基于单片机的遥控灯箱的设计毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的遥控灯箱的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

流电动机是根椐电磁力定律而工作的。 电刷两端外加 一直流电，通过换向器和电刷的作用变换成电枢元件中的交流电，从而产生单方向的电磁转矩而旋转。 直流电机由定子和转子两部分构成，定子包括：主磁极、换向极、机座和电刷装置，其主要作用是产生主磁场（见图 35）。 转子包括：电枢铁芯、电枢绕组、换向器和转轴，其主要作用是产生感应电势和电磁转矩 T，是直流电机能量转换的核心。 图 35 电刷两端的电势波型 直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电 源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源，亦称直流－直流变换器。 它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。 图 36 为直流斩波器的原理电路和输出电压波型，图中 VT 代表开关器件。 当开关VT 接通时，电源电压 U。 加到电动机上；当 VT 断开时，直流电源与电动机断开，电动机电枢端电压为零。 图 36 斩波器原理电路及输出电压波型 （ a）原理图 （ b）电压 波型 这样，电动机电枢端电压的平均值为： d ton SSU U UT ＝ （ ） 式中， T－开关器件的通断周期； 毕业 设计 6 ont －开关器件的导通时间； onont tfT－占空比； f －开关频率。 由式（ ）可知，直流斩波器的输出电压平均值 dU 可以通过改变占空比  ，即通过改变开关器件导通或关断时间来调节，常用的改变输出平均电压的调制方法有以下三种： (1) 脉冲宽度调制（ pulse width modulation，简称 PWM）。 开关器件的通断周期 T保持不变，只改变器件每次导通的时间 ont ，也就是脉冲周期不变，只改变脉冲的宽度，即定频调宽。 (2) 脉冲频率调制（ pulse frequency modulation，简称 PFM）。 开关器件每次导通的时间 ont 不变，只改变通断周期 T 或开关频率 f ，也就是只改变开关的关断时间，即定宽调频，称为调频。 (3) 两点式控制。 开关器件的通断周期 T和导通时间 ont 均可变，即调宽调频，亦可称为混合调制。 当负载电流或电压低于某一最小值时，使开关器件导通；当电流或电压高于某一最大值时，使开关器件关断。 导通和关断的时间以及通断周期都 是不确定的。 构成直流斩波器的开关器件过去用得较多的是普通晶闸管和逆导晶闸管，它们本身没有自关断的能力，必须有附加的关断电路，增加了装置的体积和复杂性，增加了损耗，而且由它们组成的斩波器开关频率低，输出电流脉动较大，调速范围有限。 自 20 世纪70年代以来，电力电子器件迅速发展，研制并生产了多种既能控制其导通又能控制其关断的全控型器件，如门极可关断晶闸管（ GTO）、电力电子晶体管（ GTR）、电力场效应管（ PMOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）等，这些全控型器件性能优良，由它们构成的脉宽调制直流调速系 统（简称 PWM 调速系统）近年来在中小功率直流传动中得到了迅猛的发展。 2．直流电机驱动 在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑以下几点： (1) 功能：电机是单向还是双向转动，需不需要调速。 对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由 4 个功率元件组成的 H 桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。 如果不需要调速，只要使用继电器即可，但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实现 PWM 调速。 (2) 性能：对于电机驱动电路，主要有以下性能指标： (a) 输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。 (b) 效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。 要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通入手。 毕业 设计 7 (c) 对控制输入端的影响。 功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。 (d) 对电源的影响。 共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染，打的电流可能导致地线电位浮动。 (e) 可靠性。 电机驱动电路应该尽可能做到无论加上何种控制信 号、何种无源负载电路都是安全的。 采用Ｈ桥结构，以驱动直流电机的正、反转。 见图 37 从图中可以看出，其形状类似于字母 “H” ，而作为负载的直流电机是像 “ 桥 ” 一样架在上面的，所以称之为 “ H 桥驱动 ”。 4 个开关所在位置就称为 “ 桥臂 ”。 图 37 H 桥电路 从电路中不难看出，假设开关 A、 D接通，电机为正向转动，则开关 B、 C接通时，直流电机将反向转动。 从而实现了电机的正反向驱动。 以上只是从原理上描述了 H 桥驱动，而实际应用中很少用开关构成桥臂，通常使用晶体管，因为控制更为方便，速度寿命都 长于有接点的开关（继电器）。 双极性晶体管构成的 H 桥： （见图 38） 图 38 晶体管 H 桥电路 MOS 管构成的 H 桥： (见图 39) 毕业 设计 8 图 39 MOS 管 H 桥电路 以下就分析一下这些电路的性能差异。 几种典型 H 桥驱动电路分析 ,分析之前，首先要确定 H 桥要关注那些性能： (1) 效率 —— 所谓驱动效率高，就是要将输入的能量尽量多的输出给负载，而驱动电路本身最好不消耗或少消耗能量，具体到 H桥上，也就是 4个桥臂在导通时最好没有压降，越小越好。 (2) 安全性 — — 不能同侧桥臂同时导通； (3) 电压 —— 能够承受的驱动电压； (4) 电流 —— 能够通过的驱动电流。 大致如此，仔细考量，指标 (2)似乎不是 H 桥本身的问题，而是控制部分要考虑的 ,而后两个指标通过选择合适参数的器件就可以达到，只要不是那些特别大的负载需求，每种器件通常都能选择到。 而且 直流电机 应用中所能遇到的电流、电压更是有限。 只有指标 (1)是由不同器件的性能所决定的，而且是运行中最应该关注的指标，因为它直接影响了电机驱动的效率。 所以，经分析的重点放在效率上，也就是桥臂的压降上。 为了使分析简单，便于 比较，将 H 桥的驱动电流定位在 2A 水平上，而电压在 5 12V 之间。 选择三个我所涉及到的器件： (a)双极性晶体管 :D77 D882 (b)MOS 管 :230 2302 (c)集成电路 H 桥 :L298 根据查阅的资料可知，如果均心 2A 电流驱动计算，三种驱动自身消耗的功率如下： D77 D882 ： （ +） * 2 = 2 W 230 2302： (+) * 2 = W L298： * 2 = W 如果以驱动一个 、 2A 的直流电 机为例： 电机得到的功率是： *2 = 9W； 毕业 设计 9 用 D77 D882 则需要供电 ，效率为 ： 9/（ *2） = 81% ； 用 230 2302 则需要供电 ， 效率为： 9 /（ *2） = 92% 用 L298 则需要供电 ，效率为： 9/（ *2） = 48 % 综合考虑，运用 MOS 管驱动直流电机其性能最好。 3． PWM 控制电机 由单片机发出 PWM 信号输入电机驱动电路，进而控制电机。 一般电机运用 PWM 都是用来实现其调速功能，而本设计中并没有涉及其调速 ，那为什么还要用 PWM 来控制呢。 主要原因是其稳定性高且容易调节。 只要改变其输出电压的大小就可以控制直流电机的正、反转动与停止。 由按键发出信号，进行编码送往发射器并发出信号，接受器接受信号解码并送往主单片机，单片机根据输入信号发出相应的 PWM 脉冲以控制直流电机的开、关，正、反转，停止。 PWM 的产生 主要利用 CPU 内部的双计数器 T0， T1 来分别控制 PWM 信号的振荡周期和脉宽。 （见图 310） 图 310 脉冲图 由于 T0 的计数时间总是小于或是等于 T1 的计数时间。 因此， T0 必先产生中断，而由 CPL 指令来改变波形，同时关断 T0 计数器 TR0，等待 T1 产生中断，重新开启 TR0，重新计数。 PWM 系统有以下优点： (1) 采用全控型器件的 PWM 系统，其脉宽调制电路的开关频率高，一般在几 kHz，因此系统的频带宽，响应速度快，动态抗扰能力强。 (2) 由于开关频率高，仅靠电动机电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，同时电动机的损耗和发热都较小。 (3) PWM 系统中，主回路的电力电子器件工作在开关状态，损耗小，装置效率高，而且对交流电网的影响小，没有晶闸管整流器对电网的 “ 污染 ” ，功率因数高，效率高。 (4) 主电路所需的功率元件少，线路简单，控制方便。 （三） 红外遥控 1．红外遥控原理 u +5V t T0 T1 毕业 设计 10 红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质。 人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、 橙、黄、绿、青、蓝、紫。 其中红光的波长范围为 ～ ；紫光的波长范围为 ～。 比紫光波长还短的光叫紫外线，比红光波长还长的光叫红外线。 红外线的波长在 ～ 100μm之间，位于无线电波与可见光之间。 红外线遥控就是利用波长为 ～。 红外线遥控器是以红外线发光 LED，发射波长 940nm的红外线不可见光，来传送信号。 整个遥控器系统分为发射端及接收端两部分，发射端经过红外线发射 LED送出红外线控制信号，这些信号经过红外线接收模块接收端接收进 来，并对其控制信号做译码而做相对的动作输出完成遥控的功能。 红外线遥控器已被广泛使用在各种类型的家电产品上，它的出现给使用电器提供了很多的便利。 红外遥控系统一般由红外发射装置和红外接收设备两大部分组成。 红外发射装置又可由键盘电路、红外编码芯片、电源和红外发射电路组成。 红外接收设备可由红外接收电路、红外解码芯片、电源和应用电路组成。 通常为了使信号能更好的被传输发送端将基带二进制信号调制为脉冲串信号，通过红外发射管发射。 常用的有通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制（ PWM）和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制（ PPM）两种方法。 在同一个遥控电路中通常要使用实现不同的遥控功能或区分不同的机器类型，这样就要求信号按一定的编码传送，编码则会由编码芯片或电路完成。 对应于编码芯片通常会有相配对的解码芯片或包含解码模块的应用芯片。 在实际的产品设计或业余电子制作中，编码芯片并一定能完成我们要求的功能，这时我们就需要了解所使用的编码芯片到底是如何编码的。 只有知道编码方式，我们才可以使用单片机或数字电路去定制解码方案。 下面收集整理的一些常用遥控编码芯片的编码方式和常用一体化接收芯片的引脚示意图 (见图 311)。 图 311 常见的红外接收器 数据格式 . 数据格式包括了引导码、用户码、数据码和数据码反码，编码总占 32 位。 数据反码是数据码反相后的编码，编码时可用于对数据的纠错。 注意：第二段的用户码也可以在遥控应用电路中被设置成第一段用户码的反码 (见图 312)。 毕业 设计 11 图 312 数据格式 2．编码与解码 (1) 0和 1的编码 遥控器发射的信号由一串 O和 1的二进制代码组成．不同的芯。