基于2.4 G的雙電機遙控船模控制系統設計

謝智陽，陳紀欽，劉錦滔

（河源職業技術學院 機電工程學院，廣東 河源517000）

在國家產業結構升級、中國制造2025、工業4.0的大背景下，無線電控制技術飛速發展，已廣泛應用于工業遙控［1］、農業噴藥［2］、無線開關控制［3］和智能小車［4］等領域.遙控船模是通過無線電等媒介，遠程控制船模前后左右運動.現有的傳統無線遙控船模，大多功能單調，僅有簡單前進后退轉彎等功能，且無線遙控模塊頻段低，相互干擾嚴重，同時驅動功率較小，不適合長時間高頻次的工作場合.

鑒于現有傳統無線遙控船模技術的不足，筆者設計了一種基于2.4 G的雙電機船模控制系統，通過采用2.4 G頻段的發射與接收模塊，解決了多設備同時工作相互干擾問題，采用雙電機驅動方式，解決了驅動功率小的問題，更適應長時間高頻次的工作場合.

1 系統硬件電路設計

1.1 系統結構和功能

系統主要由發送端和接收端兩部分組成（見圖1）.發送端由單片機控制，主要包括功能鍵輸入模塊、數碼管顯示模塊、JF24D-TX發送模塊和LED狀態氛圍燈模塊；接收端由JF24D-RX接收模塊、直流電機驅動電路和驅動電機組成.

圖1 系統結構

通過功能鍵的輸入，系統可以實現驅動電機正轉、反轉和單電機旋轉的功能.用以記錄船模的運行時間，并由數碼管顯示模塊顯示系統工作時間和系統倒計時功能，方便船模經營者有效把握船模運行時間.

1.2 JF24D-TX/RX 2.4 G無線收發模塊

目前，家用電視遙控絕大部分采用紅外遙控，普通的中遠距離遙控模型采用433 MHz，而藍牙和WIFI技術則廣泛應用與手機、電腦等領域［5-7］，以LED為代表的可見光通信技術則多應用于水下通信場合［8］.以NF2401為代表的2.4 G通信已廣泛應用于工控等領域.2.4 G通信抗干擾能力強［9-11］，適合多設備在同一場合同時工作.

經對比分析，采用基于2.4 G的JF24D-TX/RX 2.4 G無線收發模塊.該模塊采用學習代碼模式和模塊唯一ID號，模塊在發送端有6個輸入端口，對應接收的6個輸出端口，6個通道可以獨立工作，不會相互干擾.

1.2.1 發射端控制電路設計

圖2為發射端控制電路，發射端控制電路以單片機位控制核心，主要包含功能鍵輸入電路、數碼管顯示模塊，JF24D-TX發射模塊和LED狀態燈電路.主控芯片采用STC12C5A60S2型單片機，是一款高速，超干擾，高性價比，功能強大的單片機.內部集成EEPROM，2通道PWM，8通道高速10位AD轉換電路，是一款專為電機控制和強干擾而設計的單片機.指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍［12-13］.單片機為本系統的控制核心，負責采集功能鍵輸入模塊的信號和輸出信號用以控制數碼管模塊、LED氛圍燈和JF24D-TX發射模塊.

圖2 發射端控制電路

功能鍵模塊用于輸入暫停、刪除、啟動、調時、切換、左轉、右轉、前進和后退等控制信號，主要表現為：（1）當按下暫停時，整個系統處于暫停待機狀態；刪除按鈕用于刪除系統累計的運行時間；開始按鈕用于啟動系統工作.調時按鈕用于調整系統的單次運行時間上限.（2）當MCU接收到前進控制信號時，MCU將高電平信號輸出到發送模塊JF24 D-TX的A1和A3端子，向A2和A4端子輸出低電平信號.（3）當MCU接收到后退控制信號時，MCU將高電平信號輸出到發送模塊JF24D-TX的A2和A4端子.向A1和A3端子輸出低電平信號.（4）當單片機接收到左轉控制信號時，單片機向發射模塊 JF24D-TX的A1端子輸出高電平信號，向A1、A3和A4端子輸出低電平信號.（5）當單片機接收到右轉控制信號時，單片機向發射模塊JF24D-TX的A3端子輸出高電平信號，向A1、A2和A4端子輸出低電平信號.

其中，數碼管模塊用以顯示當前系統單次的運行時間（以倒計時的方式顯示）和累計運行時間.LED氛圍燈用以顯示船模（車模）的運行狀態，前進時LED燈向前輪流閃爍，后退時LED燈會向后輪流閃爍.

1.2.2 接收端驅動控制電路設計

目前，直流電動機驅動電路大致可分為幾種類型：具有PWM速度控制功能的H橋驅動電路；以298 N、MC3388和TB6539為代表的H橋集成驅動模塊；繼電器與晶體管組合的驅動電路；兩個繼電器組成的可實現正反轉的驅動電路.綜合對比分析，本文接收端驅動控制電路采用兩個繼電器組合而成的直流電機驅動電路，繼電器組合的直流電機驅動電路運行穩定可靠、可通過電流能力強、無發熱現象，適合遙控船模的驅動控制，見圖3.

2 系統軟件設計

2.1 控制程序整體架構

采用JF24D-TX/RX作為船模系統的通訊模塊，該模塊集成度高，編程方式簡單，無需對其進行復雜的編程即可實現對船模的控制.控制程序需實現系統的時間的存儲與顯示、控制開關的輸入和氛圍燈模塊顯示等功能，見圖4.

2.2 船模運行方式控制軟件設計

驅動船模的兩個驅動電機通過由光耦、三極管和繼電器組成的驅動電路驅動，其運行方式由接收模塊的B1～B4端子控制.為保證船模的正確運行，控制軟件對船模控制的編程邏輯見表1.據2.4 G模塊 JF24D可知，發射模塊的A1～A4端子分別對應控制接收模塊的B1～B4端子，編程時只要正確控制發射端的A1～A4端子的邏輯狀態即可實現對船模運行狀態的控制，詳細的控制流程見圖5.

3 系統測試分析

為保證船模測試的真實性，實驗測試在河源職業技術學院校內觀景湖進行，并邀請多名適齡兒童名分別操控各自的船模.實驗過程中，多臺船模之間各自運行穩定，無串頻現象；遙控操作實時強，延時小于0.2 s；在連續工作兩小時情況下，驅動電路板無發熱現象.除此之外，遙控系統的時間存儲功能、氛圍燈功能和船模噴水功能均能正常工作，見圖6、圖7.

表1 船模運行狀態控制邏輯表

圖3 接收端控制電路流程圖

圖4 控制程序整體流程圖

圖6 控制模塊實物

圖7 船模現場測試

4 結論

與傳統遙控船模方案相比，本文設計的控制系統有效解決了多船模同時運行時相互干擾的問題，結合STC12C5A60S2內部的 EEPROM模塊，將船模的運行時間記錄下來，實現斷電記憶.同時利用JF24D通信模塊的簡單編程功能，優化了MCU的內部程序，減少了驅動電路板繼電器數量，有效地控制了電路板面積、制作成本和控制功能，保證了控制功能的多樣性和控制系統的實時性.經過實地運行，該系統運行穩定可靠，可在遙控船模控制領域廣泛推廣.