隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信技術(shù)正在向各個領(lǐng)域滲透，特別是利用紅外線進(jìn)行通信，無論從小型化、輕量化、還是從安全性等方面考慮，其可行性都比較高。本文主要研究步進(jìn)電機(jī)在手動、自動控制模式下，通過增加紅外遙控模式以實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的多功能操作。

　　摘要：介紹了以89C2051單片機(jī)為核心，針對步進(jìn)電機(jī)在手動和自動控制模式的基礎(chǔ)上，設(shè)計出能夠?qū)崿F(xiàn)遙控操作的控制器。以四相五線步進(jìn)電機(jī)為研究對象，以集成紅外接收器接收遙控器發(fā)來的信號作為輸入信號，并送單片機(jī)進(jìn)行解碼，單片機(jī)根據(jù)接收的輸入信號進(jìn)行運算處理后，發(fā)出控制命令送步進(jìn)驅(qū)動器，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)工作。實現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的手動、自動及遙控方式下的正反轉(zhuǎn)，還實現(xiàn)定時時鐘控制以及LCD狀態(tài)顯示等功能。

　　關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī),自動控制,手動,遙控

　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓�位移的開環(huán)控制元件。在非超載情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。由于這一關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單，更加方便用戶的應(yīng)用與掌握。

　　1控制器組成

　　為了能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的手動、自動及遙控等多功能操作模式，設(shè)計出如圖1所示的系統(tǒng)組成原理圖。由圖1知，該系統(tǒng)主要由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、手動輸入控制、紅外線接收與發(fā)送電路、時鐘控制電路、顯示電路、電機(jī)驅(qū)動、步進(jìn)電機(jī)及單片機(jī)控制器等部分組成。

　　其中手動輸入控制電路主要用來實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，以便在手動模式下控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；時鐘控制電路一方面用來提供時鐘信息，另一方面可以實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的定時啟動與停止；傳感器及A/D轉(zhuǎn)換電路主要實現(xiàn)自動狀態(tài)時，根據(jù)外部的檢測信號，通過軟件開發(fā)實現(xiàn)不同要求下步進(jìn)電機(jī)的自動運行；紅外發(fā)送與接收電路主要負(fù)責(zé)發(fā)送外部紅外控制信息及接收遙控器發(fā)送來的控制信息，并送給單片機(jī)控制器進(jìn)行解碼，從而發(fā)出控制命令；顯示電路主要實現(xiàn)對系統(tǒng)運行過程中的狀態(tài)信息及工作模式進(jìn)行顯示；單片機(jī)控制器是系統(tǒng)的核心部件，完成對輸入信號的采集，通過預(yù)先設(shè)置的算法進(jìn)行運算、判斷及處理，并發(fā)出控制命令或輸出相應(yīng)的顯示信息。電機(jī)驅(qū)動電路接收控制器發(fā)出的控制命令，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

　　2硬件電路設(shè)計

　　根據(jù)圖1所示組成框圖，選擇89C2051單片機(jī)作為控制器，以4×4輸入鍵盤和按鈕作為手動輸入電路，選用DS1302作為時鐘電路，以LCD1602作為輸出顯示電路，選擇HS0038作為紅外接收電路，采用PCF8591作為A/D轉(zhuǎn)換裝置，傳感器選擇了光敏元件。選用ULN2003步進(jìn)驅(qū)動器，對型號為28BYJ48型步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。下面主要介紹步進(jìn)電機(jī)及步進(jìn)驅(qū)動器，紅外接收及時鐘電路的設(shè)計。

　　2.1步進(jìn)電機(jī)及步進(jìn)驅(qū)動器

　�。�1）步進(jìn)電機(jī)

　　步進(jìn)電機(jī)選用的是28BYJ48型四相八拍電機(jī)，電壓為DC5V—DC12V。當(dāng)對步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信號對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A），雙（雙相繞組通電）四拍（AB-BC-CD-DA-AB），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）。

　�。�2）步進(jìn)驅(qū)動器

　　步進(jìn)驅(qū)動器采用的是ULN2003驅(qū)動器，它是一個單片高電壓、高電流的達(dá)林頓晶體管陣列集成電路。它是由7對NPN達(dá)林頓管組成的，它的高電壓輸出特性和陰極鉗位二極管可以轉(zhuǎn)換感應(yīng)負(fù)載。ULN2003是大電流驅(qū)動陣列，多用于單片機(jī)、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中�？芍苯域�(qū)動繼電器等負(fù)載。輸入5VTTL電平，輸出可達(dá)500mA/50V。達(dá)林頓管并聯(lián)可以承受更大的電流，ULN2003是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列。

　　（3）電機(jī)驅(qū)動電路

　　28BYJ48型步進(jìn)電機(jī)是4相5線的步進(jìn)電機(jī)，而且是減速步進(jìn)電機(jī)，減速比為1：64，步進(jìn)角為5.625/64度。如果需要轉(zhuǎn)一圈，那么需要360/5.625×64=4096個脈沖信號。該步進(jìn)電機(jī)的耗電流為200mA左右，采用ULN2003進(jìn)行驅(qū)動，驅(qū)動端口為P1.0（A），P1.1（B），P1.2（C），P1.3（D）。正轉(zhuǎn)次序：AB組–BC組--CD組--DA組（即一個脈沖，正轉(zhuǎn)5.625度）；反轉(zhuǎn)次序：AB組--AD組--CD組--CB組（即一個脈沖，正轉(zhuǎn)5.625度），其接線原理如圖2所示。

　　其中MOT1～MOT4依次接單片機(jī)的P1.0～P1.3口。

　　2.2紅外線接收與發(fā)送電路

　　紅外線接收電路選用了型號為HS0038的集成紅外接收器，靜態(tài)時輸出端輸出高電平，當(dāng)接收到紅外信號后，按紅外信號的數(shù)據(jù)波形輸出負(fù)脈沖數(shù)據(jù)信號。HS0038工作頻率為38kHz，能對收到遙控信號進(jìn)行放大、檢波、整形、解調(diào)，得到TTL電平的編碼信號，再送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)解碼并執(zhí)行相關(guān)控制程序。

　　紅外接收電路的輸出接單片機(jī)的P3.2，該口對應(yīng)的第二功能是外部中斷0（INT0），利用該口的第二功能，一旦紅外線信號到來，P3.2被拉低，單片機(jī)中止當(dāng)前的工作轉(zhuǎn)移到接收、處理紅外信號。開啟中斷功能的目的，既減輕了單片機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，又保證接收到的紅外信號的完整性，單片機(jī)進(jìn)入睡眠后，利用外部中斷功能完成對單片機(jī)的喚醒，其接線圖如圖3所示。

　　紅外發(fā)送電路可選用昂達(dá)播放器的遙控器，也可采用電視遙控器。由于系統(tǒng)簡單，采用昂達(dá)播放器的遙控器。

　　2.3時鐘電路

　　時鐘電路采用DS1302集成芯片，其主要特點是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。采用普通32768Hz晶振，步進(jìn)電機(jī)的啟閉時間都保存在DS1302自帶的RAM中，不需要單獨的EEPROM。DS1302與CPU的連接僅需要三條線，即SCLK（7）、I/O（6）、RST（5）。

　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　軟件系統(tǒng)主要包括主程序、紅外中斷子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序、時鐘控制子程序及步進(jìn)電機(jī)程序。下面主要介紹紅外線解碼程序。

　　3.1紅外線解碼原理

　　昂達(dá)播放器的遙控器產(chǎn)生的遙控編碼是連續(xù)的32位二進(jìn)制碼組，其中前16位為用戶識別碼，能區(qū)別不同的電器設(shè)備，防止不同機(jī)種遙控碼互相干擾。該芯片的用戶識別碼固定高8位地址為0BFH，低8位地址為40H；后16位為8位操作碼（功能碼）及其反碼。

　　遙控器按鍵按下后，周期性地發(fā)出同一種32位二進(jìn)制碼，周期約為108ms。一組碼本身的持續(xù)時間隨它包含的二進(jìn)制“0”和“1”的個數(shù)不同而不同，大約在45～63ms之間。

　　當(dāng)一個鍵按下超過36ms，振蕩器使芯片激活，將發(fā)射一組108ms的編碼脈沖，這108ms發(fā)射代碼由一個起始碼（9ms），一個結(jié)果碼（4.5ms），低8位地址碼（9～18ms），高8位地址碼（9～18ms），8位數(shù)據(jù)碼（9～18ms）和這8位數(shù)據(jù)的反碼（9～18ms）組成。如果鍵按下超過108ms仍未松開，接下來發(fā)射的代碼（連發(fā)代碼）將僅由起始碼（9ms）和結(jié)束碼（2.5ms）組成。

　　其代碼寬度的計算方法為：

　　16位地址碼的最短寬度：1.12×16=18ms

　　16位地址碼的最長寬度：2.24ms×16=36ms

　　已知8位數(shù)據(jù)代碼及其8位反代碼的寬度和不變：（1.12ms+2.24ms）×8=27ms。所以得32位代碼的寬度為（18ms+27ms）～（36ms+27ms）

　　解碼的關(guān)鍵是如何識別“0”和“1”，代碼格式以接收代碼為準(zhǔn)，接收代碼與發(fā)射代碼反向。從位的定義我們可以發(fā)現(xiàn)“0”、“1”均以0.56ms的低電平開始，不同的是高電平的寬度不同，“0”為0.56ms，“1”為1.68ms，所以必須根據(jù)高電平的寬度區(qū)別“0”和“1”。如果從0.56ms低電平過后，開始延時，0.56ms以后，若讀到的電平為低，說明該位為“0”，反之則為“1”，為了可靠起見，延時必須比0.56ms長些，但又不能超過1.12ms，否則如果該位為“0”，讀到的已是下一位的高電平，因此取（1.12ms+0.56ms）/2=0.84ms最為可靠，一般取0.84ms左右均可；根據(jù)碼的格式，應(yīng)該等待9ms的起始碼和4.5ms的結(jié)果碼完成后才能讀碼。

　　3.2解碼程序設(shè)計

　　根據(jù)以上分析，采用89C2051單片機(jī)實現(xiàn)紅外解解碼的思路為：有信號產(chǎn)生中斷→EA清零→延時小于9ms（低電平）→等待高電平的到來→延時小于4.5ms（高電平）→等待下一次高電平的到來→延時0.84ms左右→讀區(qū)P3.2腳電平值→再等待下一次高電平的到來→延時0.84ms左右→讀取P3.2腳電平值，依次取得32位代碼，前16位為識別碼，后18位既為8位數(shù)據(jù)碼和8位數(shù)據(jù)反碼。解碼中斷服務(wù)程序流程圖如圖4所示。

　　4結(jié)束語

　　通過系統(tǒng)調(diào)試及運行結(jié)果表明，采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，89C2051單片機(jī)作為控制器，光敏元件傳感器作為檢測元件，以手動輸入按鈕作為手動輸入信號，以紅外遙控裝置進(jìn)行遙控操作，并輔以時鐘控制及狀態(tài)顯示的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，能夠方便實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的手動、自動及遙控多功能操作，操作更加方便可靠。

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