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红外遥控直流电动机控制器的设计文档

红外遥控直流电动机控制器的设计

绪论

随着无线遥控技术的发展，特别是采用了先进的数字处理技术之后，工业无线遥控系统的运用范围更为广泛，安全性能也得到日益完善。

无论在农业、林业、建筑业、载重运输行业或者工业领域，无线遥控技术的运用在满足各项工作、各类要求时，能够更加灵活、安全并且经济有效的完成。

从红外线向高频电磁波射频信号发展，遥控器用时就可以不用再考虑电器的位置和遥控器的指向等问题了。

由于直流电动机在快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率高、耐受环境和经济性等方面具有明显的优势，故在当今国民经济各个领域，如玩具，医疗器械、仪器仪表、汽车、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及，以往数控机床系统均采用直流电动机。

虽然当前交流电动机有逐渐取代直流电动机之势，但直流电动机仍被采用，并且已用于数控机床上的大量直流电机驱动系统还需要维护，因此了解直流电机驱动仍是很有必要的。

本设计采用了单片机，用单片机进行对电动机的控制是可编程的。

当需要进行复杂而精细的信息处理时，仅仅采用硬件所构成的系统往往相当复杂，而采用单片机控制却十分简单。

本设计结合无线遥控，通过设计单片机对直流电机的控制来增强对单片机和直流电机的掌握学习。

第1章系统性能分析

红外遥控直流电机控制系统包括硬件和软件两大部分。

硬件由单片机控制电路、红外接收电路、键盘电路、驱动电路、测速电路等构成。

软件部分包括主函数功能模块、外部中断功能模块、定时器中断功能模块、外部中断初始化功能模块、定时器初始化功能模块、键盘模块、红外码值处理功能模块、延时功能模块。

程序开始是对单片机进行初始化设置，循环扫描判断是否有按键按下，如果有按键按下就发射相应的红外信号。

接收器通过中断接收遥控信号，通过延时判断是否有开始脉冲，如果有开始脉冲就接收脉冲序列，根据脉冲序列判断需要执行的程序，最终完成相应的功能。

1.1主要技术指标及设计要求

1.1.1主要功能与技术指标

1、主要功能

（1）直流电动机可在红外遥控器的控制下实行正反转。

（2）五个档的调速。

（3）实时监控显示电机转速。

2、技术指标

（1）发射接收角：

水平最大90°。

（2）最大遥控距离：

2m。

（3）电机控制系统停止输出电压：

0V。

1.1.2设计成果要求

1、完成电路原理图的设计，完成电路板的制作。

2、编写程序，学会使用仿真机调试程序。

3、完成直流电动机的速度测试，调速等整机的安装与调试。

4、能用红外遥控器控制直流电动机的启停、正反转、调速。

5、写出毕业设计论文。

1.2红外遥控直流电动机控制器组成

红外遥控直流电动机控制器是利用红外遥控器对直流电动机运行参数进行设定，包括直流电机启动、停止、正、反转以及转速的设置，同时实行监控电动机的转速并进行显示。

具有较好的应用性。

此系统结构简单，运行可靠，显示准确。

整个调速装置是采用PWM脉宽调制，测速装置是由光电检测开关实现。

具体的硬件框图如下：

图1-1硬件电路图设计方案

下面对框图做逐一说明：

1、红外遥控器

发出红外信号，从而实现对直流电动机的运行参数进行设定。

2、红外接收器

接收红外遥控器发出的红外信号，传输给单片机系统。

3、单片机89C51

本设计采用单片机89C51为控制器件，对红外线发射脉冲进行编码、接收译码，从而实现对直流电动机的启停、正反转及转速进行控制。

4、键盘电路

按键相对应控制直流电动机的功能。

5、启停、正反转、转速驱动电路

让单片机接收电机的目标状态，由软件实现。

6、直流电动机

是本次设计的控制目标。

7、测速电路

采用光电传感器测量电动机的转速，并将信号送给单片机，最终显示在数码管上。

8、显示电路

可以直观的反映电动机的转速，动态显示出电动机转速的变化。

红外线遥控是目前使用广泛的一种通信和遥控手段，它不影响周边环境、不干扰其它电器设备；电路调试简单，只要按给定电路连接无误，一般不需任何调试即可投入工作；编解码容易，可进行多路遥控。

由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空调机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。

工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。

单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为在实时检测和自动控制领域中广泛应用的器件，更是工业生产中必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。

而在电气时代的今天，电机在工农业生产、人们日常生活中亦起着十分重要的作用。

直流电动机在快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率高、耐受环境和经济性等方面具有明显的优势，故在当今国民经济各个领域，如玩具，医疗器械、仪器仪表、汽车、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及，以往数控机床系统均采用直流电动机。

虽然当前交流电动机有逐渐取代直流电动机之势，但直流电动机仍被采用，并且已用于数控机床上的大量直流电机驱动系统还需要维护，因此了解直流电机驱动仍是很有必要的。

由于本设计采用了单片机，用单片机进行对电动机的控制是可编程的。

当需要进行复杂而精细的信息处理时，仅仅采用硬件所构成的系统往往相当复杂，而采用单片机控制却十分简单。

本设计结合无线遥控，通过设计单片机对直流电机的控制来增强对单片机和直流电机的掌握学习。

第2章关键器件的介绍

2.1AT89C51单片机

2.1.1AT89C51单片机简介

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[6]。

图2-1AT89C51与AT89C2051

2.1.2AT89C51单片机特性

·与MCS-51兼容·4K字节可编程闪烁存储器

·寿命：

1000写/擦循环·数据保留时间：

10年

·三级程序存储器锁定·128*8位内部RAM

·32位可编程I/O线·两个16位定时器/计数器

·5个中断源·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路[5]

2.1.3芯片擦除

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止[5]。

2.2直流电动机

2.2.1直流电动机

定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。

当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

图2-2直流电动机

2.2.2直流电动机的结构

直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。

直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。

运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

1、定子

（1）主磁极

主磁极的作用是产生气隙磁场。

主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。

铁心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。

励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。

整个主磁极用螺钉固定在机座上。

（2）换向极

换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，如所示。

换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。

　（3）机座

电机定子的外壳称为机座。

机座的作用有两个：

一是用来固定主磁极、换主磁极的结构向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。

为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。

　（4）电刷装置

电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。

电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成[1]。

2、转子（电枢）

（1）电枢铁心

电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。

一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成（冲片的形状如下图所示），以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。

叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。

铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。

（2）电枢绕组

电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。

它是由许多线圈（以下称元件）按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。

为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。

（3）换向器

在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。

换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。

（4）转轴

转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成[1]。

2.2.3直流电动机的控制原理

给两个电刷加上直流电源，如图2-3（a）所示，则有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd受到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。

如果转子转到如图2-3（b）所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出， 此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。

这就是直流电机的工作原理。

外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。

线圈上就受到了电磁力的作用而按逆时针方向转动了。

当线圈转到磁极的中性面上时，线圈中的电流等于零，电磁力等于零，但是由于惯性的作用，线圈继续转动。

主要就是应用了“通电导体在磁场中受力的作用”的原理。

励磁线圈两个端线同有相反方向的电流，使整个线圈产生绕轴的扭力，使线圈转动。

当然，在实际的直流电动机中，也不只有一个线圈，而是有许多个线圈牢固地嵌在转子铁芯槽中，当导体中通过电流、在磁场中因受力而转动，就带动整个转子旋转[4]。

图2-3直流电动机的控制原理

2.3驱动芯片L298N

2.3.1芯片L298N功能

该芯片的主要特点是：

工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为1.5A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准TTL逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路[8]。

L298N芯片的引脚图如图2-4：

图2-4L298N芯片的引脚

L298N引脚功能表如表2-5：

表2-5L298N引脚功能表

引脚符号功能

1SENSINGA此两端与地连接电阻检测电流，并向驱动

15SENSINGB芯片反馈检测到的信号。

2OUT1此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端，用

3OUT2来连接负载。

4Vs电机驱动电源输入端。

5IN1输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全

7IN2桥式驱动器A的开关。

6ENABLEA使能控制端.输入标准TTL逻辑电平信号；

11ENABLEB低电平时全桥式驱动器禁止工作。

8GND接地端，芯片本身的散热片与8脚相通。

9Vss逻辑控制部分的电源输人端口。

10IN3输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全

12IN4桥式驱动器B的开关。

L298N的运行参数如表2-6：

表2-6L298N的运行参数

参数符号测试环境最小值典型值最大值单位

驱动电源电压Vs持续工作时2.5—46V

逻辑电源电压Vss—4.557V

输入低电平电压ViL—-0.3—1.5V

输入高电平电压ViH—2.3—VssV

使能端低电平电压Ven=L—-0.3—1.5V

使能端高电平电压Ven=H—2.3—VssV

全桥式驱动器总的VceIL=1A1.8—3.2V

电压降（每一路）（sat）IL=2A4.9V

检测电压1，15脚Vsen—-1—2V

2.3.2L298N的逻辑控制原理

L298N可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间可分别接2个电动机。

5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转[4]。

L298N的逻辑控制引脚如表2-7：

表2-7L298N的逻辑控制引脚

ENAENBINlIN3IN2IN4电机运行情况

高电平高电平高电平高电平低电平低电平正转

高电平高电平低电平低电平高电平高电平反转

高电平高电平同IN2（IN4）同INl（IN3）快速停止

低电平低电平※※※停止

2.4光电传感器

2.4.1光电传感器

光电传感器是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。

物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。

光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。

安防系统中常见的光电开关烟雾报警器，工业中经常用它来记数机械臂的运动次数。

2.4.2光电传感器的工作原理

由振荡回路产生的调制脉冲经反射电路后，由发光管GL辐射出光脉冲。

当被测物体进入受光器作用范围时，被反射回来的光脉冲进入光敏三极管DU。

并在接收电路中将光脉冲解调为电脉冲信号，再经放大器放大和同步选通整形，然后用数字积分或RC积分方式排除干扰，最后经延时（或不延时）触发驱动器输出光电开关控制信号。

光电开关一般都具有良好的回差特性，因而即使被检测物在小范围内晃动也不会影响驱动器的输出状态，从而可使其保持在稳定工作区。

同时，自诊断系统还可以显示受光状态和稳定工作区，以随时监视光电开关的工作[1]。

第3章硬件电路设计

3.1单片机控制电路

单片机控制电路部分如3-1所示：

图3-1单片机控制电路

AT89C51单片机要正常工作，必须连接基本电路。

基本电路包括晶振电路和复位电路。

1、复位电路

复位是使单片机处于某种确定的初始状态。

单片机工作从复位开始。

在单片机RST引脚引入高电平并保持2个机器周期，单片机就执行复位操作。

复位操作有两种基本方式：

一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。

两种复位电路见图3-2。

。

电路见图3-1。

图3-2单片机的复位电路

复位过程：

开机瞬间RST获得高电平，随着电容C1的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。

若该高电平能保持足够2个机器周期，就可以实现复位操作。

选择C1=10uF，R1=10KΩ[10]。

AT89C51的上电复位电路，只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。

对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至10uF。

上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。

为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间，故选C1=10uF，R1=10KΩ。

上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。

在复位电路中，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。

另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。

如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。

本设计就是采用了上电复位方式。

2、时钟振荡电路

单片机的时钟信号通常有两种产生方式：

一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。

内部时钟方式是利用单片机内部的振荡电路产生时钟信号；外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内。

两种时钟方式见图3-3。

图3-3单片机的两种时钟方式

本设计采用（a）内部时钟方式，电路见图3-1。

在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振），作为单片机内部振荡电路的负载，构成自激振荡器，可在单片机内部产生时钟脉冲信号。

C1和C2可以稳定振荡频率，并使快速起振，本电路选用C7=C8=30PF。

晶振输入输出连接的电阻作用是产生负反馈，保证放大器工作在高增益的线性区，一般在M欧级，输出端的电阻与负载电容组成网络，提供180度相移，同时起到限流的作用，防止反向器输出对晶振过驱动，损坏晶振。

和晶振串联的电阻常用来预防晶振被过分驱动。

Xin和Xout的内部一般是一个施密特反相器,反相器是不能驱动晶体震荡的.因此,在反相器的两端并联一个电阻,由电阻完成将输出的信号反向180度反馈到输入端形成负反馈,构成负反馈放大电路.晶体并在电阻上,电阻与晶体的等效阻抗是并联关系,电阻的作用是将电路内部的反向器加一个反馈回路，形成放大器，当晶体并在其中会使反馈回路的交流等效按照晶体频率谐振，由于晶体的Q值非常高，因此电阻在很大的范围变化都不会影响输出频率。

晶体的串联等效阻抗是Ze=Re+jXe,Re<<|jXe|,晶体一般等效于一个Q很高很高的电感，相当于电感的导线电阻很小很小。

Q一般达到10^-4量级。

避免信号太强打坏晶体的。

电阻一般比较大，一般是几百K。

串进去的电阻是用来限制振荡幅度的，并进去的两颗电容根据LZ的晶振为几十MHZ一般是在20~30P左右，主要用与微调频率和波形，并影响幅度，并进去的电阻就要看ICspec了，有的是用来反馈的，有的是为过EMI的对策可是转化为并联等效阻抗后，Re越小，Rp就越大，这是有现成的公式的。

晶体的等效Rp很大很大。

外面并的电阻是并到这个Rp上的，于是，降低了Rp值-----＞增大了Re-----＞降低了Q。

3.2红外接收电路

目前市场上红外线遥控接收器已集成模块化，一般为三引脚，输出为检波整形过的方波信号，本设计选用集成块IK138，电路见图3-4。

图3-4红外接收电路

发射器发出的红外线信号，由红外头接收，经IK138处理后获得方波信号，再由单片机产生控制电机的相关信号，送P3.1口。

红外线接收器输出波形见图3-5[13]。

图3-5输出波形图

红外线接收器输出波形分析：

当红外接收器输出脉冲帧数据时,第1位码的下降沿触发外部中断INT0，实时接收数据帧，并对第1位（3起始位）码的码宽进行验证。

若第1位低电平码的脉宽小于2ms,将作为错误帧处理。

当间隔位的高电平脉冲宽大于3ms时，结束接收。

然后根据累加器A中的脉冲数，执行相应的功能操作。

3.3电机正反转控制电路

电路由驱动芯片L298N和整流电路组成，电路见图3-6。

图3-6电机正反转控制电路

L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。

是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。

其引脚排列如图3-6中所示，1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。

这里1和15和8引脚直接接地，4管脚VS接2.5V到46V的电压，它是用来驱动电机的，9引脚是用来接4.5V到7V的电压的，它是用来驱动L298N芯片的6脚和11脚是使能端，只有当它们都是高电平的时候，电机才有可能工作。

5脚、7脚、10脚、12脚是L298芯片的信号输入端和单片机的IO口相连，2脚、3脚、13脚、14脚是输出端，输入5脚和7脚控制输出2脚和3脚,输入的10脚、12脚控制输出端的13脚和14脚。

电路中采用的二极管的型号是SD54，对2脚和3脚的输出电流进行整流，再给直流电动机供电。

当使能端ENA接高电平时，IN1接高电平，IN2接低电平，电机正转；IN1接低电平，IN2接高电平，电机反转；若IN1、IN2同时接高电平或低电平，此时电动机快速停止运转。

当使能端ENA接低电平时，电动机始终处于停止状态。

3.4测速电路

测速电路由光电传感器构成。

电路见图3-7。

图3-7测速电路

当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。

为此，可以制作一个遮光叶片，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。

当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。

这里我们才用转10个孔的方式！

在一分钟的时间内，假如产生了10000脉冲，则电机的转速就为1000r/min。

测速的方法决定了测速信号的硬件连接，测速实际上就是测频，因此，频率测量的一些原则同样适用于测速。

通常，可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。

所谓计数法，就是给定一个闸门时间，在闸门时间内计数输入的脉冲个数；测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门，对一个高精度的高频计数信号进行计数。

由于闸门与被测信号不能同步，因此，这两种方法都存在±1误差的问题，第一种方法适用于信号频率高时使用，第二种方法则在信号频率低时使用。

等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性。

这里为简化讨论，仅采用计数法来进行测试。

3.5显示