【《直流电机无线遥控系统设计》9000字（论文）】

直流电机无线遥控系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u69131.概述 2193911.1引言 292071.2直流电机的无线遥控系统设计的目的和意义 331791.3直流电机的无线遥控系统设计的研究现状及发展前景 4118821.4系统总体方案设计 5300292．电机调速部分 5276022.1直流电动机 518432.1.1直流电动机概括 5100352.1.2定子的结构与原理 6255952.1.3转子的结构与原理 6158052.1.4直流电动机的控制原理 732862.2PWM调速原理 893142.3直流电机驱动电路 8167453.遥控系统部分 9104343.1红外遥控技术 9151343.1.1红外遥控技术概括 9245143.1.2红外通信原理 9327383.2红外遥控电路 10209403.3遥控工作过程 10286384.单片机部分 1166994.1单片机概括 1135654.2单片机控制模块 1166834.2.1STC89C52RC单片机主要功能介绍 11166104.2.2复位电路及时钟电路 12317064.2.3单片机系统电路 13323964.3数码显示电路 14281985.硬件电路设计 16241195.1系统硬件电路图 16317715.2系统硬件PCB图 17174785.3实物图 17109656．软件部分设计 1875906.1系统设计思路 188226.2系统运行情况分析 19257117．结论 19概述引言在日常生活中，随处可见电机的使用，不管是电能的生产传输还是各个工厂运作的机器，都必须利用电机完成一系列能量的转换。直流电机不仅调速效果好，而且可以实现平稳的无级调速，具有很大的调速范围，可以根据具体的需要来进行控制电动机。而现实生活中大部分电机的使用都需要布置明线来进行控制，受环境的影响很大，对电机的使用和控制都很不方便。同时也加大了投资成本。近几年红外遥控系统发展迅速，开始逐渐进入平白老百姓的家中。红外遥控技术是一种不用明线，远距离操作的通信和控制手段，实现了对被控目标的远程控制，解决了现实生活中必须布置明线的烦恼。由于其价格便宜，操作简单、使用损耗低等优点而逐渐被大庭广众接受，特别在一些工厂生产线和智能器件中得到大量使用。如果把无线遥控应用到电机控制上，即在远距离操作下完成电机启动，加速，减速，停止等控制。实现由接收指令，指令分析，输出控制信号等功能于一体的综合自动控制系统，可以很好解决环境问题带来的影响，具有较明显的实用价值。本次研究使用AT89C52系列单片机作为控制核心，采取PWM脉宽调制技术，结合无线红外遥控系统，完成对电机正转，反转，加速，减速停止等控制。直流电机的无线遥控系统设计的目的和意义电动机是目前最主要的可以完成能量转换的装置，在当今不同的领域和人们的生活中都十分重要。不管是在大型工厂，船舶运输，医疗器件，军工场所，办公场所等，还是在普通老百姓家中的家用器件或者电子产品(如微波炉，洗衣机，手机等)中，都充斥着各种各样不同功能，不同形状的电动机。根据资料查证，电动机在目前各种动力能源生产中的占比依旧非常高。同时，在如今高速发展的时代，使用电动机进行操作控制的应用也越来越多。而对电动机进行启动，正转反转，加速减速以及制动等方面的简单控制，一般都是经过一个可编程控制器，继电器和一些开关元件等器件来实现。

现在无线遥控技术得到了快速发展，尤其是采取了目前最先进的数字处理技术，使得遥控系统更加安全，更加可靠，整个系统更加完善。现在的无线遥控操作系统，只要求操作人员随身携带一个轻巧的遥控器，可以随意走动直至选择出最佳位置来实行操作，减少了事故隐患，在保证了操作人员生命安全的基础上又大幅度的提高了生产作业效率，特别是一些高风险地区作业，无线遥控操作技术就变得更加重要。

本次论文完成的是利用无线遥控操作技术控制直流电机转速发生转变的系统，可以使工作人员远距离的控制电机，实现电机启动，加速，减速，正转，反转以及制动。在我们的日常生活中有着十分重要的实际意义。1.3直流电机的无线遥控系统设计的研究现状及发展前景近几年来，智能控制、数字化系统、网络化等高新行业得到十分快速的发展，而以无线遥控系统控制被控元件成为了未来发展的大势所趋，它具备了可靠性高，节约成本，效率高以及环保等优点。

1,产品智能化，环保化

目前全球能源问题日益严峻，解决这种问题的最好办法就是向低碳、绿色方向发展。这是全世界达到的一种共同认识。从目前市场的发展情况分析，无线遥控技术具有很大的发展潜力与发展空间，是未来发展的重要航向标。利用无线遥控技术，实现远程控制电机转速，不仅操作简单，而且电路设计简单科学，内部采用NE555控制集成模块，以及石英材料晶体，目的是为了系统稳频，用最简单的办法完成调制、接收、发送、检测电路等，这样使得基于无线遥控系统的电机转速控制系统的构造以及内部电路都更加简单，性能也变得更加稳定。

2,应用领域辽阔

无线遥控系统的原理主要是通过发送无线载波信号来进行控制被控元件，例如打开电源、电机转动加速、旋转方向等，完成这些指令后，再由这些机械设备进行指定的操作程序。无线遥控系统即可以单独控制被控元件，完成指令。也可以与其他新生的高新技术一起配合使用，从而实现更多的功能，满足客户不同的需要。

3,产品质量一流未来产品发展的趋势必然是沿着可靠性，安全性发展。无线遥控系统作为目前最为先进的产品，已经具有质量可靠，安全指数高等优点。随着日常生活的不断进步，顾客对产品的要求也变得越来越多，例如要增加遥控器的保密性，应用场所广泛，工作性能保持稳定性，续航能力强等。作为无线遥控系统的领军产品，不仅要一直保持产品的高质量以及工作性能保持稳定，还要开发出更多的使用性能。例如遥控系统控制的距离也需要进一步的提高，现在可以达到的最远距离是100米左右，只有在该距离内才能保持高效的工作效率。随着科技不断的发展壮大，无线技术行业已经日益壮大，相信在以后的无线遥控领域内，会有更多更加优秀的产品出现，使得人们更加期待以后的发展前景。1.4系统总体方案设计本次系统以STC89C52单片机作为核心控制器，用户可通过红外遥控按键发出相应指令的红外信号，遥控发射模块发送信号，远处的遥控接收模块接收并经解码后送入单片机，单片机进行信号处理并发出相应脉冲信号控制步进电机转动来实现电机正转，反转，加速，减速，停止的功能。系统主要组成框图如图1-1所示图1-1系统组成框图2．电机调速部分2.1直流电动机2.1.1直流电动机概括直流电动机是一种能把电能转换成机械能的机械装置，它的原理是基于安培环路定律，利用电磁感应产生安培力从而带动电动机转动，所以一般电动机必须带有直流电源驱动。在日常生活中，基于直流电源的方便携带型，所以利用直流电源的电动机十分广泛，例如交通工具，汽车玩具，家用电器等都是利用直流电动机来带动装置运作。直流电动机具有很多优点：调速性能好，特别是相对于交流电动机；启动时转矩大，能带动大型装置运行。所以在一般大型装置中都是使用直流电动机，例如大型冶金设备、大型矿场机械、交通运输等地方。但是，直流电动机也有不足之处，它的制作过程十分麻烦，从而花费的成本就很高，后期的修理维护也很麻烦。所以，在现代不同的拖动场所中，我们要选择最合适的装置，达到最高的使用效率。2.1.2定子的结构与原理定子一般可以分为主磁极，换向极，机座等。主磁极：主磁极是电机的核心部分，十分重要，最主要的作用就是用来产生主磁场，也有人称它为主级，一般用电磁铁构成。主磁极内部构成也十分简单，一部分是主磁极铁芯，通常使用1-1.5mm厚度的硅钢片，经过大量的冲击最终叠压而成，另一部分是励磁绕组，这也是最重要的部分，也是产生主磁场的核心部件。通常励磁绕组都是提前绕制好的，最常用的办法是使用单叠绕组方式将励磁绕组规则的绕制在铁芯上，两个部分连接在一起，一起固定在基座上。主磁极通常是成对出现的，这就要求当励磁绕组上通过励磁电流时,相邻磁极的极性必须呈N极和S极交替排列，才能使得电动机一直旋转。而且为了减少气隙磁场的干扰,使主磁通分布更加合理，要求极靴要比励磁绕组部分宽一些,这样能使励磁绕组更加牢固。换向极：不言而喻，换向极的作用就是换向，使直流电变成交流电。组成部分主要是铁芯和外边包裹的换向绕组。机座：机座可以减小涡流效应。也是用硅钢片叠加而成。具体来说，一方面，它可以固定整个装置，使其稳定运行。另一方面，它又作为磁路的一部分，和整个装置一起运作。电刷装置：电刷装置相当一个连接装置，把电枢部分与外部电路相连接，把直流电流引入或者引出电枢。电刷装置的构成一般有电刷，刷握，刷杆等。各个器件之间必须相互绝缘。2.1.3转子的结构与原理转子部分包括电枢铁芯，电枢绕组，换向器等。电枢铁心：电枢铁心也是电动机的核心部件，是产生主磁路磁通部分的器件，由于电枢铁心是一直旋转的，和主磁场之间必然会存在相对运动，所以会产生铁心损耗，为了减少这种铁芯损耗，我们可以采用0.5mm厚的硅钢片制作电枢铁心。电枢绕组：电枢绕组和励磁绕组相似，都是事先按照一定规律缠绕好的线圈，然后按照单叠绕组的方式放置在电枢槽内，所谓单叠绕组形式,即元件的上层边放在一个槽内,元件的下层边放在相邻的槽内，它们构成了直流电动机的电路部分，是整个电动机正常工作的关键器件。换向器：换向器的作用相当于一个开关，当转子转动到和磁场平衡时，如果没有换向器，转子就会停止转动，从而停止工作，为了使电枢绕组里产生交替变化的电流，我们必须添加换向器，让电磁转矩保持不变的方向，使得转子一直转动下去。在电动机中，通常电源都是直流电，我们必须通过换向器转换成内部需要的交流电来带动转子转动；在发电机中，换向器能把电枢绕组产生的交变电动势变成外部存储的直流电动势。换向器由许多换向片叠加而成，各个换向片之间要放置云母片进行绝缘。2.1.4直流电动机的控制原理直流电动机的工作原理是建立在安培定律上的，在直流电动机两端加上电源，电刷A,B之间就会通过电流，如图2-1所示，电流从A处流入，沿着dcba顺序，然后从B端流出。由安培定律可知，流过电流的导体dc和导体ba受到安培力的作用，利用左手定则确定力的方向，两根导体受力相反，转矩沿着逆时针方向旋转，当旋转到导体dc和导体ab位置互换时，配合换向器的作用，电流沿着abcd顺序，从B端流出，利用左手定则，两根导体受力依旧相反，转矩继续沿着逆时针方向旋转。换向器与电刷一起对电流进行换向，使得每个磁极下线圈边中的电流方向都是朝向同一个方向，转矩就会一直沿着逆时针方向，周而复始，电动机一直转动起来。图2-1直流电动机工作原理图2.2PWM调速原理PWM（PulseWidthModulation）调制又称脉宽调制，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形。在对电机进行控制的时候，电源电压不是给电机一直供电，而是通过一系列的方波脉冲对电机进行供电，不同的方波脉冲会得到不同的输出电压平均值，而改变载波信号的占空比就可以得到不同的脉冲，具体操作时，只需要控制一个周期内电路中各开关器件的导通和关断时间。PWM技术具有很多优点，例如可以很好的变化输出电压，完善电流波形等，因此在当代智能控制中应用十分广泛。2.3直流电机驱动电路本次设计使用的是L298N电机驱动模块，L298N内部主要有两个电源端口，一个是电源驱动端口，电压为+12V,另一个端口为+5V给内部模块供电。L298N驱动电路使用的是双H桥直流电机驱动芯片，因为整个电路形状看起来很像字母“H”，而且直流电机本身的形状也很像一个“桥”状，因此这种电路又被称为“H桥式驱动电路”。L298N模块不仅可以实现驱动，而且内部构造简单，价格便宜。得到了大量的应用。如图2-2所示，里面主要有4个输出端管脚，正好构成了两个H桥，是一种双全桥式的集成驱动器件，L298N可以输入TTL电平控制信号，有2个使能端，可以自己控制器件允许还是禁止工作。有两个电压端接口，一个为逻辑电路提供能量，一般为+5V的电压，还有一个为驱动电机提供驱动能量,一般加+12V电压。本次设计从实用性、方便性、节约性等方面出发，配合PWM调速原理，通过调整不同占空比来改变电机的转速。图2-2L298N接线图3.遥控系统部分3.1红外遥控技术3.1.1红外遥控技术概括近年来，红外遥控系统发展迅速，并逐渐进入寻常百姓家中。红外遥控技术是一种没有明线、远距离操作的通信和控制手段，实现了对被控目标的远程控制，解决了现实生活中必须安排明线的烦恼。而且其使用简单、损耗低、抗干扰强、可靠性高、价格便宜等优点，被广泛应用于家庭场景、工厂生产线和智能设备中。3.1.2红外通信原理红外通信的原理相当于一个遥控器，遥控器有发射指令的部分，也有接收指令的部分，发射指令的部分主要用编码电路与发射电路组成，当我们需要完成某项操作时，还需要摁下遥控器按键，遥控器里面的编码电路就会把我们需要的控制信号编码成可以传输的红外信号，然后把红外信号调制在发送载波上，遥控器里面的发射电路就会通过天线把红外信号发送出去。而接收指令的部分主要由解码电路和接收电路组合，接收电路检测到指令信号，接收之后把信号发送给解码电路，解码电路对信号进行分析，解调成单片机可以识别的信号，进行一系列控制功能。3.2红外遥控电路本次设计采用通用编解码电路PT2262/PT2272，它具有价格便宜，使用能耗低等优点。内部有12个引脚作为三态地址端，以及另外6位引脚作为数据终端,外部添加的地址码和数据码都从一个引脚输出。发射部分采用集成系统，可以通过遥控按钮直接发射红外信号。接收部分使用HX1838接收头，接收头内部有接收二极管可以接收红外信号，高增益放大电路可以放大信号、滤波器和解调器可以对信号进行处理，整个接收部分可以实现脉冲信号的接收、增大、滤波和解码。它具有功耗低、灵敏度高等特点。最大可以遥控的距离可达15m，接收红外载频38kHz。在与单片机的连接电路中，只有红外接收机的电源端通电，接地端接地，输出端与单片机的P3.2端口连接。红外遥控模块的硬件电路如图3－1所示。图3-1红外遥控模块硬件电路3.3遥控工作过程遥控器的工作过程包括发射过程和接收转换过程。当需要进行运作的时候，按下遥控器按键，产生我们想要的控制指令，发射部分中的编码电路将指令信号变成可以发送的脉冲信号，发射电路通过天线将脉冲信号发射出去；接收电路感应到脉冲信号，会主动把脉冲信号转换成电信号，然后在经过一系列的滤波，放大等操作送给AD转换电路，由于单片机只能识别数字信号，所以在单片机电路前段必须添加AD转换电路，将单片机不能识别的模拟信号变成数字信号。这就是整个遥控过程，总结起来，就是调制与解调的过程，最后再经过AD转换电路变成数字信号，传送给单片机，进行一系列的控制。4.单片机部分4.1单片机概括所谓单片机就是一个计算机操作系统，在一块用半导体硅材料组成的电路芯片上，芯片上集成有中央处理器，存储器（RAM，ROM），多个I/0端口，定时器/计数器，中断系统，系统时钟电路及系统总线，单片机主要作为控制作用，发送控制信号给受控对象，因为其体积小，价格便宜，控制准确，已经广泛地应用在各个领域，如机械控制单元，智能家电，自动化设备以及通信产品中。4.2单片机控制模块本次设计采用STC生产的51系列单片机，模型为STC89C52RC。作为本设计的单片机，STC89C52RC以其强大的处理功能、低功耗和丰富的第二引脚功能得到了广泛的应用。该系统以STC89C52RC为模型，单片机由中央处理器、存储器和一些外围设备组成。通过一系列内部总线的连接构成单片机的微机系统。4.2.1STC89C52RC单片机主要功能介绍本次设计采用的是STC89C52RC单片机，此型号单片机在目前使用十分广泛，它内部有32个I/O端口，也可分为4个并行的8位端口，给系统接收信号或者发送指令信号。如图4-1所示，它给复位电路和时钟电路留了专门的管脚端口，可以十分方便的完成复位操作。正常的工作电压范围在3.5-5.5v，正常使用时的工作频率限定在0-40mhz之间，与51系列的微控制器相比，STC89C52RC有一系列的优势。比如，它支持STC的2线下载模式，在下载程序方面十分简单便捷。还支持6T模式（在6T模式运行下，一个机器周期包括6个时钟周期）。它融合了4kB容量的EPROM。带有P4端口，使得I/O端口数量得到增加，整个系统的擦除使用时间也得以提升。然而，对于大量生产的情况，擦除寿命是毫无意义的。由于无线遥控系统发射出去的信号为脉冲信号，但是单片机无法识别出脉冲信号的信息，必须将其转换成单片机能够读懂的数字信号，需要做一次A/D转换，所以需要另外添加上AD转换电路。图4-1STC89C52RC引脚图4.2.2复位电路及时钟电路时钟电路构成十分简单，一部分是由晶体振荡器构成，另一部分是一些电容相互连接组成，如图4-2所示，作为时钟电路，最大的作用就是为了产生相应的时间频率，给主程序电路提供相应的时钟信号，为整个电路系统提供开始工作的指令，是进行一切操作的基础，保证单片机可以正常并且准确的运行下去。任何的电路操作系统都离不开时钟信号，而且时钟频率越高，电路系统运行的速度越快，但是频率范围不能超过一定界限，否则系统的硬件也需要相应的升级，从而整个运行过程中的损耗与成本也会相应增加。本次设计中单片机主要作为控制作用，因此不需要过高频率的时钟电路，在满足控制需要的前提下，价格与损耗就变成了首先考虑的因素。因此选取晶振时根据实际的需要来进行选择合适的频率，既能满足设计需求，又能节约花费，减少系统损耗。图4-2时钟电路图通常时钟电路与复位电路是一起出现在一个电路系统中的，所谓复位电路相当于一台电脑可以重启的电路部分，当电脑运行过程中遇到代码错误或者死机的情况，那么当出现这种情况时，我们只需要通过复位电路就可以重启电脑重新执行程序。由电路图可以看出：电容，电阻，复位开关以及电源一起相互连接构成了复位电路，如图4-3所示。复位电路在单片机电路中与RST引脚端相连接。主要作用就是防止单片机工作时出现程序跑飞或者程序出错的状况，为了解除这一出现的问题，只需要摁下复位按钮，整个单片机系统就会复位，把单片机中的PC初始值变成0000H,使单片机系统从0000H单元开始重新执行程序。为了系统的方便性，设置为只有当RST引脚端为高电平时进行复位操作，平时RST引脚端为低电平。图4-3复位电路图4.2.3单片机系统电路为了使整个设计方案更加简化，对系统电路图进行了简化，本次设计把整个控制系统的控制核心用单片机最小系统的设计方法。最小系统由STC89C52RC单片机、电压源、复位电路、晶振电路、以及复位开关等器件共同组成。经常使用的时钟电路是内部时钟方式，时钟频率最高可达40MHZ,最高的工作频率可以达到48MHZ。单片机的第31个引脚，作为存储器的使用选择引脚，当单片机的该个引脚端接+5V电压时，表明该单片机使用内部存储的方式；当该个引脚端接地时，表明单片机选择外部存储的方式，但这样太过于浪费单片机仅有的资源；所以本次设计秉持节约资源的理念，使用内部存储的方式，即将该引脚接+5V电压。单片机最小系统电路如图4-4所示。图4-4STC12C5A60S2最小系统图4.3数码显示电路本次设计需要添加一个显示模块，经过理论研究，最终决定采用字符型的LCD1602液晶显示模块。内部电路主要有控制驱动电路以及电阻，电容等元器件。具有结构简单，成本低等优点，但是显示器只能显示字符，不能显示汉字。由于液晶屏可以通过总线驱动，因此无需再增加其他的驱动芯片来驱动液晶显示屏。通过直接的语句编程，单片机就能够通过控制段码电平来控制液晶显示屏。本设计设置为写入数据工作状态，即：RS=1用于选择数据，RW=0用于写入显示屏数据，E=0。LCD1602显示模块总共有16个引脚端口，其中VSS为电源接地端口，VCC为电源正极，其中LCD1602显示器的亮度调节既可以通过VEE端口来直接调节，也可以通过在该引脚上连接一个滑动变阻器来实现。RS端是数据/命令选择端，与单片机的P26引脚相连接。R/W端是读/写选择端，这个引脚接地才能实现对LCD1602的写操作。E引脚是使能端，连接到控制器的P27引脚，DB0-DB7是8个I/O端口引脚，与单片机的P00-P07引脚相连接。当端口P0的引脚写入“1”时，定义为高阻抗输入状态，使LCD显示屏显示字符，BLA和BLK分别是背光源的正极与负极。与电源一起和接地端相连，用于控制LCD1602的背光亮度。LCD数码显示模块引脚如图4-5所示。图4-51602数码显示引脚图5.硬件电路设计5.1系统硬件电路图图5-1系统硬件电路图如图5-1所示为整个系统电路图分布情况以及接线情况，整个电路图以单片机作为核心控制元件，配合其他电路共同完成控制需求。单片机各个管脚上连接不同的电路模块，单片机的XTAL1和XTAL2引脚端与时钟电路相连接，而RST引脚端则与复位电路连接在一起连接，电机驱动电路，H32型号的液晶显示电路等电路都连接在单片机的各个管脚上。5.2系统硬件PCB图图5-2系统硬件PCB图如图5-2所示，为了提高线路使用的寿命并且降低线路连接的复杂程度，采取PCB板的制作方法，通过绕线技术将各个节点连接在焊点上，通过PCB电路板完成整个系统的内部连线，不仅使看起来简约大方也节省了原材料，最重要的是提高了线路的使用寿命。所以条理清晰的PCB图纸，方便我们实物的焊接以及节省材料。5.3实物图图5-3实物图如图5-3所示，根据PCB图纸焊接出来的电路板实物图，电路板上焊接52单片机，与52单片机相连接的有1602显示器，电机驱动模块，以及红外接收电路，通过遥控器发射信号，完成一系列功能。整个电路板的焊接基于节约材料，电路布线明确等要求，根据PCB图纸完成实物焊接。6．软件部分设计6.1系统设计思路本次设计使用占空比可以