红外遥控调速跑步机设计

I摘要红外遥控调速跑步机的设计，采用小型直流电机来模拟单片机对跑步机电机的控制。在软件设计上通过C语言程序来产生PWM控制信号，以实现电机的调速。硬件方面以STC89C51型号的单片机为核心，与驱动电路，测速电路，键盘和LCD显示模块构成最小系统。通过以上的软硬相结合的方法，即可实现直流电机的测速调速。另外，添加PT2262-IR/2272后，红外遥控功能即可实现。人员可根据显示速度操作红外遥控板块的键盘，方便地使电机达到想要设定的转速。关键词：红外遥控，跑步机，直流电机，PWMIIAbstractThedesignoftreadmillcontrolledbyinfraredremote,usingasmallDCmotortosimulatethechipscontrolofthetreadmillmotor.Inthesoftwaredesign,inordertoachievemotorspeedcontrol,togeneratePWMcontrolsignalsthroughaClanguageprogram.ThehardwarewithSTC89C51asthecore,withthedrivecircuit,speedmeasurementcircuit,thekeyboardandLCDdisplaymodulecomposeaminimumsystem.Throughthemethodofcombininguseofhardwareandsoftware,canrealizetheDCmotorvelocitymeasurementandspeedcontrol.Furthermore,afteraddingPT2262-IR/2272,infraredremotecontrolcanberealized.Accordingtothedisplayedspeed,peoplecanoperatethekeyboardofinfraredremotecontrolplatetoreachthedesiredsettingspeedeasily.Keywords:infraredremotecontrol;treadmill;directcurrentmotor;PWMIII目录摘要.1Abstract.2前言.3第一章绪论.41.1开发背景.41.2国内外研究现状.41.3任务与目标.4第二章红外遥控调速跑步机电路概述.62.1直流电机的调速原理及方法.62.2脉冲宽度调制PWM（PulseWidthModulation）原理.72.3直流电机的转速测量系统.82.4红外遥控调速跑步机的设计方案.92.5论文的创新点.10第三章红外遥控直流电机测速调速系统电路设计.113.1直流电机测速调速系统结构框图.113.2电机驱动电路设计.113.2.1驱动电路的设计与选择.113.2.2L9110电机驱动芯片.123.3电机测速电路设计.133.4PT2262-IR/PT2272编解码芯片.143.4.1PT2262-IR.143.4.2PT22编解码芯片PT2262-IR/PT2272工作原理.173.5单片机及相关介绍.173.5.1单片机硬件结构.173.5.289C51的最小系统.183.6红外通信系统.183.7LCD显示器接口原理.19IV3.7.1液晶显示原理及1602字符型LCD简介.193.7.2LCD1602的基本参数及引脚功能.193.8键盘接口原理.213.8.1键盘概述.213.8.2键盘接口的工作原理.213.8.3键盘的设计.21第四章程序设计.234.1流程图.234.1.1转速测量程序流程图.234.1.2液晶显示流程图.244.2初始化程序.254.3系统的软件调试.254.4系统程序设计思想.25第五章系统调试.265.1系统的硬件调试.265.2系统的调试结果.26第六章总结与展望.316.1课题总结.316.2进一步开发的展望.310前言在当前的工农业生产中，直流电机以其速度的可控性，启动、制动的稳定性，以及调速的平滑性和经济性等，得到了广泛的应用1。文章对基于单片机的直流电机PWM调速系统做了一定的研究，并且实现红外遥控直流电机测速调速功能，最终完成红外遥控调速跑步机的设计。该系统测速调速板块利用STC89C51单片机的定时器产生PWM脉冲，通过L9110电机驱动直流电机，可以方便地控制直流电机的转速。同时，测速模块对电机转速进行实时测量，数据经单片机处理后，最终把转速显示在LCD显示器上。红外遥控模块则主要由无线遥控发射芯片PT2262及按键构成，发送的信号由测速调速板块上的接收芯片PT2272解码后，送达给单片机，由此实现红外遥控功能。全文一共分为六章。在第一章绪论里，首先简要介绍跑步机的研究背景、当前国际研究状况以及本次做的红外遥控调速跑步机需要初步实现的功能等；第二章是对红外遥控调速跑步机电路概述，主要是为研究提供理论基础；第三章里，主要讲述系统的硬件电路设计及对所使用的各种芯片功能与特性做一个介绍；第四章是讲述程序设计及设计思路；在第五章，描述系统的调试并展示结果；最后在第六章中对本次设计作总结，并对将来功能更完善、更科技化、人性化、专业化的跑步机设计作一个展望。由于笔者的水平、时间以及经费的限制，难免会有错误和不足，需要继续改进的地方还很多。还恳请指导老师和各位专家老师批评指正。1第一章绪论1.1开发背景2013年，“雾霾”成为年度关键词。2015年2月份，随着柴静一部穹顶之下纪录片的推出，越发的成为人们关注的焦点。可以预见，随着雾霾的肆虐，室外环境的恶化，人类的一些活动如跑步等只好转到室内，人们将花费更多的时间待在室内，室内健身项目也将有着广阔的市场前景。与此同时，类似AppleWatch的穿戴式设备也备受青睐。而如果两者结合，又会擦出什么样的火花呢？于是，红外遥控调速跑步机设计的想法油然而生。电动跑步机是机电一体化产品，是国家鼓励发展的行业。它的优点很明显，使人们锻炼身体不受场地、环境、气候的约束，在雾霾肆虐的今天，为广大运动健身爱好者尤其是跑步爱好者找到了一条两全其美的出路。跑步机无需占用太大的空间，就可以为使用者提供畅快的健身体验，全面提高国民身体素质。电动跑步机的发展就紧贴建设和谐有序的发展环境这一主题，是一种有可持续发展前途的产品。为带动产业结构调整发挥着重要的作用。一大批人性化设计的跑步机正在问世，通过电子技术、计算机技术、制造设备工装的改造革新，其发展空间相当大。1.2国内外研究现状如今，数字变频产品已走进千家万户。第四代数字变频跑步机与第三代跑步机的区别在于它的核心组件数控系统，直流跑步机的控制器采用的是PWM调速电源，其工作原理是调整电压、电流的大小从而控制电机的转速。几十年来，直流电机传动经历了重大的变革。20世纪70年代以来，单片机的使用使电动机控制系统的性能得到了很大提高。如今，使用微机实现了全数字化控制的直流传动系统已经广泛应用在生产领域，电机工作性能更是上了一个台阶，进一步提高了直流调速系统的精度及可靠性。所以，通过微机实现直流传动全数字化控制，直流调速系统将进入一个新时代。如果我们抓住机遇、勇对挑战、积极研发，这将是我国跑步机产业乃至国民经济腾飞的起点！1.3任务与目标根据笔者目前的知识水平和经费情况，设计的跑步机雏形拥有以下特点：（1）直流电机能进行调速，实现正反转、加减速。（2）为了监测电机运行的平稳性，需要适时对直流电机的转速进行测量。2（3）本着智能家居的理念，实现方便地对跑步机进行调节，加入红外遥控模块。最后，考虑到安全性。加上三个LED指示灯灯，直观的指示当前电机的正反转工作状态。3第二章红外遥控调速跑步机电路概述在本章中，对本次设计所涉及的技术、理论基础分别作介绍。2.1直流电机的调速原理及方法直流电机又分为自励和他励两种类型2。这里我们讨论的是他励直流电动机。由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：(2-1)ememTeeTnCRUn02图2-1机械特性称为理想空载转速0n实际空载转速为：（2-2）020TCRUnee分析式(2-1)可得当分别改变、以及（当改变励磁电流，可以改变磁通量的II大小）时，可以得到不同的转速，从而实现对速度的调节。调节电枢外加电阻因为缺点太多，目前很少采用，而电动机的励磁电流和磁通量RI只能弱磁调速。本次设计里需要无级平滑调速，所以采用调节电压这种方法。U因此，保持不变，只改变。此时的人为特性方程式为3：Na,U（2-3）emNTeaeCRn2得到人为机械特性曲线：图2-2只降低电枢电压时的人为机械特性曲线如图2-2所示，此时的人为机械特性曲线是一组平行于固有机械特性的直线。因为电4枢电压升降会引起理想空载转速随之发生相应的升降变化，所以只要平滑地调节电枢两n端电压，即可对电机进行无级平滑调速。基于以上特性，通过改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用4。PWM（PulseWidthModulation）控制是其中常用的一种5。2.2脉冲宽度调制PWM（PulseWidthModulation）原理PWM调速系统产生于70年代中期。在国外，PWM最早应用在军事工业以及空间技术中。近十多年来，PWM技术的高速发展，将电气驱动技术推进到一个新的高度，近几年来,进一步扩大了其影响及应用领域，被广泛运用于在机床、自动生产线等领域Error!Referencesourcenotfound.。PWM又被称为“开关驱动装置”，是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到调速的一种电压调整方法3。图2-3PWM控制原理控制原理如图2-3所示。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；当电机断电时，速度逐渐减少。所以，只要按一定的规律，改变通、断电的时间，就可以随心所欲地控制电机转速。设电机全程接通电时，电机转速最大，占空比为，则电机的平均速maxV21tTtD度为：（2-4）dax式中，电机全通电时的速度。maxV占空比。21tTtD电机的平均速度。d5由公式（2-4）可见，当我们改变时，就可以得到不同的电机平均速度21tTtD，从而达到调速的目的。dV严格地讲，平均速度与占空比并不是严格的线性关系。但在一般的dV21tt应用中，可以将它们近似地看成线性关系。PWM信号的产生通常分为软件、硬件两种实现方法。一般说来，改变占空比的值有三种实现方法：（1）定频调宽（2）调宽调频（3）定宽调频采用第一种方法时，不仅电动机运转比较稳定，而且易于单片机产生PWM脉冲的软件实现（定频调宽法的频率一般取在800HZ1000HZ之间）。与此同时，由于后两种方法会引起振荡，因此定频调宽是最常见的方法。本设计也拟选用定频调宽的软件方法来实现调速。首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。如果单片机的时钟频率为f，定时器计数器为n位，则定时器初值与定时时间的关系为：(2-5)fNnt)2(01式中，定时时间。1t定时器的位数。n表示定时器的计数初值。0随着机型的不同而不同。我们只要设定不同的，就改变了，最终达到控制电N1tD机转速的目的3。2.3直流电机的转速测量系统转速的计算利用单片机STC89C51及霍尔传感器完成。电机每转一圈，霍尔传感器检测到一个信号后将其转化为脉冲信号传递给单片机，单片机将一段时间里测得的信号数除以时间，即可得到转速，从而实现转速测量功能。6转速测量框图如图2-3所示：转速信号的提取转速信号处理电路计算转速LCD显示图2-3转速测量框图2.4红外遥控调速跑步机的设计方案系统总体框图如图2-4所示：STC89C51单片机PWM控制信号驱动模块直流电机电机参数采集电源模块电机速度显示模块PT2272PT2262-IR键盘控制模块图2-4系统总体框图在软件设计上通过C语言程序来产生PWM控制信号，以实现电机的调速。硬件方面以STC89C51型号的单片机为核心的基础上，添加驱动芯片L9110、测速模块霍尔传感器以及LCD显示模块。另外，添加PT2262-IR/2272后，红外遥控功能即可实现。7通过以上的软硬相结合的方法，即可实现红外遥控直流电机的测速调速。人员可根据显示速度操作红外遥控板块的键盘，使电机最终达到想要设定的转速。通过霍尔传感器，可以实时对电机转速进行测量，再把转速发送到单片机，最终把转速显示在LCD显示器上。液晶显示的内容有：测速模块测得的速度、当前正反转的状态、当前电机转速档位。2.5论文的创新点随着穿戴式设备的流行，人们越来越钟爱享受简约而不简单的科技生活。即将发售的AppleWatch给予了我些许灵感，因此，在设计跑步机的基础上，还增加了红外遥控设计。该设计共分为两个板块，第一个是直流电机测速调速功能主板，模拟跑步机；另一个为红外遥控板，可对跑步机进行遥控。功能主板在PWM调整控制直流电机、霍尔测速的基础上，增加PT2272无线接收芯片。红外遥控板上则将按键集中到红外遥控板上，增加PT2260-IR无线发射芯片。编码通过红外发射管发射出去，经功能主板上的红外接收头接收，接收后送到解码芯片PT2272，实现红外遥控的目标。8第三章红外遥控直流电机测速调速系统电路设计3.1直流电机测速调速系统结构框图系统总体结构详细框图如图3-1所示STC89C51单片机PWM控制信号驱动模块直流电机电机参数采集电源模块电机速度显示模块PT2272PT2262-IR键盘控制模块红外接收头红外发射管图3-1系统总体结构详细框图因此，该设计共计分为两个板块，第一个是直流电机测速调速功能主板，另一个为红外遥控板。3.2电机驱动电路设计由于单片机的I/O口不能直接驱动直流电机，所以需要在单片机与电机间加上驱动模块后，电机方可按照控制要求运行。3.2.1驱动电路的设计与选择在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑所需要的功能和驱动电路的性能。首先，要结合实际情况，例如，要看电机是否需要调速，单向还是双向6。不同的电机所需要驱动电路的功能不同，驱动电路的设计自然也不尽相同。其次，就要考虑其性能。对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标：（1）对控制输入端的影响（2）输出电流和电压范围（3）对电源的影响（4）可靠性（5）效率9由于分立元件构成的驱动电路，实际使用中不仅制作麻烦，而且故障率高。所以通常采用集成度高、可靠性高、使用方便的集成的H桥（H桥驱动电路：包括4个三极管和一个电机，因其形似字母H，所以称为H桥驱动电路）驱动芯片，如L9110，LMD18200，L298N等。经过多方面考虑权衡后，本设计确定选用L9110驱动芯片。3.2.2L9110电机驱动芯片L9110是为控制和驱动电机设计的两通道专用集成电路驱动芯片，将分立元件构成的驱动电路集成在单片IC之中。一方面，整体可靠性大大提高；另一方面，外围器件成本也降低了。如今，因其使用上的安全可靠7，L9110已被广泛应用于玩具汽车、电机驱动及开关功率管等电路领域中8。L9110电机驱动芯片特点：（1）低静态工作电流；（2）宽电源电压范围：2.5V-12V；（3）每通道具有750800mA连续电流输出能力；（4）较低的饱和压降；（5）TTL/CMOS输出电平兼容，可直接与MCU连接；（6）输出内置钳位二极管，适用于感性负载；（7）控制和驱动集成于单片IC之中；（8）具备管脚高压保护功能。L9110管脚功能图如图3-2所示：图3-2L9110管脚功能图10表3-1管脚定义表序号符号功能1OAA路输出管脚2VCC电源电压3VCC电源电压4OBB路输出管脚5GND地线6IAA路输入管脚7IBB路输入管脚8GND地线表3-2逻辑关系表IAIBOAOBHLHLLHLHLLLLHHLL单片机输出可以直接驱动L9110，控制IA和IB的高低电平，就可以控制电机正反转。如图3-3L9110的应用电路图所示：图3-3L9110应用电路图3.3电机测速电路设计传感器可以将转速信号转换成脉冲信号，经过处理后，就可以通过利用单片机进行11计算得到转速值9。霍尔效应1897年首次被发现，但直到20世纪50年代，霍尔效应才开始被人们所重视并得到快速的发展。目前霍尔传感器已经广泛的应用于速度、振动、电磁、电流等的测量领域9。本设计所采用的是CS3144霍尔开关集成电路。它是基于霍尔效应的一种磁敏式传感器。其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号。CS3144霍尔开关集成电路原理图如图3-4所示：图3-4CS3144霍尔开关集成电路原理图接口电路如图3-5所示：图3-5CS3144霍尔开关电路接口电路图3.4PT2262-IR/PT2272编解码芯片PT2262/2272是一对无线遥控发射/接收芯片。目前常见应用于车辆、家庭防盗系统，遥控玩具以及其它的电器遥控等领域。3.4.1PT2262-IR发射芯片PT2262-IR集载波振荡器、编码器和发射单元于一身，它是一种CMOS12工艺制造的低功耗低价位通用编码电路。无线数据发送框图如图3-6所示：发射源编码器发射模块图3-6无线数据发送框图PT2262-IR的管脚图如图3-7所示：图3-7PT2262-IR管脚图管脚说明如表3-3所示：表3-3PT2262管脚说明名称管脚说明A0-A111-8、10-13地址管脚，用于进行地址编码，可置为“0”，“1”，“f”(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VDD18电源正端（）VSS9电源负端（）TE14编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效OSC116振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率OSC215振荡电阻振荡器输出端13Dout17编码输出端（正常时为低电平）3.4.2PT2272无线数据接收框图如图3-8所示：接收模块解码器信号输出图3-8无线数据接收框图PT2272的管脚图如图3-9所示：图3-9PT2272管脚图表3-4PT2272管脚说明名称管脚说明A0-A111-8、10-13地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”，“1”，“f”(悬空)，必须与2262一致，否则不解码D0-D57-8、10-13地址或数据管脚，当做为数据管脚时，只有在地址码与2262一致，数据管脚才能输出与2262数据端对应的高电平，否则输出为低电平，锁存型只有在接收到下一数据才能转换VDD18电源正端（）VSS9电源负端（）DIN14数据信号输入端，来自接收模块输出端OSC116振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率；OSC215振荡电阻振荡器输出端；14VT17解码有效确认输出端（常低）解码有效变成高电平（瞬态）3.4.3编解码芯片PT2262-IR/PT2272工作原理PT2262-IR/2272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。一般使用中，采用8位地址码和4位数据码，PT2262和PT2272的第18脚为地址设定脚，有三种状态可供选择（悬空、接正电源、接地），因为，所以地址编码共有不重复的6561组，只有当发射端PT2262和接收6538端PT2272的地址编码完全相同时，才能配对使用（同一个系统地址码必须一致）。当有按键按下时，PT2262-IR得电工作，其第17脚Dout输出经调制的串行编码信号（由地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字），再由红外发射管发射出去10。当两者地址编码完全一致时，PT2272的D1D4端输出约4V的互锁高电平控制信号，同时，VT端也会输出解码有效高电平信号。3.5单片机及相关介绍3.5.1单片机硬件结构单片机的英文名称是MCU（MicroControllerUnit），又称微控制器，它是一种面向控制的大规模集成电路芯片11。它具有功能强、体积小、可靠性高、应用简单灵活，因而使用非常广泛，有力地推动各行业的技术发展和更新换代。本设计采用的STC89C51单片机是一款抗干扰能力强、功能强大、高速且功耗低的单片机。单片机引脚图如图3-10所示：15图3-10单片机引脚图3.5.289C51的最小系统单片机的最小系统是指单片机发挥功能，正常工作时必须的组成部分。单片机加上晶振电路和复位电路以及电源即构成单片机最小系统，但该最小系统只能处理数字量的输入输出。典型的单片机的测控系统还包括对采集数据进行处理，再加上数字量输出、D/A转换以及各种功率驱动部件。单片机最小系统如图3-11所示：16图3-11单片机最小系统3.6红外通信系统发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收，就构成红外通信系统12。红外遥控的特点：（1）编解码容易，可以多路遥控。（2）电路调试简单。（3）不干扰其它电器设备。如今，红外遥控凭借其以上优点，广泛地应用在家用电器、室内近距离遥控中（#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitled1=P10;/开启、停止指示灯sbitled2=P11;/正转指示灯sbitled3=P12;/反转指示灯/电机控制端口/sbitaa=P36;sbitbb=P37;/1602液晶控制接口/sbitrs=P26;sbiten=P27;/按键接口定义/sbitk1=P20;sbitk2=P21;sbitk3=P22;sbitk4=P23;ucharcodetable=0123456789abcdef;uintquan，da;/测速变量ucharnum，ci;/测速计时uintdat5;/测速数据暂存uchardi，gao;/PWM高低变量uchartt;/显示档位bitflag;/停止标志位bitzf;/正反转标志位/*延时函数*/voiddelay(intn)inti，j;for(i=0;i=5)tt=5;while(k1=1);if(k2=1)delay(1000);if(k2=1)aa=1;/停止bb=1;/停止tt-;if(tt=1)tt=1;while(k2=1);if(k3=1)/开始启动和停止delay(1000);if(k3=1)flag=flag;/开始/暂停if(flag=1)tt=1;if(flag=0)tt=0;while(k3=1);if(flag=0)/停止之后才可以切换正反转38if(k4=1)delay(1000);if(k4=1)flag=1;tt=1;zf=zf;/正反转切换while(k4=1);switch(tt)case1