基于15單片機的電動門和電動停機坪控制

周松濤 何澤文 馬奔

摘要：本設計來自廣東大學生科技創新培育專項資金（攀登計劃）支持項目——無人機無線充電系統的研究與開發。本論文著重論述無人機無線充電站的電動門和電動停機坪的功能和實現。設計系統以IAP15W4K58S4單片機為處理器，使用42兩相混合式步進電機和直流電機提供動力，用螺桿將電機角位移轉換成線位移，實現控制物體的動作變化。本系統電路簡單、調試方便、成本低廉，與無線充電系統相互獨立，可以直接用作其他系統的機械結構，具有一定的實用價值。

Abstract： This design is a special fund （climbing program） to support Guangdong university students' scientific and technological innovation cultivation—Research and Development of Wireless charging system for UAV. This paper focuses on the function and realization of the electric gate and the electric apron of the wireless charging station of UAV. The design system is based on IAP15W4K58S4 single chip microcomputer，using 42 two-phase hybrid stepping motor and DC motor to provide power， converting the angular displacement of the motor into a linear displacement with a screw， and controlling the movement change of the object. The system has the advantages of simple circuit， convenient debugging and low cost， and is independent of the wireless charging system. It can be directly used as mechanical structure of other systems and has certain practical value.

關鍵詞：IAP15W4K58S4；步進電機；直流電機

Key words： IAP15W4K58S4；stepping motor；DC motor

中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）29-0161-03

0 引言

電動門系統主要是指由單片機控制以及電機驅動的一種開關門機構，電動停機坪是指由單片機控制以及電機驅動的一種電動運輸平臺。在日常生活中，經常可以看到各種電動門系統，例如銀行的感應門。這些電動門在人接近時打開，人離開后關閉，可以快速實現兩個空間的隔離。電動運輸平臺常應用于工廠里的產品移動。這些運輸平臺，在短距離移動產品的處理上，擁有快速高效、平穩安全和運輸量大的特點。本設計使用一個15單片機控制了上述兩套系統，為無人機無線充電項目創造了與周圍環境隔離的充電艙和安全平穩的電動停機坪。

1 總體方案設計

該設計以IAP15W4K58S4單片機為控制核心，實現控制電動門開關和電動停機坪進出充電艙的功能。通過單片機的P1口檢測來自STM32的控制信號，將用戶的操作命令轉變成步進電機和直流的定向轉動，實現系統規定的動作。系統組成方框圖如圖1所示。

2 系統主要硬件模塊介紹

2.1 IAP15W4K58S4單片機

IAP15W4K58S4，是當今使用廣泛的機器周期為1T的單片機，比12T 的單片機執行速度快 12倍，擁有低速模式、空閑模式、掉電模式和停機模式四種模式，工作電壓2.5V至5.5V，是運算速度高、可靠性強、環保節能、不懼怕各種干擾的8051 單片機，采用宏晶專利的第八代加密技術，下載的程序保密性好，而且指令兼容傳統51單片機，使用者可以維持原來的開發習慣。

2.2 42兩相混合式步進電機

步進電機是將來自控制芯片的高低電平變化轉換成相應的角位移電動機，而且是一種開環控制的電動機。每當步進電機接收到一個脈沖激勵信號，電機轉子就會轉動，轉過的距離被稱作步角距，步距角的大小由步進電機自身規格型號決定。使用步進電機的關鍵在于脈沖信號，使用者通過設置它的個數和頻率，來控制電機的角位移量和速度。因此只要經過簡單的計算，就能準確給電機定位和控制電機快慢。步進電機分類方法很多，以產生力矩的方式劃分可以分為反應式、永磁式和混合式三種。

本設計使用的是42兩相混合式步進電機。這類步進電機的轉子使用永磁性材料制成并且做成齒形，電機定子結構與反應式步進電機的定子類似并且有齒，能集合反應式步進電機和永磁式步進電機的優點，步距角小，精度高，當相同的脈沖激勵信號時，混合式步進電機產生的轉矩大于反應式步進電機，所以混合式步進電機的應用最為廣泛。

2.3 直流減速電機

直流減速電機，是在直流電機的基礎上，為適應大扭矩輸出的要求加工而成。直流電機是將電能轉化為機械能的機器，電機內部有永磁體，一旦電機通電，電機的線圈就產生安培力，推動轉子轉動。通過電機前段的換向器，保持電機的轉向不變。

在直流電機的后段加裝齒輪減速箱，就是直流減速電機。齒輪減速箱內部有多個不同大小的齒輪，利用齒輪傳動的作用，逐級降低電機輸出速度，實現較大的力矩輸出。為使項目的無人機平穩的進出充電艙，兼顧運輸平臺的速度和拉力，我們選擇輸出轉速每份鐘50轉的、輸出力矩8千克厘米的24伏直流減速電機。

2.4 直流電機正反正反轉控制模塊

本設計使用正反轉模塊，實現電機的轉動控制。單片機的P3口與模塊的電機控制端組成回路，利用低電平觸發，能有效控制模塊的輸出端的電流方向，實現電機的正反轉。在運輸平臺下安裝四個電機和輪子，在單片機編程上設計四個輪子的轉動方式，可以實現電動停機坪的進出艙控制或者轉向。

3 軟件部分的設計

3.1 主程序設計

本設計對程序的框架，根據功能的不同劃分了不同的模塊，逐個模塊編程調試，最終把各個子模塊有序的連接起來，構成總的程序。主程序流程圖如圖2所示。

主要源程序如下：

int main（void）

{

IO_Init（）；

RLED = LED_OFF；

GLED = LED_OFF；

BLED = LED_OFF；

APP = LED_OFF；

Drive_tingctrl（）；

P27 = 1；

P26 = 1； //電機使能信號

while（1）

{

if（P10==1））； //接收stm32發送的信號

{

GLED = LED_NO； //只開綠燈

motor_ctrl（FALL）； //PB0，P05綠燈開門

GLED = LED_OFF；

}

if（P11==1））； //接收stm32發送的信號

{

BLED = LED_NO； //只開藍燈

motor_ctrl（FALL）； //PB1，P06藍燈開門

BLED = LED_OFF；

}

if（P12==1））； //接收stm32發送的信號

{

RLED = LED_NO； //同時開紅燈和綠燈

GLED = LED_NO；

Drive_chuctrl（）； /出艙

RLED = LED_OFF；

GLED = LED_ OFF；

}

if（P13==1））； //接收stm32發送的信號

{

RLED = LED_NO； //同時開紅燈和綠燈

GLED = LED_NO；

Drive_jinctrl（） //進艙

RLED = LED_OFF；

GLED = LED_ OFF；

}

}

}

3.2 步進電機程序設計

42兩相混合式步進電機，步距角1.8度，步進電機轉動一周360度，所以200個脈沖激勵信號可以使電機轉動一圈。步進電機上的螺桿為T8型螺桿，導程2毫米，螺母在這種螺桿上轉一圈所發生的位移是2毫米。考慮到電動門的完全展開為1000毫米，單個步進電機的動作計算應為：S=d·n，其中d為螺桿導程；n為步進電機轉動圈數。

為了方便計算單片機輸出的激勵信號數量，步進電機轉動圈數應轉換為激勵信號數量i表示，他們之間的關系是：n=？琢·i。將實際數值帶入計算，i取值50000，在調試過程中再作修改，部分程序如下：

void motor_ctrl（u8 dir）

{

u16 i = 50000；

if（dir）

{

DIR1 = FALL；

DIR2 = FALL；

}

else

{

DIR1 = UP；

DIR2 = UP；

}

while（i--）

{

PUL1 = 1；

PUL2 = 1；

DelayUS（DELAY_TIME）；

PUL1 = 0；

PUL2 = 0；

DelayUS（DELAY_TIME）；

}

}

3.3 直流電機程序設計

在這里，重申本系統使用的直流電機的參數。直流減速電機，工作電壓24伏，空載轉速50轉每分鐘，空載電流0.13安倍，負載轉速45轉每分鐘，負載電流0.62安倍，額定力矩8千克厘米。電動停機坪的輪胎直徑65毫米，那么電動停機坪進出艙的運動計算是：。

將實際數值代入計算，得出時間t取值為5.876秒，編程取值6秒，部分程序如下：

void Drive_jinctrl（void）

{

zhengzhuan1 = 0；

zhengzhuan2 = 1；

zhengzhuan3 = 1；

zhengzhuan4 = 0；

fanzhuan1 = 1；

fanzhuan2 = 0；

fanzhuan3 = 0；

fanzhuan4 = 1；

DelaySEC（time）； //讓電機持續轉動

Drive_tingctrl（）； //停電機

}

void Drive_chuctrl（void）

{

zhengzhuan1 = 1；

zhengzhuan2 = 0；

zhengzhuan3 = 0；

zhengzhuan4 = 1；

fanzhuan1 = 0；

fanzhuan2 = 1；

fanzhuan3 = 1；

fanzhuan4 = 0；

DelaySEC（time）； //讓電機持續轉動

DelayMS（500）；

Drive_tingctrl（）； //停電機

}

4 軟硬件聯合調試

本設計的編程軟件是在Keil C。Keil u Vision5 軟件支持89C51單片機的C語言的編程及調試，運用非常方便，有效提高了編程制作效率。根據本次系統的軟件構思，因為螺桿和輪胎等機械結構的實際特性不好仿真，所以程序的調試全部在機械結構實物搭建起來后進行。步進電機和直流電機的控制關鍵在時間，軟件調試過程，就是測試上面計算的數值是否合適的過程。

在硬件調試方面，首先根據硬件電路圖檢查了各個器件的型號、規格、參數是否正確；第二步，檢查原理圖與所用器件的引腳是否吻合，進而排除邏輯上的錯誤；第三步，使用萬用表等工具檢查硬件電路的接線，檢查有無短路、虛焊或者開路的現象；第四步，設備按照不同的功能分別接通電源，檢查時各個器件運行時有無發熱失控等不良現象，整個系統的功能是否符合要求。

在機械結構實物的調試中，發現原來用作固定步進電機的4毫米PVC板硬度不足，這種板材不能為工作中的步進電機提供足夠的支撐，不能承受開關門的作用力，導致電動門調試中容易出現錯位或者晃動，威脅了系統中其他器材的安全。為此我們使用木頭對板材進行加固，加固后的電動門運行正常，但使用一種更堅硬的材料來承受步進電機的作用力是最好的辦法。

5 結論

本設計以IAP15W4K58S4單片機為主控芯片，實現對無人機無線充電站的門控和承重平臺的設計，與無線充電站的其他功能不在一塊控制器上執行，程序具有一定的獨立性和可移植性。該電路具有成本低廉、結構簡單、反應速度快等優點，可以廣泛應用于開關門控制和自動化物流等需要隔離和運載的領域。

參考文獻：

[1]陳東平.基于單片機的電機控制電路改造[J].科技信息， 2010（04）：392-394.

[2]黃贊.基于AT89C51單片機的步進電機伺服系統設計[J].機床與液壓，2004（03）：48-49，56.

[3]K. N. King. C語言程序設計現代方法第[M].二版.北京：人民郵電出版社，2010.

[4]張偉.單片機原理及應用[M].西安：機械工業出版社，2002.

[5]宋錦河.步進電機控制系統的快速實現[J].鄂州大學學報，2004（04）：4-7.

[6]王成元，侯曦瑞，夏加寬.輪式機器人用直接驅動電機的設計[J].沈陽工業大學學報，2008（02）：121-124，138.