基于PWM原理的红外遥控电机设计课程设计.docx
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基于PWM原理的红外遥控电机设计课程设计
测控技术与仪器
课程设计
题目名称：
基于PWM原理的红外遥控电机设计
专业班级：
测控1202班
学生姓名：
学号：
201223030228
指导教师：
成绩：
评语：
指导老师签名：
日期：
测控技术与仪器
课程设计
课程设计名称基于PWM原理的红外遥控电机设计
专业班级：
测控1202班
学生姓名：
学号：
指导教师：
小组成员：
课程设计时间：
2015-6-29～2015-7-10
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
测控仪器设计课程设计任务书
学生姓名
专业班级
测控1202班
学号
201223030228
题目
基于PWM原理的红外遥控电机设计
课题性质
工程设计
课题来源
自拟
指导教师
主要内容
（参数）
本设计是基于PWM原理，通过定时器和中断产生可以调节的PWM波，然后通过无线将控制电机的指令代码传送给MCU，从而使MCU完成相应的的操作如下：
1、遥控电机启动停止2、遥控电机加速3、遥控电机减速
4、遥控控制电机正转5、遥控控制电机反转
任务要求
（进度）
第1-2天：
熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料，确定设计方案。
第3-4天：
按照确定的方案设计单元电路。
要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。
第5-6天：
软件设计，编写程序。
第7-8天：
程序调试。
第9-12天：
撰写课程设计报告。
要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确。
主要参考
资料
（1）张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术[M].国防工业出版社，2009.
（2）单片机原理与接口技术（作者：
赵嘉蔚，）出版社：
清华大学出版社
（3）C语言程序设计学习辅导（作者：
谭浩强）出版社：
清华大学出版社
任务分工
学生1：
张延庆软件编写学生2：
胡腾飞原理图绘制
学生3：
王博林硬件设计学生4：
张凯福资料查询
学生5：
李准调试整理
附录23
摘要
本文介绍了基于红外遥控电机控制系统的设计，讲述了直流电机调速的相关知识以及PWM调速的基本原理和实现方法。
直流电机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的快速启动、制动和反转；能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求。
电机控制系统采用红外遥控控制是电气传动的发展方向之一。
采用红外遥控控制后，整个电机系统体积小、结构简单、可靠性高、操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平。
本设计方案基于市场的需求，结合红外遥控设计简单，操作方便，成本低廉等特点，采用了51单片机作为遥控发射接收芯片，HS0038作为红外一体化接收发射管，在此基础上设计了一个简单的红外遥控直流电机系统。
本设计实现了直流电机的几项基本功能：
启动、停止、加速、减速、正转、反转。
关键词：
PWM;直流电机调速；红外无线遥控
1直流电机的调速分析及研究意义
1.1直流电机调速原理
根据励磁方式不同，直流电机分为自励和他励两种类型。
不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。
对于直流电机来说，人为机械特性方程式为：
（1.1）
式中UN,
----额定电枢电压、额定磁通量;
----与电机有关的常数；
----电枢外加电阻、电枢内电阻；
——理想空载转速、转速降。
分析（1.1）式可得．当分别改变UN、
和Rad时，可以得到不同的转速n，从而实现对速度的调节。
由于
=
，当改变励磁电流If时，可以改变磁通量
的大小，从而达到变磁通调速的目的。
但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流If,和磁通量
只能在低于其额定值的范围内调节，故只能弱磁调速。
而对于调节电枢外加电阻Rad时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。
对于他励直流电机来说，当改变电枢电压时UN，分析人为机械特性方程式，得到人为特性曲线如图1-1。
如图1-1所示。
理想空载转速
随电枢电压升降而发生相应的升降变化。
不同电枢电压的机械特性曲线相互平行，说明硬度不随电枢电压的变化而改变，电机带负载能力恒定。
当我们平滑调节他励直流电机电枢两端电压时，可实现电机的无级调速。
基于以上特性，改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。
改变电枢电压可通过多种途径实现，如晶闸管供电速度控制系统、大功率晶体管速度控制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等。
图1-1直流电动机机械特性曲线图1-2电枢电压“占空比”与平均电压关系
1.2PWM基本原理及其实现方法
1.2.1PWM基本原理
PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。
PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。
在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。
因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。
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、断电的时间，即可让电机转速得到控制。
设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax,设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为:
=
*
（1.2）
式中，Vd----电机的平均速度；
Vmax----电机全通电时的速度（最大）；
D=t1/T----占空比。
由公式1-2可见，当我们改变占空比时D=t1/T，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。
严格地讲，平均速度Vd与占空比D=t1/T并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系.
1.2.2实现方法
PWM信号的产生通常有两种方法：
一种是软件的方法；另一种是硬件的方法。
硬件方法的实现已有很多文章介绍，这里不做赘述。
本文主要介绍利用单片机对PWM信号的软件实现方法。
STC89C51单片机具有两个定时器T0和T1。
通过控制定时器初值T0和T1，从而可以实现输出口输出不同占空比的脉冲波形。
由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。
因此，首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。
如果单片机的时钟频率为f，定时器/计数器为N位，则定时器初值与定时时间的关系为：
（1.3）
式中，T----定时器定时初值；
N----一个机器周期的时钟数。
N随着机型的不同而不同。
在应用中
应根据具体的机型给出相应的值。
这样，我们可以通过设定不同的定时初
值，从而改变占空比D=t1/T，进而达到控制电机转速的目的。
1.3控制程序设计
控制程序的设计有两种方法：
软件延时法和计数法。
软件延时法的基本思想是：
首先求出占空比D=t1/T，再根据周期T分别给电机通电M个单位时间t0，所以M=t0/t1。
然后，再断电M'个单位时间，所以M'=t2/t0。
改变M和M'的值，从而也就改变了占空比D。
计数法的基本思想是：
当单位延时个数M求出之后，将其作为给定值存放在某存储单元中。
在通电过程中，对通电单位时间t0的次数进行计数，并与存储器的内容进行比较。
若不相等，则继续输出控制脉冲，直到计数值与给定值相等，使电机断电。
软件采用定时中断进行设计。
如图2-12所示，单片机上电后，系统进入准备状态。
当按动按钮后，执行相应的程序，根据P2.6或P2.7输出的高电平决定直流电机的正反转。
根据不同的加、减速按钮，调整P2.6或P2.7输出高低电平时的占空比，从而可以控制P2.6或P2.7输出高低电平时的延时时间，进而控制电压的大小来决定直流电机转速。
2.系统硬件设计
2.1系统方案
本设计以STC89C51单片机为核心，以红外遥控器的5个按键作为输入达到控制直流电机的停止、加速、减速、正转、反转。
在设计中，采用PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的改变达到调速的目的。
2.2功能简介
直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广；过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、停止和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。
电动机调速系统采用微机实现自动控制，是电气传动发展的主要方向之一。
采用微机控制后，整个调速系统实现自动化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。
由于单片机性能优越，具有较佳的性能价格比，所以单片机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。
PWM调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：
由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好：
同样，由于开关频率高，快速响应特性好，动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，主电路损耗小，装置效率高。
本文所介绍的系统就是一个采用典型的开环调速原理组成的单片机PWM调速系统。
2.3主要内容
采用单片机构成的直流电动机数字PWM调速系统,其控制核心主要由51单片机、电源模块、电机驱动电路、按键（加速、减速、停止、正转、反转）、直流电机组成。
系统采用L298N芯片作为PWM驱动直流电动机的供电主回路。
单片机通过软件处理输出PWM信号,实现了直流电动机的速度控制,在运行中获得了良好的动静态性能。
在介绍了基于单片机用PWM实现直流电机调整的基本方法，直流电机调速的相关知识，及PWM调整的基本原理和实现方法。
重点介绍了基于STC89C51单片机的用软件产生PWM信号的途径，并介绍了一种独特的通过软件定时中断实现PWM信号占空比调节的方法。
由于单片机的驱动能力不强，驱动直流电机需要很强的电流所以必须有外围的驱动电路，因此本设计采用L298芯片放大单片机微弱的电流。
控制原理：
以STC89C51单片机为核心的直流电机控制系统控制，由软件转换成PWM信号，并由P1.4、P1.5输出，经驱动电路输出给电机，从而控制电机得电与失电。
软件采用定时中断进行设计。
单片机上电后，系统进入准备状态。
当按动启动按钮后，根据P2.6为高电平实现电机正转，P1.4为高电平时实现电机反转。
根据不同的加减速按钮，调整P1.4/P1.5输出高低电平时的预定值，从而可以控制P1.4/P1.5输出高低电平时的占空比，进而控制电压的大小。
控制程序应用于电机的加减速。
2.4电机调速控制模块
2.4.1方案选择
方案一：
采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。
但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。
更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
方案二：
采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。
这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
方案三：
采用驱动芯片L298N驱动直流电机，L298N具有驱动能力强，外围电路简单等优点，因此我们采用方案三。
2.4.2PWM调速工作方式
方案一：
双极性工作制。
双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。
方案二：
单极性工作制。
单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。
由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了方案二。
2.5系统分析与硬件设计
键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P1.4与P1.5其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、驱动电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制，电动机正转，反转，加速，减速、停止。
总体设计方案的硬件部分详细框图如图2-1所示：
图2-1系统硬件框图
2.5.1设计部分分析
1、STC89C51
STC89C51内有8位的CPU、4K的ROM程序存贮器，128个字节RAM数据存贮器，4个8位并行口，2个16位定时器T0和T1，一个异步串行口UART。
STC89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造。
另外，STC89C51可降至0HZ静态逻辑操作，支持两种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切停止工作，直到下一个中断或硬件复位为止。
2、复位电路及时钟电路
复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。
复位电路通常分为两种：
上电复位和手动复位。
图2-2上电复位图2-3手动复位
有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位。
所以本次设计选用手动复位。
2.5.2直流电机驱动电路设计
由于单片机P3口输出的电压最高才有5V，难以直接驱动直流电机。
所以我们需要使用恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N来驱动电机。
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.5～7V电压。
4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2.5～46V。
输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。
L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。
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。
同时需要加四个二极管在电机的两端，防止电机反转的时候产生强大的冲击电流烧坏电机。
具体驱动电路如下图2-9：
2.6红外遥控电路设计
2.6.1红外系统方框图
（1）发射端电路：
由单片机系统、红外发射电路及红外遥控按键，电源电路等组成。
其设计原理图如下：
图2-4遥控器方框图
2.6.2系统功能需求
本遥控系统要求用单片机作为控制芯片制作一个遥控器，使一个单片机系统能被遥控操作。
本系统要求遥控器能够实现直流电机的启停、加速、减速、正转、反转功能。
用STC89C51来作主芯片控制，采用红外接收头，具有红外遥控功能。
2.6.3红外发射电路
本遥控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。
在确定选择STC89C51作为本设计发射电路核心芯片和点触式开关作为控制键后，加上一个简单红外发射电路和12M晶体振荡器便可实现红外发射。
发射部分的主要元件为红外发光二极管。
它实际上是一只特殊的发光二极管，由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它发出的便是红外线而不是可见光。
目前大量使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右，外形与普通二极管相同，只是颜色不同。
图2-5红外发射电路
2.6.4红外检测接收电路
在接收过程中，脉冲通过光学滤波器和红外二极管转换为40KHZ的电信号，此信号经过放大，检波，整形，解调，送到解码与接口电路，从而完成相应的遥控功能。
接收电路如图
通常，红外遥控器将遥控信号（二进制脉冲码）调制在40KHZ的载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管，产生红外信号发射出去。
将上述的遥控编码脉冲对频率为40KHZ的载波信号进行脉幅调制（PAM）,再经缓冲放大后送到红外发光管，将遥控信号发射出去。
根据遥控信号编码和发射过程，遥控信号的识别——即解码过程是去除40KHZ载波信号后识别出二进制脉冲码中的0和1。
由ST89C51单片机、一体化红外接收头、还原调制和红外发光管驱动电路组成。
接收部分主要元件是红外接收管，它是一种光敏二极管（实际上是三极管，基极为感光部分）。
在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。
2.7设计所需部分器件
变压器、单片机STC89C51、直流电机驱动芯片L298N、12MHZ晶振、7805、四位共阳数码管、电容、电
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