基于單片機的紅外遙感電機控制

盧進軍

（陜西理工學院 物理與電信工程學院，陜西 漢中 723001）

基于單片機的紅外遙感電機控制

盧進軍

（陜西理工學院 物理與電信工程學院，陜西 漢中 723001）

介紹一種基于單片機AT89S52的通過紅外遙技術來控步進電機動作的設計。系統采用模塊化設計，分為由遙控發射器、一體化接收頭組成的紅外遙感部分和電機驅動、電機組成的步進電機部分以及由4個發光二極管組成的指示燈部分。通過紅外遙控器來控制步進電機的運動，并由發光二極管來指示步進電機的運行狀態。對該系統的工作原理、硬件電路和軟件方面進行了闡述。該設計整個系統結構簡單、性能穩定、工作可靠，具有操作方便、擴展性強等特點。

紅外遙控；AT89S52；步進電機；單片機

在生活和生產上，很多的機械方面都應用到步進電機，例如洗衣機的滾筒、智能小車、數控機床、機器人等等。步進電機作為一種控制驅動元件，可以將數字信號直接轉換成角位移或線位移，并且能夠快速起動和停止。工業上多用PLC技術來控制大型步進電機，小型步進電機可用PLC控制也可通過單片機技術控制。紅外遙控技術因其低功耗、高穩定性能、強抗擾能力等優點，已在日常生產生活中已被普遍應用。

本設計是基于單片機控制的紅外遙控步進電機系統，綜合了電子技術和單片機技術，紅外遙控器發射不同的碼值，單片機通過對紅外信號的解碼來實現步進電機的正轉反轉、加速減速以及啟動停止并通過發光二極管來指示步進電機的運行狀態。該設計可作為一個小型模型，凡是需要以單片機控制想要轉動或是做簡易的機械式傳動的機構設計都可以應用這種設計，因此該設計的適用范圍非常廣泛，具有現實意義。

1 步進電機與紅外技術概述

1.1 步進電機簡介

當步進驅動器接收到一個脈沖信號時，其被驅動按照設定的方向轉動一個固定的角度，這個角度稱之為步進角。通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而能夠使其準確定位；通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而實現步進電機的調速。從技術上來說，在負載軸上加一杠桿，用彈簧秤拉動杠桿，拉力乘以力臂長度即是負載力矩M=fXs，或者根據負載特性，從理論上計算出拖動該系統負載所需的步進電機的扭矩。從成本上講，力矩越大，成本越高，若所需的電機力矩較大或超出一定的范圍（目前步進電機只標注最大靜轉距，步進電機的最大靜轉距不超過45 nm），應考慮加配減速裝置。只有選則好適合系統的步進電機，才能帶動負載并且不造成力矩或能源浪費。

1.2 紅外技術簡介

紅外通訊因為其成本低、方便連接、簡易和結構緊湊等特點，在小型移動設備中也獲得了廣泛的應用。紅外接口是新一代手機的配置標準，它能夠支持手機與電腦以及其他數字設備進行數據交流。通過紅外接口，各類移動設備可以自由進行數據交換。配備有紅外接口的手機進行無線上網非常簡單，只要設置好紅外連接協議就能直接上網，無需連接線和PCCARD。紅外接口是目前在世界上被廣泛使用的一種無線連接技術，許多硬件和軟件平臺都支持它。紅外通訊是通過數據電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉換實現無線數據的收發[1]。

就我國而言，紅外技術也已發展的很不錯了，紅外產品的生產和應用都已經非常的成熟和廣泛。從2004年起，紅外發射管在安防行業的應用越來越廣泛，主要是用在紅外一體機，紅外燈等產品上。 目前我國紅外一體機的制造集中在珠三角，大約有500家生產企業，其中以臺灣、香港等外資企業勢力較強，其產品全部外銷，而其它絕大多數是中小型私人企業，其產品以內外銷結合方式銷售，而紅外燈的制造企業以京津地區和東北地區為主，大約200家左右，其產品幾乎全部內銷。要封裝出品質好的IR發射管，首先要選好材料，主要材料是晶片、銀漿、膠水、支架等；晶片的選擇決定其功率、光衰，銀漿的選擇對其死燈現象影響較大，膠水決定其耐熱性能[2]。

2 系統設計

2.1 系統方案設計

設計以單片機AT89S52為控制核心，通過無線遙控完成對該步進電機動作控制，實現步進電機的正轉、反轉、加速、減速，即對步進電機進行有效的演示。并且通過一定的方式將步進電機的每種運行狀態清晰的指示出來。整個系統應可靠有效，操作簡便。該設計采用模塊化設計，設計中利用AT89S52單片機作為本系統的控制模塊，遙控發射器發射出紅外遙控信號，HS0038紅外接收頭接收并解調出遙控編碼脈沖，送入單片機內完成對該脈沖的解碼，然后執行相應的遙控功能，即28BYJ－48型步進電機通過驅動后進行正轉反轉或加速減速或啟動停止的相應動作。步進電機的相應動作都有對應的彩燈來指示。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2.2 系統硬件設計

控制模塊：該設計采用AT89S52單片機作為核心控制。AT89S52具有8K的系統可編程Flash存儲器，功耗低且性能高，與工業 80C51產品指令和引腳完全兼容[3]。

紅外發射/接收模塊：紅外發射模塊由紅外接收及發射電路、信號調理電路、中央控制器8031、程序及數據存儲器、鍵盤這幾部分組成。接收模塊采用的紅外接收頭是HS0038，它將接收電路、調制解調電路、低通濾波、放大電路和控制電路集為一體，共有3個引腳。

步進電機及其驅動模塊：設計用單片機來控制此步進電機的運動，通過AT89S52單片機的P0.0～P0.3輸出脈沖到ULN2003的IN1～IN4口，經信號放大后從OUT1～OUT4口分別輸出到電機的四相上[4]。步進電機及驅動模塊與單片機引腳的連接如圖2所示。

圖2 步進電機及驅動與單片機接口電路Fig.2 Interface circuit of stepper motor，drivers and MCU

彩燈指示模塊：該設計采用彩燈指示步進電機的運行狀態，彩燈為不同顏色的發光二極管。當操作遙控器控制步進電機運動時，不同的動作都有相應的指示燈點亮，用以指示電機的狀態。由于指示燈有四個，對應步進電機的四種動作，以幫助操作人員識別電機的運行狀態。指示燈部分與單片機的連接電路如圖3所示。指示燈D1亮表示步進電機正轉，D2亮表示步進電機反轉，D3亮表示步進電機加速，D4亮表示步進電機減速[5]。

圖3 指示燈與單片機接口電路Fig.3 Interface circuit of indicator lamp and MCU

系統供電部分：設計使用的適配器型號為SF－198，它可將DC220V轉為5 V，完全滿足系統的供電需求。另外，為了更好的控制系統的啟動和停止，在電源處加了一個開關。

2.3 系統軟件設計

該系統的軟件設計包括主程序部分，紅外解碼判斷部分、步進電機控制部分以及指示燈指示部分。整個程序采用C語言進行編寫，并且采用模塊化程序設計，可讀性強，主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

主程序包括系統初始化值的設置、INT0外部中斷函數和步進電機控制函數等組成。系統初始化狀態的設置內容包括對單片機的初始化以及對紅外的初始化。對單片機的初始化即初始化定時器，外部中斷。對紅外初始化即對紅外解碼標志位定義與初始化。另外，對P1口送初值決定脈沖分配方法，對速度值存儲區送初值決定步進電機的啟動速度，對方向值存儲區送初值決定步進電機旋轉方向。

紅外遙控的按鍵識別上，當在遙控發射器按下某一按鍵時，紅外接收電路解碼模塊收到對應的鍵碼值（存于27H），當主程序檢測到識別標志位S8為1，即有遙控信號時，轉至按鍵盤識別及分支控制模塊程序，以執行相應操作。該模塊主要功能為識別不同按鍵并轉向該功能鍵的控制程序。該設計紅外模塊上主要是對紅外解碼判斷子程序的設計。紅外解碼判斷子程序包括對碼值的判斷程序和外部中斷0程序，主程序初始化后，不斷檢測是否有有效遙控信號出現。當接收頭接收到遙控信號時，紅外接收頭將收到的信號送給單片機的外部中斷0，單片機進入紅外解碼中斷服務程序，對接收到得信號進行解碼，使得這些信號成為相應的碼值，若解碼失敗則重新進行解碼，若解碼成功則判斷其碼值[6]。當解出正確碼時給出標志，主程序根據標志和鍵碼值轉入步進電機控制程序進行相應的操作，去控制步進電機的正轉反轉、加速減速以及啟動停止，從而實現紅外遙控對步進電機的控制，步進電機控制程序執行完后再返回到主程序中。系統紅外解碼判斷子程序流程圖如圖5所示。

3 系統調試

3.1 系統的測試與分析

在進行實物調試前，首先應向單片機內燒寫程序，用NSP-A型燒錄器進行程序燒錄。系統的調試過程是一個不斷完善的過程，經過多次修改，最終基本達到了設計的預期目標，實現了步進電機的紅外遙控。

單片機接紅外接收頭，在未接步進電機情況下給單片機燒入一個按鍵指揮發光二極管亮滅的簡單程序用以測試紅外遙控是否能正常工作；單片機接步進電機，在未接紅外接收頭情況下給單片機燒入一個正轉和反轉一圈的簡單程序用以測試電機工作是否正常[7]。

3.2 優化系統性能的方法

該系統基本達到了預期設計目標，但是仍然可以優化，優化可以從兩方面入手，一個是硬件上，另一個是軟件方面：

提高焊接工藝，甚至制作印刷電路板，這樣可增強系統工作的可靠性。

優化軟件程序，可提高系統的整個效率，使電機動作更加迅速、更加連貫、更加穩定。

4 結束語

本設計遵循實用、簡單、可靠和低成本的原則，制作了一種紅外遙控步進電機運動的實用模型，為單片機控制的紅外遙控步進電機在產品中的開發應用提供了一個參考。通過AT89S52單片機來控制步進電機，效率高，易控制步進電機的轉速和電機的轉向。系統軟件采用結構化設計，易維護，可根據新的要求，對軟件系統進行少量的修改，使系統的功能得到一定程度的提高。隨著技術的更新發展，步進電機的控制應用前景將越來越寬闊。

圖5 紅外解碼判斷子程序流程圖Fig.5 IR decoding judging subprogram flow chart

[1]孫曉剛.基于紅外熱像儀的溫度測量技術及其應用研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學，2011.

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[4]孟英紅，齊婉玉，段學鋒.用L297，L298組成步進電機驅動電路[J].儀器儀表學報，2003（S2）:573-574.

MENG Ying-hong，QI Wan-yu，DUAN Xue-feng.Use L297 and L298 building a stepper motor driver circuit[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2003（S2）:573-574.

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LU Chao.Simulation design of step motor controlling system based on proteus[J].Research and Exploration in Laboratory，2010（6）:54-57.

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HAN Dang-qun，HUANG Jin.Thedesign method for improving the dependability of single chip microcomputer’s system[J].Microcontrollers&Embedded Systems，2005（6）:11-13.

[7]施先旺，王鵬武.發動機工況實時調節軟件設計[J].火箭推進，2012（5）：70-76.

SHIXian-wang，WANG Peng-wu.Design ofreal-time regulation software for engine power[J].Journal of Rocket Propulsion，2012（5）：70-76.

Infrared remote sensing motor control based on SCM

LU Jin-jun
（School of Physics and Telecommunication Engineering，Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723001， China）

Introduced a kind of AT89S52 devices based on single chip through infrared remote control technology to step motor design of the action.System USES modular design， divided into remote transmitters， integration by receiving head of infrared remote sensing of part and motor drive，composed of motor stepping motor parts and by four leds indicator of part.Through the infrared remote control to control the step motor sports，and by leds to indicate the step motor running.The design of the system of the work principle，the hardware circuit and software were reviewed in this paper.The whole system design of simple structure， stable performance， reliable， and is easy to operate， expandability etc.

IR；AT89S52；Stepping motor；MC

TP79

A

1674－6236（2013）04-0110-03

2012-10-17稿件編號201210117

陜西省教育廳專項科研項目（11JK1075）

盧進軍（1975—），男，陜西咸陽人，碩士，講師。研究方向：計算機應用技術、電子技術。