基于單片機的紅外遙感電機控制

盧進軍

（陜西理工學院 物理與電信工程學院，陜西 漢中 723001）

基于單片機的紅外遙感電機控制

盧進軍

（陜西理工學院 物理與電信工程學院，陜西 漢中 723001）

介紹一種基于單片機AT89S52的通過紅外遙技術來控步進電機動作的設計。系統(tǒng)采用模塊化設計，分為由遙控發(fā)射器、一體化接收頭組成的紅外遙感部分和電機驅(qū)動、電機組成的步進電機部分以及由4個發(fā)光二極管組成的指示燈部分。通過紅外遙控器來控制步進電機的運動，并由發(fā)光二極管來指示步進電機的運行狀態(tài)。對該系統(tǒng)的工作原理、硬件電路和軟件方面進行了闡述。該設計整個系統(tǒng)結構簡單、性能穩(wěn)定、工作可靠，具有操作方便、擴展性強等特點。

紅外遙控；AT89S52；步進電機；單片機

在生活和生產(chǎn)上，很多的機械方面都應用到步進電機，例如洗衣機的滾筒、智能小車、數(shù)控機床、機器人等等。步進電機作為一種控制驅(qū)動元件，可以將數(shù)字信號直接轉(zhuǎn)換成角位移或線位移，并且能夠快速起動和停止。工業(yè)上多用PLC技術來控制大型步進電機，小型步進電機可用PLC控制也可通過單片機技術控制。紅外遙控技術因其低功耗、高穩(wěn)定性能、強抗擾能力等優(yōu)點，已在日常生產(chǎn)生活中已被普遍應用。

本設計是基于單片機控制的紅外遙控步進電機系統(tǒng)，綜合了電子技術和單片機技術，紅外遙控器發(fā)射不同的碼值，單片機通過對紅外信號的解碼來實現(xiàn)步進電機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、加速減速以及啟動停止并通過發(fā)光二極管來指示步進電機的運行狀態(tài)。該設計可作為一個小型模型，凡是需要以單片機控制想要轉(zhuǎn)動或是做簡易的機械式傳動的機構設計都可以應用這種設計，因此該設計的適用范圍非常廣泛，具有現(xiàn)實意義。

1 步進電機與紅外技術概述

1.1 步進電機簡介

當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時，其被驅(qū)動按照設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，這個角度稱之為步進角。通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而能夠使其準確定位；通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而實現(xiàn)步進電機的調(diào)速。從技術上來說，在負載軸上加一杠桿，用彈簧秤拉動杠桿，拉力乘以力臂長度即是負載力矩M=fXs，或者根據(jù)負載特性，從理論上計算出拖動該系統(tǒng)負載所需的步進電機的扭矩。從成本上講，力矩越大，成本越高，若所需的電機力矩較大或超出一定的范圍（目前步進電機只標注最大靜轉(zhuǎn)距，步進電機的最大靜轉(zhuǎn)距不超過45 nm），應考慮加配減速裝置。只有選則好適合系統(tǒng)的步進電機，才能帶動負載并且不造成力矩或能源浪費。

1.2 紅外技術簡介

紅外通訊因為其成本低、方便連接、簡易和結構緊湊等特點，在小型移動設備中也獲得了廣泛的應用。紅外接口是新一代手機的配置標準，它能夠支持手機與電腦以及其他數(shù)字設備進行數(shù)據(jù)交流。通過紅外接口，各類移動設備可以自由進行數(shù)據(jù)交換。配備有紅外接口的手機進行無線上網(wǎng)非常簡單，只要設置好紅外連接協(xié)議就能直接上網(wǎng)，無需連接線和PCCARD。紅外接口是目前在世界上被廣泛使用的一種無線連接技術，許多硬件和軟件平臺都支持它。紅外通訊是通過數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)[1]。

就我國而言，紅外技術也已發(fā)展的很不錯了，紅外產(chǎn)品的生產(chǎn)和應用都已經(jīng)非常的成熟和廣泛。從2004年起，紅外發(fā)射管在安防行業(yè)的應用越來越廣泛，主要是用在紅外一體機，紅外燈等產(chǎn)品上。 目前我國紅外一體機的制造集中在珠三角，大約有500家生產(chǎn)企業(yè)，其中以臺灣、香港等外資企業(yè)勢力較強，其產(chǎn)品全部外銷，而其它絕大多數(shù)是中小型私人企業(yè)，其產(chǎn)品以內(nèi)外銷結合方式銷售，而紅外燈的制造企業(yè)以京津地區(qū)和東北地區(qū)為主，大約200家左右，其產(chǎn)品幾乎全部內(nèi)銷。要封裝出品質(zhì)好的IR發(fā)射管，首先要選好材料，主要材料是晶片、銀漿、膠水、支架等；晶片的選擇決定其功率、光衰，銀漿的選擇對其死燈現(xiàn)象影響較大，膠水決定其耐熱性能[2]。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)方案設計

設計以單片機AT89S52為控制核心，通過無線遙控完成對該步進電機動作控制，實現(xiàn)步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速，即對步進電機進行有效的演示。并且通過一定的方式將步進電機的每種運行狀態(tài)清晰的指示出來。整個系統(tǒng)應可靠有效，操作簡便。該設計采用模塊化設計，設計中利用AT89S52單片機作為本系統(tǒng)的控制模塊，遙控發(fā)射器發(fā)射出紅外遙控信號，HS0038紅外接收頭接收并解調(diào)出遙控編碼脈沖，送入單片機內(nèi)完成對該脈沖的解碼，然后執(zhí)行相應的遙控功能，即28BYJ－48型步進電機通過驅(qū)動后進行正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)或加速減速或啟動停止的相應動作。步進電機的相應動作都有對應的彩燈來指示。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2.2 系統(tǒng)硬件設計

控制模塊：該設計采用AT89S52單片機作為核心控制。AT89S52具有8K的系統(tǒng)可編程Flash存儲器，功耗低且性能高，與工業(yè) 80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容[3]。

紅外發(fā)射/接收模塊：紅外發(fā)射模塊由紅外接收及發(fā)射電路、信號調(diào)理電路、中央控制器8031、程序及數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤這幾部分組成。接收模塊采用的紅外接收頭是HS0038，它將接收電路、調(diào)制解調(diào)電路、低通濾波、放大電路和控制電路集為一體，共有3個引腳。

步進電機及其驅(qū)動模塊：設計用單片機來控制此步進電機的運動，通過AT89S52單片機的P0.0～P0.3輸出脈沖到ULN2003的IN1～IN4口，經(jīng)信號放大后從OUT1～OUT4口分別輸出到電機的四相上[4]。步進電機及驅(qū)動模塊與單片機引腳的連接如圖2所示。

圖2 步進電機及驅(qū)動與單片機接口電路Fig.2 Interface circuit of stepper motor，drivers and MCU

彩燈指示模塊：該設計采用彩燈指示步進電機的運行狀態(tài)，彩燈為不同顏色的發(fā)光二極管。當操作遙控器控制步進電機運動時，不同的動作都有相應的指示燈點亮，用以指示電機的狀態(tài)。由于指示燈有四個，對應步進電機的四種動作，以幫助操作人員識別電機的運行狀態(tài)。指示燈部分與單片機的連接電路如圖3所示。指示燈D1亮表示步進電機正轉(zhuǎn)，D2亮表示步進電機反轉(zhuǎn)，D3亮表示步進電機加速，D4亮表示步進電機減速[5]。

圖3 指示燈與單片機接口電路Fig.3 Interface circuit of indicator lamp and MCU

系統(tǒng)供電部分：設計使用的適配器型號為SF－198，它可將DC220V轉(zhuǎn)為5 V，完全滿足系統(tǒng)的供電需求。另外，為了更好的控制系統(tǒng)的啟動和停止，在電源處加了一個開關。

2.3 系統(tǒng)軟件設計

該系統(tǒng)的軟件設計包括主程序部分，紅外解碼判斷部分、步進電機控制部分以及指示燈指示部分。整個程序采用C語言進行編寫，并且采用模塊化程序設計，可讀性強，主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

主程序包括系統(tǒng)初始化值的設置、INT0外部中斷函數(shù)和步進電機控制函數(shù)等組成。系統(tǒng)初始化狀態(tài)的設置內(nèi)容包括對單片機的初始化以及對紅外的初始化。對單片機的初始化即初始化定時器，外部中斷。對紅外初始化即對紅外解碼標志位定義與初始化。另外，對P1口送初值決定脈沖分配方法，對速度值存儲區(qū)送初值決定步進電機的啟動速度，對方向值存儲區(qū)送初值決定步進電機旋轉(zhuǎn)方向。

紅外遙控的按鍵識別上，當在遙控發(fā)射器按下某一按鍵時，紅外接收電路解碼模塊收到對應的鍵碼值（存于27H），當主程序檢測到識別標志位S8為1，即有遙控信號時，轉(zhuǎn)至按鍵盤識別及分支控制模塊程序，以執(zhí)行相應操作。該模塊主要功能為識別不同按鍵并轉(zhuǎn)向該功能鍵的控制程序。該設計紅外模塊上主要是對紅外解碼判斷子程序的設計。紅外解碼判斷子程序包括對碼值的判斷程序和外部中斷0程序，主程序初始化后，不斷檢測是否有有效遙控信號出現(xiàn)。當接收頭接收到遙控信號時，紅外接收頭將收到的信號送給單片機的外部中斷0，單片機進入紅外解碼中斷服務程序，對接收到得信號進行解碼，使得這些信號成為相應的碼值，若解碼失敗則重新進行解碼，若解碼成功則判斷其碼值[6]。當解出正確碼時給出標志，主程序根據(jù)標志和鍵碼值轉(zhuǎn)入步進電機控制程序進行相應的操作，去控制步進電機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、加速減速以及啟動停止，從而實現(xiàn)紅外遙控對步進電機的控制，步進電機控制程序執(zhí)行完后再返回到主程序中。系統(tǒng)紅外解碼判斷子程序流程圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 系統(tǒng)的測試與分析

在進行實物調(diào)試前，首先應向單片機內(nèi)燒寫程序，用NSP-A型燒錄器進行程序燒錄。系統(tǒng)的調(diào)試過程是一個不斷完善的過程，經(jīng)過多次修改，最終基本達到了設計的預期目標，實現(xiàn)了步進電機的紅外遙控。

單片機接紅外接收頭，在未接步進電機情況下給單片機燒入一個按鍵指揮發(fā)光二極管亮滅的簡單程序用以測試紅外遙控是否能正常工作；單片機接步進電機，在未接紅外接收頭情況下給單片機燒入一個正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)一圈的簡單程序用以測試電機工作是否正常[7]。

3.2 優(yōu)化系統(tǒng)性能的方法

該系統(tǒng)基本達到了預期設計目標，但是仍然可以優(yōu)化，優(yōu)化可以從兩方面入手，一個是硬件上，另一個是軟件方面：

提高焊接工藝，甚至制作印刷電路板，這樣可增強系統(tǒng)工作的可靠性。

優(yōu)化軟件程序，可提高系統(tǒng)的整個效率，使電機動作更加迅速、更加連貫、更加穩(wěn)定。

4 結束語

本設計遵循實用、簡單、可靠和低成本的原則，制作了一種紅外遙控步進電機運動的實用模型，為單片機控制的紅外遙控步進電機在產(chǎn)品中的開發(fā)應用提供了一個參考。通過AT89S52單片機來控制步進電機，效率高，易控制步進電機的轉(zhuǎn)速和電機的轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)軟件采用結構化設計，易維護，可根據(jù)新的要求，對軟件系統(tǒng)進行少量的修改，使系統(tǒng)的功能得到一定程度的提高。隨著技術的更新發(fā)展，步進電機的控制應用前景將越來越寬闊。

圖5 紅外解碼判斷子程序流程圖Fig.5 IR decoding judging subprogram flow chart

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Infrared remote sensing motor control based on SCM

LU Jin-jun
（School of Physics and Telecommunication Engineering，Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723001， China）

Introduced a kind of AT89S52 devices based on single chip through infrared remote control technology to step motor design of the action.System USES modular design， divided into remote transmitters， integration by receiving head of infrared remote sensing of part and motor drive，composed of motor stepping motor parts and by four leds indicator of part.Through the infrared remote control to control the step motor sports，and by leds to indicate the step motor running.The design of the system of the work principle，the hardware circuit and software were reviewed in this paper.The whole system design of simple structure， stable performance， reliable， and is easy to operate， expandability etc.

IR；AT89S52；Stepping motor；MC

TP79

A

1674－6236（2013）04-0110-03

2012-10-17稿件編號201210117

陜西省教育廳專項科研項目（11JK1075）

盧進軍（1975—），男，陜西咸陽人，碩士，講師。研究方向：計算機應用技術、電子技術。