0 10 毫秒延时程序 14H 500 毫秒延时程序 32H 31 外线发射 总程序流程图 如图 示： 图 外线发射总程序附录一 外线接收 程序 红外接收头的主要参数如下： 工作电压： 作电流： 收频率： 值波长： 940态输出：高电平 输出低电平： 出 高电平：接近工作电压 。 光电参数： 光电参数 (T=25 v 8如表 示。 32 表 限参数： 表 据帧的接收处理 当红外线接收器输出脉冲帧数据时，第一位码的低电平将启动中断程序，实时接收数据帧。在数据帧接收时，将对第一位（起始位）码的码宽进行验证。若第一位低电平码的脉宽小于 2作为错误码处理。当间隔位的高电平脉宽大于 3，结束接收，然后根据累加器 A 中的脉冲个数，执行相应输出口的操作。图为红外线接收器输出的一帧遥控数码波 示。 图 33 红外线接收器输出的一帧遥控数码波形图。 程序流程图如图 示： 图 收子程序： 2H 1H 0H 0000H ;程序开始地址 ;跳至 行 0003H ;外中断 0 中断入口 ;跳至 行中断 服务程序 000 ;定时器 断入口地址 ;中断返回（不开中断） 0013H ;外中断 1 中断入口地址 ;中断返回（不开中断） 34 001 ;定时器 断入口地址 ;中断返回（不开中断） 0023H ;串行口中断入口地址 ;中断返回（不开中断） 002 ;定时器 断入口地址 ;中断返回（不开中断） ; ;A 为 #0 ;置 1 ; ; ; 00H ;关所有中断 ;开外中断 ;总中断允许 ;子程序返回 ;上电初始化 Z,B Z 02H V V Z,B 35 ;为低电平转 ;为高电平开中断（系干扰） ;退出中断 A ;清 A ;清 ; ;高电平转 ;用 低电平计数 ;1 微秒延时 ;转 环（循环周期为 8 微秒） A, ; 8 位放入 A ;为 0（脉宽小于 8*255=2 毫秒）退出 A ;不为 0，说明是第一个宽脉冲（ 3 毫秒） A ;脉冲个数计 1 ;低电平时等待 06H ;高电平宽度判断时值 ;延时（ 512 微秒） ;6 次延时不到转 延时 A ;超过 3 毫秒判为结束，减 1 A ;减 1 ;为 0 执行 2 个脉冲） A ;减 1 ;为 0 执行 3 个脉冲） A ; ;为 0 执行 4 个脉冲） A ; ;为 0 执行 5 个脉冲） A ; ;为 0 执行 6 个脉冲） A ; ;为 0 执行 7 个脉冲） A ; ;为 0 执行 8 个脉冲） A ; ;为 0 执行 9 个脉冲） 36 ; ; ;出错退出 ;各端口开关输出控制 ;转中断退出 0,#0V,#09Z 0,#0V,#0Z 0,#0V,#0Z 0,#0V,#0Z 0,#0V,#0Z 0,#0V,#0Z 0,#0 37 V,#0Z 0 外线接受总程序流程图： 如图 示： 图 38 图 外线接收总程序附录二 39 第四章 设计 外线发射 图 图 外线接受 图 图 40 第五章 调试与运行 在这个项目，因为软件分为两大部分，红外线发射部分与 红外线接受部分。发射部分又分了显示部分、键盘部分、时间计算部分，红外线发射部分。红外线接受，分为信号接受与输出对应脉冲频率部分。所以我采用按步调试方法。 示部分： 1、 测试环境及工具 最小系统板， 2、测试方法 先在液晶屏中第一行第一个位显示 A，然后在写入液晶屏移动程序。 3、测试结果分析 在一开始调试 因为没有弄懂 入的程序，不能使液晶屏正常工作，于是更加仔细翻阅资料，把 3个之间的关系 弄清楚，最后成功把数据并行输入进其能正常工作和显示。 盘和显示部分： 1. 测试环境及工具 最小系统板， 4乘 4矩阵键盘 2、 测试方法 按下键盘，能在液晶屏显示对应的字符。 3、 测试结果分析 因为硬件采用了 4 乘 4矩阵键盘 (编码式键盘 )，每个按键都对应的编码。程序写入后，虽然每按一个键，都会在液晶屏显示字符，但却不是对应的字符。经过分析，发生这个错误，可能有 2个方面。键盘的横和列接反了或者是软件编码顺序没有对应按键。经过再次测试，发现是键盘的横和列接反了，把键盘的正确接在单片机后，就能正确的显示对应字符。 间和显示部分： 最小系统板， 往 41 分秒时。 I/为之前有写过 以很快弄懂了 程序写入后，发现液晶屏不能正确显示时间，而且有时会乱码 ，但是在分钟位，用钟表测试，发现是一分钟变一次字符。所以猜测程序在写入和读出的时间应该是正确，有可能是在读出数据后，在十进制的转换发生了错误，经过仔细研究程序，确实是数据在十进制转换时，转换错误了。修改了程序后，终于在液晶屏上正确显示时间了。 外线发射部分与接受部分： 1. 测试环境及工具 最小系统板， 发板（含红外线接收头），红外线发射二极管，矩阵键盘。 2. 测试方法 键盘输入单片机对应键值， 受数据，对应的 3. 测试结果分析 一开始写好程序，发现 虽然能发射，接受板能亮灯，当是不是对应想要的灯，经过分析发现原来是