毕业设计（论文）-基于单片机的无线遥控系统设计.doc

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 iv 页 共 页 毕业设计(论文)说明书题 目：基于单片机的无线遥控系统设计 院 （系）： 通信与信息工程系 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 学 号： 020220524 指导教师： 职 称： 讲师 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2006年 5 月 30日摘 要本设计是基于单片机实现的无线遥控系统。分为无线发射模块、无线接收模块、单片机控制部分和电机驱动部分。本系统通过无线电实现控制信号的传递，单片机作为控制部件协调处理整个系统的工作，并产生相应的方向信号和pwm信号实现对直流电机的控制（正转、反转、加速、减速）。本系统具有很强的通用性和实用性，可以将其用于各种电子电器设备中实现无线控制，也可以广泛应用于各种电器、机器人和各种自动化控制领域中的遥控装置。本系统采用315m无线收发系统实现控制信号的无线传输，该无线传输系统抗干扰能力强，传输距离远，还可以实现保密通信；采用直流电机作为被控制对象，驱动电路简单，易于控制，成本低，能提供较大的功率，适应各种自动化控制设备的大功率应用。本系统选用at89s51单片机，内部包含flash存储器，在系统的开发过程中支持在线下载。而且51系列单片机控制方便，内部资源丰富。关键词：无线收发系统；at89s51；pwm；直流电机abstract 0本设计是基于单片机at89s51实现的无线遥控系统。分为无线发射模块、无线接收模块、单片机控制部分和电机驱动部分。this paper is relate to wireless telecontrol system that accomplished base on miccontroller. it is composed of radio transmit module, wireless receive module, miccontrollor control section and motor driven part .本系统用无线实现控制信号的传递，单片机作为控制部件协调处理整个系统的工作，并产生相应的方向信号和pwm信号实现对直流电机的控制（正转、反转、加速、减速）。this system transfered the control signal depend on wireless radio ,the singlechip is a control unit take charge of processing work of total system ,and brought relevant direction signal and pwm signal, which can control the electromotor performed positive running ,reversal running, speedup , slowdown .本系统具用很强的通用性和实用性，可以将其用于各种电子电器设备当中实现无线控制，可以广泛应用于各种使用遥控装置的电器、机器人和各种自动化控制领域。this system have strong versatility and practicability in its function. which could be used for different kinds of electrical equipment that could achieve wireless control perfectly，and it also could widespread used to different kinds of electric appliance , robot and robotization control region which required telecontrol application.本系统采用315m无线收发传递控制信号抗干扰能力强，传输距离远，还可以加强保密性；采用直流电机作为被控制对象使整个电路简洁，成本低，且能提供较大的功率适应各种自动化控制设备的大功率应用。this system adopt 315 mhz wireless radio transmit/receive system delivery control signal ,that could resist signal interference strongly, transmission range farther ,as well as strengthen confidentiality ；system s control object is direct current motor, which have very simple driver circuit ， cost low ，besides it could offer higher current that especially adapt to different kinds of robotization control equipment s large power application .this system choose the at89s51 by way of controller, because it interior contain flash memory , besides it offered download program on-line. 0. key words：wireless transmit and receive system ；at89s51 ；pwm ；direct current motor 0. 目 录引言11 系统设计11.1 方案比较11.1.1 无线发射与接收方案11.1.2 系统控制部分方案41.1.3 电机驱动方案41.3 方案论证61.3.1 总体思路61.3.2 设计方案72 单元电路设计72.1 无线发射和无线接收模块72.1.1 编码和解码原理72.1.2 315mhz无线发射、接收原理102.1.3 电路设计122.2 控制及显示部分132.3 电机驱动电路163 软件设计183.1 开发软件介绍183.2 软件实现方法193.2.1 软件流程图203.2.2 软件清单及仿真214 系统测试225 结论24谢辞25参考文献26附录27桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 29 页 共 29 页引言本遥控控制系统使用315mhz无线电实现控制信号的传输，采用单片机来协调处理整个系统的工作，并产生相应的方向信号和pwm信号，实现对直流电机的控制（正转、反转、加速、减速）。本系统具用很强的通用性，可以将其用于各种电子电器设备当中，比如：洗衣机、电扇、机器人等。还可以实现保密通信，遥控电路可以设置8位密码，在多系统同时使用时不会互相干扰。通过对本系统的研究可以了解一般的遥控控制系统的工作流程，硬件设计，软件编写。本设计只需根据需要稍加修改就可以应用于具体产品的遥控系统，还可以再加其他的外围电路实现更多的功能，具有可扩展性。 现在国内外大多的设计，驱动的电机多是步进制电机，而步进制电机的使用较为复杂，而且功率没有直流电机大。在精密控制方面步进电机占很大的优势，然而在一般的精度或者是需要大功率的场合就需要直流电机了。在遥控方面大多数的电路遥控距离都不远，一般是10米以内。而且保密性不是很好或者根本不具有保密性，而本系统中的无线收发模块部分可以克服这些不足，遥控距离远，干扰小，功耗低，可以实现保密通信。本系统的控制部分选用at89s51单片机作为控制器，根据接收到的控制信号产生相应的pwm信号和方向信号，同时驱动数码管显示速度档位。电机驱动电路采用h桥式三极管驱动，成本低，工作稳定，驱动能力强。1 系统设计本章先从总体上根据要求设计出各部分电路的整体方案，再进行比较选出较优的设计方案。下章将根据选出的方案设计出具体的电路。然后是测试软硬件是否实现全部的功能，最后完成整个系统的设计。本系统由四个部分组成：无线发射模块、无线接收模块、控制显示模块、电机驱动模块。各模块都具有独自的功能，用接口电路将它们连接起来构成本无线控制系统，实现整体功能。1.1 方案比较 下面介绍各个模块的设计方案，根据设计要求和现实可行性分别进行理论论证，最后在各个方案中选出最佳方案。1.1.1 无线发射与接收方案无线收发方案的关键问题有两个:一是信号的编码和解码;二是信号的发射与接收。系统的原理框图如图1.1所示。图1.1 无线收发系统原理框图控制信号由设定的按键输入，然后对其编码，再将编码信号调制成适合发射的信号后发射出去；接收端接收到信号后解调产生原编码信号，最后由解码电路解码就恢复出了原控制信号，也就实现了控制信号的无线传输。（1）、编码和解码编码的目的就是让各个控制信号有所区别，以便收到编码信号后通过解码又可以独立的恢复出原控制信号来，各控制信号不会出现混乱。本遥控系统只需要传送4路控制信号，分别控制电机的正、反转，加、减速。方案一：由于传输的控制信号只有4路，所以可以采用分立的电路来实现。用4个振荡器分别产生4个不同频率的信号，接收端只要能识别出4个不同频率的信号也就等于得到了4路控制信号。具体实现是：用555构成多谐振荡器，也可以用反向器构成环形振荡器。用555电路简单，工作频率稳定。解调可以用锁相环，如lm567：lm567是一种广泛应用于电话系统中的锁相环音频译码电路，内部由相位比较器，压控振荡器，正交相位检波器和逻辑输出放大器等组成。lm567的工作过程可以简述为：当3脚输入信号的频率落在其内部压控震荡器的中心频率附近时，它的逻辑输出端8脚就会由高电平变为低电平。利用这种变化也就可以实现控制信号的识别。 方案二：由编解码芯片实现。此类编码与解码电路一般都是由两片配套的芯片组成。比如pt2262/pt2272，pt2262/2272是台湾普城公司生产的一种cmos工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，pt2262/2272最多可有12位(a0-a11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供531441地址码,pt2262最多可有6位(d0-d5)数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。上述两种方案从对硬件的要求而言，方案一需要4个555构成的振荡器和4个由锁相环lm567构成的解码识别电路，而方案二只需要两片芯片，电路简单。而且方案二中的编码解码芯片是无线遥控方面的专用芯片，使用方便。（2）、发射与接收这部分电路是本遥控系统能够实现无线收发的关键所在，实现无线收发传输控制信号有两种方式：方案一：红外收发方式。使用红外发射管ph303将编码信号发射出去，然后接收端使用红外接收管ph302接收，或是直接使用红外接收头实现红外的接收。红外发射电路如图1.2所示，红外接收如图1.3所示，使用红外接收管ph302接收红外信号，接收到的信号送入红外专用接收处理芯片cx20106完成信号的放大、选频、解调以及脉冲形成等。cx20106的接收信号频率的范围是30kmz60kmz。第二种接收方法如图1.4所示，使用红外接收头接收。图1.2 红外发射电路 图1.3 红外接收（一） 图1.4 红外接收（二）方案二：无线电收发。使用高频无线电通过天线发射出去，然后再由天线接收无线电信号，再对接收到的信号进行放大、解调等处理后，最后解码得到发送端传出的控制信号。本方案将在下一章中做出详细的介绍。方案一使用红外实现无线收发，电路简单，干扰较小容易实现，可是红外收发方式的传输距离一般比较小，而且发射与接收的角度也比较小。所以要实现远距离遥控只能选择传输距离较远的方案二，天线发射功率大，覆盖范围广，很适合远距离传输。所以本系统将选用方案二作为收发模块，实现控制信号的传输。1.1.2 系统控制部分方案本部分是整个系统的核心，负责协调整个系统的工作，对传来的控制信号进行判断，然后发出相应的控制信号，控制执行部件实现具体的功能。具有处理能力的芯片都可以完成本部分的功能，处理芯片有信号处理芯片如dsp，嵌入式芯片如arm，单片机等。本系统对处理芯片的要求不是很高，只要能对接收到的控制信号做出判断，能产生两个电机控制信号和数码管驱动信号就够了。所以从成本和本电路的要求考虑，处理芯片采用一般的单片机芯片就行了。为了资料的获取的方便，系统开发、程序设计的简单以及我对mcs51单片机的熟悉。决定选用最常用的mcs51系列单片机at89s51。at89s51 为 atmel 所生产的可电气烧录清洗的与 8051 相容的单片机，其内部程序代码容量为4kb。本部分电路还包括显示部分。显示方案一：使用液晶显示屏显示。液晶显示屏（lcd）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。但是由于本系统只需要显示速度的档位或者方向等信息，这些信息，信息量比较少，使用简单的数字就可以表示了。而且液晶事是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也较高。在使用时，不能有静电干扰，否则容易烧坏液晶的显示芯片，不易维护。方案二：使用数码管显示。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时它精确可靠，操作简单。数码管采用的是bcd编码显示数字，程序编译容易，资源占用少。为了节省单片机的内部资源，节省成本；同时考虑到系统对显示的要求，本系统将选用方案二作为系统的显示电路部分。1.1.3 电机驱动方案本系统的最终控制部件是直流电机，而直流电机正常运作需要提供很大的电流，所以，在控制系统和电机之间必须加驱动电路。直流电机实际上是一个强大的感性负载，从电子学的基础知识知道，电感具有阻碍电流变化的特性，所以为了消除反向电动势的影响，电路中必须加上续流二极管作为保护手段。方案一：直流h桥式驱动。这种驱动电路是用分立元件制作的，成本较低，制作也很简单。直流h桥式驱动电路如图1.5所示。使用三极管的开关特性使得在电机两端加正向电压（a、d管导通，b、c管截止时）和反向电压（a、d管截止，b、c管导通时），实现对转动方向的控制。4个二极管是续流二极管，在电路中起保护作用。对不同的直流电机使用不同的电源电压，同时也需要注意，三极管必须选用能够承受大电流、大电压的三极管。本电路使用三极管作为开关管可以很容易被pwm信号控制调速，这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动和正、反方向转动等优点。图1.5 直流h桥式驱动电路方案二：还有一种常用的电机驱动电路：继电器驱动。采用继电器对电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。如图1.6所示为继电器控制电路，a、b、c、d为控制输入端，负责控制继电器j1、j2、j3、j4的开关状态，当a、d通，b、c关闭时，电机得到正向电压正转；反之，b、c通，a、d关断时电机得到负向电压，电机就反响转动，继电器开关状态的时间比的大小决定了电机的转动速度快慢。这个方案的优点是电路简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。图1.6 继电器驱动电路方案三：使用直流电机专用驱动芯片。lmd18200单通道直流电机驱动芯片是一款目前非常流行的直流电机驱动芯片。在12v60v电压下，lmd18200提供3a的额定电流，可以驱动一个直流电机或是步进电机。它内部集成有续流二极管，并有一个电流检测反馈输出，过热时可以自动关断。lmd18200有一个方向引脚输入和一个pwm信号输入引脚，制动引脚输入支持再生制动。只要pwm信号的频率在1khz以下，芯片内部的电容就足以让内部的mos场效应管提供较高的电压。当pwm信号频率高于1khz时，引脚1和引脚2之间，以及引脚10和引脚11之间就需要各加一个0.1uf的电容。对任何频率的pwm信号，加上这些电容都不会有什么坏处，所以最好加上。lm18200的典型应用如图1.7所示。图1.7 lmd18200典型应用 方案三使用一片专用驱动芯片就可以实现电机的驱动，有方向信号输入，也有用于控制电机速度的pwm信号输入，完全符合本电路的需求。但是由于本设计不需要对电机进行精确的控制；而且我询问了本地的元器件经销商，市场上都没有lmd18200出售。鉴于此只有用分立元件设计驱动电路，实现对电机的方向和转速的控制。而方案二由于继电器的反应速度慢，对于频率稍高一点的pwm信号不能实现有效的控制。所以最终选用方案一作为直流电机的驱动电路，h桥式三极管驱动电路的具体设计和原理将会在下一章中详细介绍。1.2 方案论证1.2.1 总体设计思路为了实现遥控电路能够对控制信号进行较远距离的有效传送，接收到的控制信号能够被主控制系统识别并产生控制信号，驱动执行部件。本系统将采用pt2262/pt2272编码解码芯片进行编解码；使用315mhz的发射、接收头实现无线传输信号；采用atmel公司的at89s51作为mcu控制处理整个系统；采用h桥式三极管驱动电路驱动直流电机有效运转。发射接收部分的关键问题是：如何有效的实现控制信号的无线传输。控制部分的关键问题是：如何根据接收到的控制信号产生对应的输出信号。此外还要注意驱动部分与控制部分的耦合，可以考虑用光电耦合器实现级间隔离，以免驱动电路的大电流破坏前级电路的工作。1.2.2 设计方案整个系统的设计方框图如图1.8所示。图1.8 系统整体设计框图由按钮产生的4个控制信号，先送往编码芯片编码，再调制发射出去。在接收端把收到的无线信号解调后送入解码芯片，恢复出来的控制信号输入单片机进行处理，单片机驱动数码管显示电机的速度档位，同时产生两路控制信号：用于调速的pwm信号和用于控制转动方向的方向信号。两路控制信号输入驱动电路，通过驱动电路从而实现对直流电机的控制。2 单元电路设计本章将根据上章选出的方案，详细的介绍各个单元电路的具体设计和电路的原理，电路中所使用元件的参数设置等。最终将设计出具体的、可实现的硬件电路，为软件的设计和电路测试做准备。最终能否实现所有的设计要求，完成所有的功能，本章的设计是否合理、是否可实现非常关键。2.1 无线发射和无线接收模块本部分电路要完成的功能是：按钮开关作为控制键发出控制信号，再对控制信号编码，最后把编码信号通过315m发射头以无线电波的形式发射出去。2.1.1 编码和解码原理本系统选用的编码解码芯片是pt2262/pt2272。编码解码的原理是：编码芯片pt2262发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片pt2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对地址一致后，vt脚才输出高电平，与此同时与pt2262相对应的数据脚输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片就会连续发射。pt2262、pt2272的引脚图如图2.1所示。 图2.1 pt2262、pt2272引脚图引脚说明： 表2.1 pt2262的引脚功能 名称管脚说明a0-a111-8、10-13地址管脚,用于地址编码,可置为“0”,“1”,“悬空”d0-d57-8、10-13数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉 vcc、vss18、9电源正端（）、电源负端（）或是接地te14编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效osc1、osc216、15振荡电阻输入、输出端，振荡电阻决定振荡频率dout17编码输出端（正常时为低电平）表2.2 pt2272的引脚功能名称管脚 说明a0-a111-8、10-13地址管脚,可置为“0”,“1”,“悬空”,与2262一致才解码d0-d57-8、10-13数据管脚，地址码与2262一致时,对应位输出高电平vcc、vss18、9电源正端（）、电源负端（）或是接地din14数据信号输入端，来自接收模块输出端osc1、osc216、15振荡电阻输入、输出端，振荡电阻决定振荡频率vt17解码有效确认输出端（常低）解码有效变成高电平（瞬态）2262每次发射时至少发射4组码字，2272只有在连续两次检测到相同的地址码加数据码后才会把数据码中的“1”驱动相应的数据输出端置为高电平同时把vt端置为高电平。因为无线发射的特点，第一组字码非常容易受零电平干扰，往往会产生误码，所以作丢弃处理。 pt2262发射芯片地址编码输入有“1”、“0”和“开路”三种状态，数据输入有“1”和“0”两种状态。由各地址、数据的不同接脚状态决定，编码信号从输出端dout输出。其编码时序波形如图2.2所示。osc1、osc2外接的电阻决定载波频率。 图2.2 pt2262的编码时序图 pt2272解码芯片有不同的后缀，表示不同的功能，有l4/m4/l6/m6之分，其中l表示锁存输出，数据只要成功接收就能一直保持对应的电平状态，直到下次遥控数据发生变化时改变。m表示非锁存输出，数据脚输出的电平是瞬时的而且和发射端是否发射相对应，可以用于类似点动的控制。后缀的6和4表示有几路并行的控制通道，当采用4路并行数据时（pt2272-m4），对应的地址编码应该是8位，如果采用6路的并行数据时(pt2272-m6)，对应的地址编码应该是6位。 pt2262和pt2272除地址编码必须完全一致外，振荡电阻还必须匹配，否则无法有效解码接收到的信号，随着技术的发展市场上出现一批兼容芯片（例如：sc2262/2272，cs5211/5212），在实际使用中只要对振荡电阻稍做改动就能配套使用，实现有效编码和解码。根据我四处查阅各种应用电路，搜集资料，最后整理出了振荡电阻的几组典型匹配阻值和芯片代换如下表： 表2.3 编码解码芯片振荡电阻匹配编码发射芯片编码接收芯片pt2262pt2260sc2260sc2262cs5211pt2272/sc2272/cs52121.2m无3.3m1.1m1.3m200k1.5m无4.3m1.4m1.6m270k2.2m无6.2m2m2.4m390k3.3m无9.1m3m3.6m680k4.7m1.2m12m4.3m5.1m820k本系统的振荡电阻使用的是4.7k/820k的组合，解码芯片pt2272的输入端是din，信号从din端输入解码。编码和解码芯片的地址设置一致时才能解码，同时vt置为高电平。pt2272的解码时序图如图2.3所示。本系统中解码电路使用的是锁存型的解码芯片。 图2.3 pt2272的解码时序图编解码芯片pt2262/pt2272的工作电压范围是315v，收发数据最多可到6位。地址编码为8位。2.1.2 315mhz无线发射、接收原理本系统电路实现无线收发采用的是315mhz无线发射和超外差式无线接收。（1）、315m无线发射电路 ook调制尽管性能较差，然而其电路简单容易实现，工作稳定，因此得到了广泛的应用，在汽车、摩托车报警器，仓库大门，以及家庭保安系统中，几乎无一例外地使用了这样的电路。 早期的发射机较多使用lc振荡器，频率漂移较为严重。声表器件的出现解决了这一问题，其频率稳定性与晶振大体相同，而其基频可达几百兆甚至上千兆赫兹。无需倍频，与晶振相比电路极其简单。以下两个电路为常见的发射机电路，由于使用了声表器件，电路工作非常稳定，即使手碰到天线、声表或者电路的其他部位，发射频率均不会漂移。与图（a）相比，图（b）的发射功率更大一些，可达200米以上。无线发射电路如图2.4所示。图2.4 315mhz发射电路（2）、315mhz无线接收电路接收机可使用超再生电路或超外差电路。超再生电路成本低，功耗小可达100ua左右，调整良好的超再生电路灵敏度和一级高放、一级振荡、一级混频以及两级中放的超外差接收机差不多。然而，超再生电路是用分立元件制作的，所以工作稳定性比较差，选择性也很差，从而降低了抗干扰能力。所以本系统将采用超外差电路作为接收电路，超外差电路的灵敏度和选择性都可以做得很好，美国micrel公司推出的单片集成电路可完成接收及解调，其micrf002为micrf001的改进型，与micrf001相比，功耗更低，并具有电源关断控制端。micrf002性能稳定，使用非常简单。与超再生产电路相比，缺点是成本较高，典型应用如图2.5所示。图2.5 315mhz接收电路micrf002使用陶瓷谐振器，换用不同的谐振器，接收频率可覆盖300-440mhz。micrf002具有两种工作模式：扫描模式和固定模式。扫描模式接收带宽可达几百khz,此模式主要用来和lc振荡的发射机配套使用，因为，lc发射机的频率漂移较大，在扫描模式下，数据通讯速率为每秒2.5kb。固定模式的带宽仅几十khz，此模式用于和使用晶振稳频的发射机配套，数据速率可达每秒钟10kb。工作模式选择通过micrf002的第16脚（swen）实现。另外，使用唤醒功能可以唤醒译码器或cpu，以最大限度地降低功耗。micrf002为完整的单片超外差接收电路，基本实现了“天线输入”之后“数据直接输出”，接收距离一般为200米。2.1.3 电路设计本系统的发射电路采用图2.4的b图所示的方案。这部分功能可以独立出来，我们可以把发射和接收电路单独制作成小模块：发射头和接收头，然后再嵌入到发射、接收模块电路中去实现整个电路的功能。根据频率计算需要使用大约25cm的漆包线绕制成天线。发射头有三个接口，一个数据输入口，一个电源端，一个接地端。接收头有四个接口，中间两个连接在一起为接收到的数据的输出端口，其他两个一个是接地，一个是电源端。315mhz发射、接收头如图2.6所示。 图2.6 315mhz发射接收头 （1）、发射模块电路设计发射模块电路原理图如图2.7所示。 图2.7 发射电路原理图 发射电路由pt2262编码构成4路发射电路，振荡电阻选用的是1.2m的电阻，图中pt2262的18脚vdd是通过按键和二极管向芯片供电的，只有当按键按下时二极管导通才向pt2262芯片供电；没有键按下时，pt2262并不耗电，这种设计特别适合使用电池供电的场合。如果使用的电源电压较低（如3v），则二极管应选用低压差的型号（如1n60等），若是工作电压较大（如5v）时，可以使用分压较大的in4148。地址编码由8位拨码开关的状态构成，可以分别置为“0”或“1”。当按下k1、k2、k3、k4中的一个时，pt2262对应的数据输入端就由低电平被置为高电平，同时18脚也得到高电平pt2262工作，将数据码和地址码一起编码，从17脚输出编码信号。17脚是编码信号输出端，在此我加上了个接线柱jc，用于和后级的315mhz发射头分隔开，方便测试所用。当需要发射信号的时候，在jc上加一个跳线帽接通编码电路和315mhz发射头就可以了。（2）、接收模块电路电路设计接收模块电路原理图如图2.8所示。 图2.8 接收电路原理图接收电路：315mhz接收头接收到信号后送入锁存型的解码芯片pt2272的数据输入端14脚解码，振荡电阻选用200k的电阻与pt2262匹配。8位地址编码必须与编码芯片pt2262的地址编码一致才能实现解码，解码成功时第17脚将会输出高电平。图中的j0是与控制模块的接口，本模块需要嵌入到控制模块中，所以需要做得特别小。2.2 控制及显示部分控制电路的主要元件是单片机，单片机在工业控制、电子产品、仪器仪表等行业中已得到广泛应用。我们利用单片机进行开发应用时,都必须先了解单片机的硬件配置、软件编写、提供的内部资源等等资料。（1）、本系统选用的是at89s51，下面将介绍此单片机的基础知识。at89s51的主要功能列举如下：、at89s51为一般控制应用的 8 位单片机；、片内具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12mhz）；、内部程序存储器（rom）为 4kb；、内部数据存储器（ram）为 128b；、外部程序存储器可扩充至 64kb，外部数据存储器可扩充至 64kb；、32 位双向输入输出端口，每个端口均可以单独用作 i/o ；、5 个中断向量源，两个外部中断，两个定时器中断，串行口中断；、2 组独立的 16 位定时器；、1 个全双工串行通信口。at89s51的4个端口介绍：port0（p0.0p0.7）：端口0是一个8位的开路汲极（open drain）双向i/o口，其他三个i/o端口（p1、p2、p3）则不具有这种电路组态，而是内部有一提升电路，p0在当作i/o口使用时可以推动8个ls的ttl负载。如果当ea引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），p0就以多工方式提供地址总线（a0a7）及数据总线（d0d7）。设计者必须外加锁存器将端口0送出的地址锁存起来成为a0a7，再配合端口2所送出的a8a15合成一个完整的16位地址总线，从而寻址到64k的外部存储器空间。port2（p2.0p2.7）：端口2是具有内部提升电路的双向i/o口，每一个引脚可以推动4个ls的ttl负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。p2除了当做一般i/o端口使用外，若是在at89s51扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节a8a15，这时p2便不能当做i/o来使用了。port1（p1.0p1.7）：端口1也是具有内部提升电路的双向i/o口，其输出缓冲器可以推动4个ls ttl负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是8052或是8032的话，p1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而p1.1具有t2ex功能，可以做外部中断输入的触发脚位。port3（p3.0p3.7）：端口3也具有内部提升电路的双向i/o口，其输出缓冲器可以推动4个ttl负载，同时还具有第二特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。其引脚分配如下：p3.0：rxd，串行通信输入。p3.1：txd，串行通信输出。p3.2：int0，外部中断0输入。p3.3：int1，外部中断1输入。p3.4：t0，计时计数器0输入。p3.5：t1，计时计数器1输入。p3.6：wr：外部数据存储器的写入信号。p3.7：rd，外部数据存储器的读取信号。 （2）、控制模块电路设计控制模块电路原理图如图2.9所示。 图2.9 控制模块原理图控制模块主要由核心元件单片机组成，还有围绕单片机设计的一系列外围电路：复位电路，时钟振荡电路，程序烧写口可以实现在线下载程序，方便调试。单片机的p1口作为控制信号的输入端，p0口作为显示输出，p2口作为驱动电路控制信号的输出，p2.0输出方向控制信号，p2.1输出pwm信号控制转速。pwm信号可以由软件延时产生，也可以用定时器产生。本电路只是需要大概的速度档位，不需要精确的调速，所以由软件延时产生就行了，只要能够实现脉宽调制，产生不同占空比的pwm信号就可以有效的控制直流电机的转动速度。p1口的输入就是接收模块接收到的数据，也就是发射模块的4个按键产生的高低电平控制信号。也就是说通过无线收发后，按键k1、k2、k3、k4就对应于解码芯片pt2272的数据输出d0、d1、d2、d3，在这控制模块中输入到单片机的p1口。接收模块的vt端输入到单片机的int0口，用于产生中断信号。在接收模块中当有有效信号输入时pt2272解码置对应的数据端为高，同时也置vt为高电平。所以vt表示发射电路的按键按下时被识别到了，所以用vt作为中断信号在适合不过了。但是由于单片机的外部中断是低电平有效的，而vt是高电平。所以需要加入一个非门，然而特意的加入一个非门会增加不必要的开销。所以就加了一个由三极管构成的非逻辑结构。为了知道vt什么时候变高电平、是否变高电平，我在vt端加了一个绿色的led作为指示，限流电阻为200欧。三极管非门的输入端必须加上输入电阻，否则非门不会很好的工作，要有0.7v左右的电压就b、e极就导通了，而且led也始终不会点亮，因为此点被钳位在0.7v。（3）、显示电路设计显示电路原理图如图2.10所示。 图2.10 显示电路原理图单片机的p0口输出信号经过10k的上拉电阻后输入到显示驱动芯片cd4511。数码管选用共阴数码管，在公共端加上200欧的电阻限流。数码管主要是显示电机的速度档位，可以通过修改软件修改。修改好的软件编译后通过下图烧写入单片机执行。在线下载口如图2.11所示。图2.11 单片机在线下载口单片机编译好的程序就是从此烧写口写进单片机执行的，at89s51支持在线下载的优点就体现在这里。在电路板上留下程序下载口，软件调试时就变得非常方便，不需要每次都把芯片取下来使用专用的烧写器下载好后再装上调试，直接可以实现在线调试。2.3 电机驱动电路本系统的电机驱动电路选使用的是h型桥式驱动电路。直流电机驱动电路使用最广泛的就是h型桥式驱动电路，这种驱动电路可以很方便的实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。它的基本原理图如图2.12所示。 图2.12 h型桥式驱动电路h桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态，s1、s2为一组，s3、s4 为另一组，两组的状态互补，一组导通时另一组则必须截止。当s1、s2导通时，s3、 s4截止，电机两端加的是正向电压，可以实现电机的正转或反转制动状态；当s3、s4导通时，s1、s2截止，电机两端加的是反向电压，可以实现电机的反转或正转制动状态。由于直流电机是感性元件，所以会有反向电动势产生，为了消除反向电动势对电路的影响，可以加上续流二极管加以解决。图中的d1、d2、d3、d4就是续流二极管，续流二极管可以将三极管发射极和集电极的电压控制在0.6v 左右，这样可以消除反向电动势造成的三极管负瞬态的出现，所以续流二极管必须是高速的开关管。驱动电路原理图如图2.13所示。 图2.13 驱动电路原理图此驱动电路的输入控制信号来自于微控制器单片机，为了单片机免于受到高压和大电流的影响，电路采用了一个74ls06缓冲器。方向输入端的另一个支路多加了一个反向器，所以此驱动电路只需要单一的方向输入信号就可以改变电机的转向。在使能端用110khz的pwm信号来驱动此电路，就可以通过调节三极管的导通时间来实现电机的速度控制。74ls06是oc门具有线与的功能，所以方向信号与pwm信号是逻辑与的关系控制三极管的。当方向信号为0时，a点就为1，b点为0。方向信号和使能信号是与的关系，所以使能信号就只在b点起作用。也就是说方向信号让q1和q4导通，而使能信号进一步的控制q1和q4的导通时间。反之若方向信号为1时，则是q2和q3导通，使能信号控制其导通时间。总之，方向信号决定是加正向电压还是反向电压；使能信号决定所加电压的持续时间。从而实现对电动机的转向和速度的控制。驱动电路的输入信号来自控制模块，而此部分电路的电压、电流都比较大。为了不影响前级电路的工作，必须再加上光电耦合器跟前级电路有效隔离，本电路选用的是til117。本驱动电路由于引入了ttl门电路，所以需要注意电平的匹配，驱动电路用的电源是+12v，然而74ls06和光电耦合器使用的vcc都是5v的ttl标准电平，所以为了需要进行电压转换，使用一个直流稳压电路即可实现电源变换。电路如图2.14所示。 图2.14 电源转换电路 74ls06正常工作需要提供较大的电流，所以在12v分压输入到7805的时候使用的是小电阻，用大电阻无法得到5v电压，而使用太小的电阻又会造成电阻承受大电流而发热甚至烧坏电阻，这个问题可以使用并联分流的方法加以解决。使用100欧和200欧的电阻并联刚好能满足要求，既解决了电阻过热又得到了小电阻，可以为后级电路提供较大的电流。c10和c11是滤波电容，红色的发光二极管起指示作用，滑片电阻调节分压以使7805的输出为稳定的5v。 以上分别介绍了各个模块的电路设计和基本原理，设计出了各个模块的电路原理图，此外还介绍了一些接口电路，还有一些原理、需要注意的事项以及电路参数将放在系统测试部分中说明。各个部分的总电路原理图见附录。3 软件设计本系统的软件开发是使用keil c51来完成的，具体开发过程包括：程序的编写、编译、软件仿真、最后生成hex文件下载到单片机。本程序使用汇编语言编写。3.1 开发软件介绍keil c51是美国keil software公司出品的与51系列单片机兼容的单片机c语言软件开发系统。与汇编语言相比 c 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用c 来开发，体会更加深刻keil c51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全windows界面，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到keil c51生成的目标代码效率非常之高。多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现出高级语言的优势。c51 forwindows 和for dos 的集成开发环境(ide) 可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程，开发人员可用ide本身或其它编辑器编辑c 或汇编源文件，然后分别由c51 及a51 编译器编译生成目标文件(.obj)。目标文件可由lib51创建生成库文件，也可以与库文件一起经l51连接定位生成绝对目标文件(.abs) abs 文件由oh51 转换成标准的hex文件等待下载。keil软件使用说明：(1) 点击“工程”“新建工程”,新建一个工程文件pwm；(2) 选择芯片类型，本系统选用的是”atemel89s51”.(3) 在目标1的源程序组1上点击鼠标右键,加入已编缉好的源程序文件w.asm，也可以在点“新建”，在出现的空白文件中输入源程序然后在以.asm后缀保存即可。(4) 在菜单“工程”“目标1属性”中选中“输出”标签,在“生成hex文件”上打勾.其它的一般都使用默认值。(5) 选中菜单“工程重新构造所有目标”,当编译出现0个错