基于红外遥控的电机控制毕业设计论文(编辑修改稿)

基于红外遥控的电机控制毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

能够得到实现。 其中，脉宽调制（ PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。 本次设计中电机的调速就是使用的 PWM 调速方法 [3]。 江苏技术师范学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 2 页 共 57 页 直流电机 PWM 调速原理 所谓脉冲宽度调制是指用改变电机电枢电压接通与断开的时间的占空比来控制电机转速的方法，称为脉冲宽度调制 (PWM)。 对于直流电机调速系统，使 用 FPGA 进行调速是极为方便的。 其方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电时间的比值 （即占空比）来控制电机速度。 在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。 只要按一定规律改变通、断电时间，即可让电机转速得到控制。 设电机永远接通电源时，其转速最大为 Vmax，设占空比为 D=t1/T，则电机的平均速度为 Vd=Vmax•D （ ） 式中， Vd—— 电机的平均速度 Vmax—— 电机全通时的速度（最大） D=t1/T—— 占空比 平均速度 Vd与占空比 D的函数曲线，如图 11所示。 电 压( V )时 间 （ t )通 电 断 电t 1t 2T0平 均 速 度V dV m a x00 . 51占 空 比 ( D ) 图 11 平均速度和占空比的关系 由图 11可以看出， Vd 与占空比 D 并不是完全线性关系（图中实线），理想情况下，可以将其近似地看成线性关系（图中虚线）。 因此也就可以看成电机电枢电压 Ua与占空比 D 成正比，改变占空比的大小即可控制电机的速度。 由以上叙述可知：电机的转速与电机电枢电压成比例，而电机电枢电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与 占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比 α ＝ 1 时，电机转速 最大 [4]。 江苏技术师范学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 3 页 共 57 页 第二章 总体方案设计 系统功能 与框图 本系统是 红外遥控控制电机 的研制， 主要通过自行设计的红外发射板和接收板来控制电机的起动、停止、正转、反转、加速、减速，并且通过 LCD 液晶显示出电机的转速。 硬件电路由 红外发射电路 、 红外接收电路 、 霍尔测速电路、 单片机 最小系统 、按键电路、 LCD 显示电路组成。 本设计的一般框图如图 21所示： (a) 发射模块 图 21 系统框图 红外接 收电 路 转速显 示电路 单 片 机 电机驱动电路 直流 电机 霍尔测速电路 (b) 接收测速模块 单 片 机 红外发 射电路 按键 电路 江苏技术师范学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 4 页 共 57 页 设计方案 为较好的实现各模块的功能，分别设计了几种方案并分别进行了论证。 控制器选择 方案 1：采用可编程逻辑期间 CPLD 作为控制器。 CPLD 可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、 IO 资源丰富、易于进行功能扩展。 采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。 但本系统不需要复杂的逻辑功能， 对数据的处理速度的要求也不是非常高。 且从使用及经济的角度考虑 放弃了此方案。 方案 2：采用凌阳公司的 16 位单片机 ，它是 16 位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。 处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。 但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的 CPU 资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。 本系统主要是采集温度以及对电机的控制。 如果单纯的使用凌阳单片机，从系统的稳定性和编程的简洁性 考虑， 放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。 方案 3： AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（ PEROM）和 128bytes 的随机存取数据存储器（ RAM）。 采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（ CPU）和 Flash 存储单元 .,128 8 字节内部 RAM， 32 个可编程 I/O 口线， 2 个 16 位定时 /计数器， 6 个中断源，低功耗空闲和掉电模式 [5]。 本系统主要结合已学知识，再加上实际应用方便、经济性， 故选择了方案 3。 红外收发电路 方案 1：采用专门的红外编解码芯片。 优点：软件开销小，编解码芯片帮助 软件 完成很多工作。 缺点：成本高，电路复杂。 方案 2： 利用单片机内部定时器调制到 38KHz红外信号，利用单片机外部中断进行解码。 优点： 成本低，电路简单。 缺点： 软件复杂，使用的中断资源多。 江苏技术师范学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 5 页 共 57 页 但是本设计中，在红外发射和接受时，单片机并没有其他并发的任务需要执行，故选择方案 2 以简化电路设计。 测转速传感器模块 方案 1：用光敏电阻组成测速传感器。 光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。 当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。 因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发 生明显的变化。 将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平 [6]。 但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。 因此 考虑其他更加稳定的方案。 方案 2：用红外发射管和接收管自己制作光电对管测速传感器。 红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。 这样自己制作组装的寻迹传感器基本 能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此 放弃了这个方案 [7]。 方案 3：用 槽开光电开关 作 为测速传感器， 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。 发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。 但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。 输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。 槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米 ， 但是输出波形需要整形。 方案 4：用霍尔开关作为测速传感器，检测不到磁场时输出高电平，检测到磁场时输出低电平 [8]。 输出波形较为平整，不需要整形亦可直接测量，且不会丢失下降沿，相比槽型光电开关安装方便。 十分 符合本设计的需求 [9]。 因此 选择了方案 4。 电机模块 方案 1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。 由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。 虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。 经综合比较考虑，放弃了此方案 [10]。 江苏技术师范学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 6 页 共 57 页 方案 2： 采用直流减速电机。 直流减速电机转动力矩大，体积小 ，重量轻，装配简单，使用方便，能够较好的满足系统的要求，因此 选择了此方案。 电机驱 动模块 方案 1：采用专用芯片 L293D 作为电机驱动芯片。 L293D是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片 L293D 可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。 用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良 [11]。 方案 2：对于直流电机用分立元件构成驱动电路。 由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。 但是这种电路工作性能不够稳定。 因此选用了方案 1。 最终方案 经过反复论证，最终确定了如下方案： （ 1）采用通用板制作。 （ 2）采用 ATMEL 公司生产 的 AT89C51 单片机作为主控制器。 （ 3）用 霍尔 开关 作为测速传感器 （ 4） L293D 作为直流电机的驱动芯片。 江苏技术师范学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 7 页 共 57 页 第三章 硬件电路的设计 第 2 章介绍了本次设计的方案选定及系统框图。 本章主要介绍本次设计硬件电路的具体设计。 红外通信的基本原理实质上就是利用红外线来作为载体传送信息。 把单片机等产生的的编码控制信号，经由调制电路调制为 32~40KHz 的方波信号（提高发射效率、降低功耗）。 在经由驱动电路驱动红外发光二极管发出红外遥控信号；在接收端使用与发射端相配对的红外光电二极管，接收含有控制信 号的红外信号，在将该红外信号解调为电信号后，再送入单片机进行解码，以得到相应的控制信号，从而完成红外信息的传送。 CPU 模块设计 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（ PEROM）和 128bytes 的随机存取数据存储器（ RAM）。 采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（ CPU）和 Flash 存储单元 .,128 8字节内部 RAM， 32 个可编程I/O 口线 ， 2 个 16位定时 /计数器， 6个中断源，低功耗空闲和掉电模式。 复位和时钟电路 复位电路和时钟电路如图 31 所示，对于复位电路，本设计采用上电复位电路，由于 89C51 是高电平复位，因此通过在 RESET 端接一个电阻到地，并接一个电容到电源的方式完成上电复位，上电时电源给电容充电，电容导通，因此 RESET 脚就相当于连接到+5V 电源，开始复位，当电容充电完成后，电容断开， RESET 脚被下拉电阻钳位在低电平，则退出复位状态。 对于时钟电路，采用 的晶振并加以两个 22pF 的起振电容。 江苏技术师范学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 8 页 共 57 页 图 31 复位和时钟电路 红外发射电路 本 设计的红外 发射器采用码分制遥控方式，码分制红 外 遥控就是指令信号产生电路以不同的脉冲编码（不同的脉冲数目及组合）代表不同的控制指令。 当不同的指令键被按下时，指令信号电路产生不同的脉冲编码的指令信号，也就是进行编码，然后经由调制电路进行调制从而产生不同的编码信号，再由驱动电路驱动红外发射器 发射 红外信号。 如图 32 所示： 图 32 红外发射电路 江苏技术师范学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 9 页 共 57 页 红外接收电路 红外接收电路是红外遥控系统中的指令信号及检出电路，通过一体化红外接收头1838(集成红外 线的接收、放大、解调，不需要任何外接元件，就能完成从红外线的接收到输出与 TTL 电平信号兼容的所有工作 )然后将接收到的信号发送给 AT89C51，然后AT89C51 通过内部程序对所接收信号进行判断然后就驱动相应的外部设备进行相应的动作。 此设计的遥控开关是在通用遥控的基础上加以改进的，其实就是将红外遥控器接收部分采用单片机 AT89C51 来控制。 即当一体化红外接收器接收到的红外遥控信号，经放大、解码滤波后，将原编码信号传送入单片机 AT89C51 中进行信号识别编码然后进行相应的处理，已达到控制电路的目的。 红外接收 电路 如 图 33所示。 1838 接收头的 1号脚接到单片机的 号脚上。 图 33 红外接收电路 如图 33 所示，图中 R10 为 22 欧姆的小电阻，串联进 1838 的电源脚，起保护作用。 C11 为 104 电容 ()，对 1838 的电源起到滤波作用，增加抗干扰性能。 按键电路 由于本设计中只需要六只按键且单片机 I/O 口富足，因此，按键电路只需如图 34所示即可，而不必采用复杂的矩阵键盘。 Key1 到 Key6 分别接到单片机的 到 号脚上。 江苏技术师范学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 10 页 共 57 页 图 34 按键电路 如图 34所示，六个按键从 1 号到 6号分别表示起动，停止，正转，反转，加速，减速。 每个按键接 的上拉电阻，以保证按键未被按下时， I/O 口检测到的电平为高电平，而不会引起按键的误操作，提高按键电路的抗干扰能力。 电机电路 本设计中电机驱动 选用的驱动芯片为 L293D，它包含 4个输出通道，最大输出峰值电流为 1． 2 A，能同时驱动 2个直流电机工作；其信号输入端和使能端接收到来自单片机的信号，控制电机的通断以及正、反转，还可以通过向使能端输入不同占空比的方波信号来调整电机转速 (PWM 方式 )。 如图 35 所示， IN端口接控制信号， OUT 端口接电机的两端， EN 端口接使能信号。 一组 IN 端口输入为高／低或低／高电平时，能实现电机的正／反转。 一组 IN 端口输入均为高或低电平时，电机将停转。 EN 使能端为高电平时，相应端口输入信号有效；反之，则输入信号无效。 在 EN 端输入 PWM 波，通过调整 PWM波的占空比，即可实现电机的无级调速。 江苏技术师范学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 11 页 共 57 页 图 35 电机驱动电路 霍尔测速电路 本设计中采用霍尔开关来进行测速。 霍尔开关 是 检测磁场的传感器，当无磁场信号时输出高电平，有磁场信号时输出低电平，因此将霍尔开 关输出的信号接入单片机的外部计数引脚，然后通过测频法将很容易求得电机的转速，霍尔开关电路如图 36所示。 图 36 霍尔开关电路 如图 36所示，霍尔开关 1 脚为输出脚， 2 脚为地脚， 3脚接电源，使用十分方便，需要注意的是霍尔开关 是 OC 输出的，因此在输出脚需要加一个上拉电阻。 江苏技术师范学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 12 页 共 57 页 LCD 转速显示电路 本设计中采用 LCD1602 模组来显示转速，要驱动该模组只需要按照 1602 模组的时序操作即可，参考 1602 模组的数据手册，设计的驱动电路如图 37所示。 图 37 液晶显示 电路 如图 37所示 ， LCD 模组 2 脚分别接地和电源（ 5V）， 3 脚为液晶显示偏压信号，通过一可调电阻接地， 调节该电位器可以调节液晶的对比度， 46 脚分别接单片机的,714 脚分别接单片机 ,1 16 脚分别接电源（ 5V）和地。 江苏技术师范学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 13 页 共 57 页 第四章 软件设计 软件功能 本 设计 的软件主要结合硬件电路实现预计各种功能， 包括红外遥控电机起动，停止，正转，反转，加速，减速，并且通过 LED 指示电机所处运行状态。 另外还需要检测出转速并予以显示。 红外发射 板程序 分析 红外发射 板 主程序主要实现对 按键的检测，并根据相应按键发射相应的红外码给红外接收板。 软件流程图如图 41 所示： 图 41 红外发射板程序流程图 其中红外编码发射的具体函数如下所示： 开始 单片机初始化 有键按下 发送对应键 值的红外码 N Y 江苏技术师范学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 14 页 共 57 页 /******************************************* 发送红外数据 *******************************************/ void sendcode(void) { set_count=575。 //发 送 9ms 38K 红外光 flag=1。 count=0。 TR0=1。 while(countset_count)。 TR0=0。 set_count=320。 //间隔 flag=0。 count=0。 TR0=1。 while(countset_count)。 TR0=0。 ircode=irsys[0]。 //发送 26位系统码的前 18位 sendcode_8()。 ircode=irsys[1]。 //发送 26位系统码的前 916位 sendcode_8()。 ircode=irsys[2]。 //发送 26位系统码的前 1724 位 sendcode_8()。 江苏技术师范学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 15 页 共 57 页 ircode=irsys[3]。 //发送 26位系统码的前 2426 位 sendcode_2()。 ircode=irdata。 //发送 8位数据码 sendcode_8()。 ircode=~irdata。 //发送 8位数据反码 sendcode_8()。 set_count=28。