电机遥控系统设计LDXOK0723.docx
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电机遥控系统设计LDXOK0723
摘要
电机遥控系统包括遥控发射系统和遥控接收系统。
发射系统包括单片机控制电路、红外线发射电路、按键输入电路、发射指示电路等；接收系统包括单片机控制电路、红外线接收电路、电机转速及启／停控制电路、交流电过零检测电路、电源电路等。
本设计采用单片机为控制器件，对红外线发射的脉冲个数进行编码、接收以及译码，从而实现对一台交流电机的开启及转速控制。
通过编程，操作码个数可随意设定；系统输出电压为交流0～220V，对应控制电机有5档转速；系统工作可靠、控制方便、使用灵活。
关键词：
交流电机；红外线；单片机；控制
Abstract
Theelectricalengineeringremotecontrolsystemincludestocontrolfromadistancetoshootsystemandremotecontroltoreceivesystem.Shootingthesystemincludesasingleslicemachineacontrolelectriccircuit,infraredrayblast-offelectriccircuit,keystrokeelectriccircuitandshootdesignationelectriccircuitetc,Receivingthesystemincludessingleslicethemachinecontrolelectriccircuit,infraredraytoreceiveelectriccircuit,electricalengineeringtoturnsoonandstart/stopcontrolelectriccircuit,alternatecurrentoverzeroexaminationelectriccircuit,powersupplyelectriccircuitetc.Thisdesignadoptsasingleslicemachineinordertocontrolasparepart,toinfraredrayblast-offofthepulsepiececarryoncodingandreceiveandtranslatecode,carryingoutthustocommunicatetoasettheelectricalengineeringopensandturnstocontrolsoon.Passaplaitdistance,operatingthecodepiececansetatwill,Thesystemoutputselectricvoltageforcommunicate0-220Vs,toshouldcontrolelectricalengineeringtohave5filestoturnsoon,Systemworkcredibility,controlconvenience,usagevivid.
Keywords：
Alternatingcurrentmachine;Infraredray;monolithicintegratedcircuit;control
1引言
随着大规模集成电路和计算机技术的发展，遥控技术得到快速的发展。
特别是采用数字处理技术后，遥控系统在安全性、可靠性等方面得到日益完善。
采用无线遥控，操作人员只需携带轻巧的发射系统，自由走动并选择最佳位置进行操作。
这可保证操作安全、降低事故隐患、提高生产效率。
由此，本人选择设计题目：
电机遥控系统设计。
2方案论证与选择
在遥控方式上大致经历了从有线到无线的超声波、从振动子到红外线、再到使用微机控制红外线几个阶段。
无论采用哪种方式进行传输，准确的传输控制信号，最终达到预定的控制效果是最为关键的。
最初的无线遥控装置采用的是电磁波作为传输信号的媒质。
但是由于电磁波容易产生干扰，而且易受干扰，因此逐渐采用超声波和红外线媒介进行信号的传输。
超声波遥控与红外线相比，超声波传感器的频带窄，所携带的信息量少，易受干扰而引起误操作。
光波遥控。
光控是较为理想的方式，红外线在频谱上处于可见光之外，抗干扰性强，具有光波的直线传播特性，且不易产生相互间干扰，是很好的信息传输媒质。
信息可以直接对红外光进行调制传输，例如信息直接调制红外线的强弱进行传输；也可以用红外线产生一定频率的载波，再用信息对载波进行调制，接收端去掉载波，取到信息。
虽然两种方式均可以达到预期目的，但是从信息传输可靠性来说，后一种方式更好。
红外线遥控具有：
装置体积小、功耗低、功能强、成本低、安全可靠、有效地隔离电气干扰等优点。
在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，对工业设备工作的启动、停止、转速变化等，进行遥控是很好的方式，所以红外线多功能遥控器，成为当代的遥控主流。
单片机控制具有编程灵活多样、操作码个数可随意设定等优点。
综上所述，本设计采用单片机为控制器件，对红外线发射脉冲个数编码、接收译码，从而实现对交流电机的开启及转速进行控制。
系统由两部分构成，一是红外线发射系统，一是红外线接收控制系统。
其中红外发射系统包括：
单片机控制电路、红外线发射电路、按键输入电路、发射指示电路等部分；接收控制系统包括：
单片机控制电路、红外线接收电路、状态指示电路、电机转速及启/停控制电路、50Hz交流电过零检测电路、电源电路等部分。
图1为该应用系统的遥控发射器设计原理框图；图2为该应用系统的接收控制系统设计原理框图。
图1单片机遥控发射器设计原理框图
图2接收控制系统设计原理框图
3系统硬件电路设计
通过对电机遥控系统的功能进行综合分析，系统硬件部分应包括遥控发射部分和遥控接收部分。
3.1遥控发射系统电路设计
根据图1即单片机遥控发射器设计原理框图，设计单片机控制电路、红外线发射电路、按键输入电路、发射指示电路等部分。
3.1.1发射系统单片机控制电路设计
当前单片机系列产品琳琅满目，单片机工作基本电路也不尽相同。
单片机控制电路设计包括对单片机型号的选择和工作基本电路的设计。
（1）单片机芯片选择
8051是Intel公司推出的MCS-51系列单片机的典型品种。
MCS8031和AT89C51都具有4个8位I/O接口，但MCS8031没有内部程序存储器，需要外接，增加电路复杂性；AT89C2051和AT89C51都具有FlashROM，可以省去外接程序存储器；但AT89C2051接口少，不利于扩展操作码个数[1]；根据控制系统所要求的控制精度、响应速度、开发环境、I/O点数、输入/输出通道数等情况进行综合分析，本设计选用AT89C51。
AT89C51单片机内部结构及主要性能特点：
40个引脚，双列直插式封装；有4个8位I/O接口，有全双工增强型UART,可编程串行通信；2个16位定时／计数器；5个中断源，2个中断优先级；有片内时钟振荡器（全静态工作方式，0-24MHz）；有128字节内部RAM，4KBFlashROM（可以擦除1000次以上，数据保存10年）；电源控制模式灵活（时钟可停止和恢复，空闲模式，掉电模式）[2]。
（2）AT89C51工作基本电路设计
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[2]。
（A）晶振电路
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[2]。
两种时钟方式见图3。
图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5。
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[3]。
C1和C2可以稳定振荡频率，并使快速起振，本电路选用C1=C2=30PF。
（B）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[3]。
两种复位电路见图4。
本设计采用复位电路（b）。
电路见图5。
图4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C3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C3=10uF，R1=10KΩ。
单片机控制电路见图5。
图5单片机控制电路
3.1.2红外线发射电路设计
红外线发射电路采用红外二极管发射脉冲编码调制波。
（1）遥控信号编码格式
遥控器的编码采用脉冲个数编码格式。
不同的脉冲个数代表不同的操作码，最少为2个脉冲，其它信息码的脉冲个数逐个递增。
为了使接收可靠，第一位码宽为3ms，其余为1ms，码间距为1ms，遥控码数据帧间隔大于10ms。
遥控信号编码格式见图6。
图6遥控信号编码格式
（2）红外线发射电路结构与工作原理
红外发射电路的核心器件是红外二极管；红外二极管的一端连接三极管的集电极，另一端通过限流电阻R1接电源；三极管的基极经偏置电阻R2连接单片机的P3.5端。
电路如图7所示。
图中三极管Q1选择9013，红外二极管选择TR403B；电阻R1起限制电流的作用；调节偏置电阻R2的大小可以改变发射距离。
工作时，P3.5端输出控制脉冲信号，控制三极管导通或截止，由此控制红外发射二极管发出或不发红外线。
这样，便从红外发射二极管发送出编码后的红外线信号。
图7红外线发射电路图
3.1.3按键输入电路设计
按键输入电路可采用独立式按键电路或矩阵式按键电路。
在此设计中按键输入电路采用独立式按键电路。
设置6个按钮开关、6个10欧的限流电阻。
电路见图8。
独立式键盘工作电路，按键直接与AT89C51的I/O口线相接。
键盘扫描采用软件查询方法，通过读I/O口，判断各I/O口的电平状态，即可以识别出按下的键。
当某个键按下时即开关S1-S6中的任意一个闭合时，与之对应的P2.0-P2.5口便有一个低电平有效电压输入，CPU通过键扫描程序确定按键值，以执行按键值对应的功能程序。
图8按键输入电路
3.1.4发射指示电路设计
发射指示电路用1个LED发光二极管D2和相应驱动电路实现。
电路见9。
图9发射指示电路
当有按键操作使单片机AT89C51的P3.5口有脉冲输出时，P3.0口对应输出高电平，三极管9013导通，指示灯LED被点亮。
3.1.5遥控器电源
遥控器的电源采用串连3节1.5V的干电池得到4.5V的直流电源。
3.1.6遥控发射器原理图
综上所述，遥控发射器原理图见图10。
图10遥控发射器原理图
3.2遥控接收系统电路设计
根据图2接收控制系统设计原理框图，设计单片机控制电路、红外接收电路、电机转速及启／停控制电路、50Hz交流电过零检测电路、状态指示电路、电源电路等部分。
3.2.1接收系统单片机控制电路设计
同理，选择.AT89C51单片机作为系统控制芯片，单片机工作的基本电路包括晶振电路和复位电路。
3.2.2红外线接收电路设计
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[13]，本设计选用集成块HS0038。
集成块HS0038的1、2脚并联一个电容，3脚连接INT0和TXD，电路见图11。
发射器发出的红外线信号，由红外头接收，经HS0038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。
图11红外接收电路
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。
红外线接收器输出波形见图12。
图12输出波形图
3.2.3电机转速及启／停控制电路设计
（1）电机转速及启／停控制电路结构
电路由开关电路、光电耦合电路、可控硅电路、整流电路组成，元件参数见图13。
图13可控硅电机控制电路设计原理图
（2）电机转速及启／停控制电路工作原理
双向可控硅（Z0409）是将两个反向并联的单向控制硅做在同一硅片上组成的，控制极共享一个G。
双向可控硅的特性是：
当两极A1与A2间加上大于阀值电压（1.5V）,控制极G上不加电压时，双向可控硅呈高阻状态,管截止，不会导通。
当两极A1与A2间加上大于阀值电压（1.5V）,且控制极G上加上电压时，双向可控硅便进入导通状态，管压降很小（1V左右）；这时，即使控制电压消失，仍能保持导通状态；所以一般在控制极G加上脉冲控制可控硅导通。
可控硅不具有自关断功能，要切断电流，只有使电流减小到维持电流以下或加上反向电压实现关断。
该可控硅电机控制电路利用了这一特性。
没有可控硅时，电路中E点是正弦波电压，D点是整流后的同相半波电压。
由于电路中连接有可控硅，由单片机AT89C51的P2.7脚输出为低电平，即电路中A点为低电平时，9012三极管导通，B点为高电平，三极管集电极电流驱动光电耦合器导通，C点为高电平，使可控硅的G极为高电平，可控硅导通；电机有电流通过而转动。
如果可控硅处于截止状态，当AT89C51的P2.7脚输出为高电平时，9012三极管、光电耦合器、可控硅都处于截止状态。
电机无电流通过而停止。
在AT89C51的P2.7脚输出移相脉冲，用移相角的改变实现导通角的改变。
即当移相角较大时，可控硅的导通角较小，输出电压较低．电机转速较慢；当移相角较小时，可控硅的导通角较大，输出电压较高，电机转速较快；当导通角不为0时，电机启动；当导通角为0时，电机停转。
可控硅导通角控制电路中各点波形见图14。
图14可控硅导通角控制电路中各点波形图
3.2.450Hz交流电过零检测电路
为了获得电机转速及启／停控制电路获取需要的移相脉冲，必须在该电机转速控制系统中设置50Hz交流电过零检测电路。
电路原理图见图15。
（1）电路原理
图1550HZ交流过零检测电路
（2）工作原理简介
变压器次级（~14v），经全波整流，形成脉动直流波形，电阻分压后，再经过电容滤波，滤去高频成分，形成C点电压波形[4]；当C点电压大于0.7V时，三极管Q2导通，在三极管集电极形成低电平；当C点电压低于0.7V时，三极管截止，三极管集电极通过上拉电阻R13，形成高电平。
这样通过三极管的反复导通、截止，在芯片过零检测端口D点形成100Hz脉冲波形，芯片通过判断，检测电压的零点。
电路各点波形见图16。
图16交流过零检测电路各点波形
3.2.5状态指示电路设计
电机的状态指示采用七段数码显示管静态显示[6]。
选用共阳极数码管，其阴极通过限流电阻连接P1.0-P1.7。
电路见图17。
图17状态指示电路
工作时，由P1.0-P1.7输出信号控制数码管显示的数字。
共有6种电机状态指示，其中电机启/停状态指示“显示数字0及不显示任何数字”，电机5个档转速状态指示显示数字1、2、3、4、5。
3.2.6电源电路设计
电源电路[7]由变压器、单相桥式整流电路、滤波电路和三端稳压电路构成。
图18电源电路
电源电路如图18示，图中“output”端输出为+5V。
电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器。
三端式稳压器只有输入、输出和公共引出端，由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。
在本系统中，要求电源电压为+5V，由于三端式稳压器输出电压固定，故在设计中选择三端式稳压器LM7805。
三端式稳压器的输入与输出之间电压差为2～3V，整流桥的输出电压是输入电压（有效值）的1.2倍，根据有效值与峰-峰值的关系选择220V/6V的变压器。
由于LM7805的最大输出电流为1A，电压为稳定的+5V，输出功率为5W，加上三端式稳压器LM7805的消耗，故本系统选择降压比为220V/6V、功率为10W的变压器。
图19中C4、C5为低频滤波电容，根据经验选择电解电容，其容值分别为C4=220μF、C5=47μF；C6、C7为高频滤波电容，均选0.1μF的无极性电容。
发光二极管用于指示电源是否接通，选择FG1112004发光二极管，根据FG1112004正向电流为5mA及管压降为+2V，选择限流电阻R5=680Ω。
3.2.7遥控接收系统电路原理图
综上所述，遥控接收系统电路原理图见图19。
图19遥控接收系统电路
4电机遥控系统软件设计
4.1遥控发射系统程序设计
4.1.1初始化程序
主要包括设置P2口和P3口为高电平状态，关P3.5遥控输出，设置堆栈SP,设置中断优先级IP,选择定时器／计数器0和设置操作模式为自动8位重载模式。
初始化程序流程图见图20。
4.1.2主程序
主程序包括：
调用初始化程序，循环程序。
在循环程序中，调用键盘程序，红外发射程序，再次转向循环程序。
主程序流程图见图20。
图20初始化程序和主程序流程图
4.1.3中断服务程序
定时器0中断服务程序的功能是利用定时器0的定时作用，在发射高频脉冲时，通过定时对P3.5口的取反操作，使发射信号调制成38.5kHz高频信号。
4.1.4键扫描、红外线发射程序
键扫描程序流程图见图21，发射程序流程图见图21。
图21键扫描和发射程式流程图
4.2遥控接收系统程序设计
4.2.初始化程序
初始化程序部分主要使系统进入复位初始化的状态值。
具体是：
P1口到P3口为高电平状态，选择工作寄存器区，设置堆栈SP,设置中断优先级IP,开外部中断0,设置电机默认停机标志位。
初始化程序流程图见图22。
4.2.2主程序
主程序部分首先调用初始化程序，再进入主程序循环状态。
在循环中主要任务是50Hz交流电过零检测和调用移相角控制的延时程序。
主程序流程图见图22。
图22主程序及初始化程序流程图
4.2.3中断服务程序
根据前面红外线接收器输出波形（见图12和电机所用波形（见图13中E点）要求，设计外部中断0中断服务程序。
外部中断0中断服务程序流程图见图23。
图23外部中断0中断服务程序流程图
4.2.4移相角控制用延时程序
前面已经说明，通过改变移相角的大小，可以改变可控硅导通角的大小，从而改变输出电压的高低；以移相角的变化控制电机转速的变化。
利用软件延时的长短来改变移相角。
当延时长时，移相角大，导通角小；当延时短时，移相角小，导通角大；当导通角为零时，电机停转。
5系统安装调试及系统性能
5.1系统安装调试
在安装时应注意遥控接收头尽量靠表面，以扩大接收的角度（不同厂家的遥控接收头的灵敏度也不一致，应根据设计选择确定）。
调试首先检查电路的焊接是否正确，然后用万用表对电路进行检测，最后通电测试。
对遥控器的调试主要是用示波器观察能否在遥控接收器中输出图12中的波形，另外调整发射电阻R2的大小，可以改变红外线发射的作用距离。
在完成硬件的检查后，主要进行软件调试。
电机控制系统的调试主要是对可控硅延时调整，电机停机和5档转速的移相角控制延时。
经调试后确定如下：
停机时的移相角控制延时：
256µs×26H＝9728µs；
1档转速（默认、最慢转速），移相角控制延时：
256µs×1CH=7168µs；
2档速，移相角控制延时：
256µs×19H＝6400µs；
3档速，移相角控制延时：
256µs×16H=5632µs；
4档速，移相角控制延时：
256µs×12H=4608µs；
5档速（最快转速），移相角控制延时：
256µs×0EH=3584µs。
5.2系统性能
系统性能指标，调试后测试达到：
．最大遥控距离：
10m；
．发射接收角：
水平最大90°；
．遥控器发射时工作电流：
8mA；
．遥控器静态电流：
0.6mA；
．电机控制系统最大输出电压（5档转速）：
交流220V；
．电机控制系统最小输出电压（1档转速）：
交流50V；
．电机控制系统停止输出电压：
0V。
6结论
本单片机遥控系统采用对红外线编码及译码方案，硬件与软件相结合，实现了对直流电机的遥控。
该系统用220V交流电源，供电方便；电机有5个转速，操作切换方便；其设计思想适合于一切需要应用到遥控的电器系统，是自行设计带遥控功能的控制系统的理想方案。
例如可以设计出遥控照明灯，可进行多档调光。
采用红外线遥控方式时，距离、角度等使用效果受一定的限制。
如果采用调频或调幅发射接收，则发射距离会更远，接收将不受角度的影响。
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[11]
[12]http:
//www.kj-
[13]
致谢
附录
（1）电机遥控系统硬件元件清单
编号
组件名称
规格
数量（单位：
个）
1
电阻
20Ω、390Ω、2.7KΩ、4.7KΩ、680KΩ
各1只
2
电阻
12KΩ、120KΩ
各2只
3
电阻
10KΩ、1KΩ、10Ω
各3只
4
电容
30PF
4只
5
电容
0.01μF、220μF、47μF
各1只
6
电容
10μF
2只
7
电容
0.1μF
3只
8
开关
琴键式按钮开关
8只
9
红外发光二极管
TR403B
1只
10
发光二极管
FG112001
2只
11
普通二极管
IN4007
10只
12
稳压二极管
2DW232
1只
13
NPN型三极管
9013、9014
各10只
14
升级会员 