单片机课程设计（论文）-无线遥控电动机控制系统的软件设计.doc

无线遥控电动机控制系统的软件设计摘 要随着红外光电器件的大量出现，红外线遥控已广泛应用在家用电器、安全保卫，工业控制以及人们的日常生活等许多领域。红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，是目前使用广泛的一种近距离无线通信和遥控方式。为了满足工农业生产中对电机转速实时测控要求，本文进行红外遥控电机转向系统的设计研究，详细地分析了各功能模块的硬件电路的设计和相关软件程序的编写本设计主要包括红外线信号的收发、led指示灯、直流电动机转向控制等几个重要功能模块。首先通过对红外线遥控工作原理的分析，提出基于单片机at89c51进行编码、译码，设计了红外遥控电路，编写了红外发射和接收程序；在直流电动机的转向控制方面，本设计采用对直流电动机正负极高低电平的控制来实现电动机的转向控制；通过红外线遥控装置还可控制直流电机启动与停止。本设计采用单片机组成红外遥控电机转向系统，利用主控程序实现对直流电机正转、反转、启动、停止四种运行状态的控制，结构简单，功能强，运行可靠，可对电机转向进行良好控制。关键字： at89c51单片机；直流电动机；led；红外线遥控装置wireless remote control motor control system software designabstractas the infrared photoelectric device appeared in large numbers, infrared remote control has been widely used in household appliances, security, industrial control and peoples daily life and many other fields. infrared remote control device with small size, low power consumption, strong function, low cost, is widely used in the short distance wireless communication and remote control method. in order to meet the industrial and agricultural production of motor speed in real time measurement and control requirements, the infrared remote control electric steering system design and research, a detailed analysis of the various functional modules of the hardware circuit design and software programmingthis design mainly includes the infrared signal transceiver, led indicator, dc motor steering control of some important modules. based on the infrared remote control working principle analysis, based on the single-chip at89c51coding, decoding, design of the infrared remote control circuit, prepared by the infrared transmitting and receiving procedures; in dc motor steering control, the design used for dc motor positive and negative level control to achieve motor steering control; through the infrared remote control device can also control the dc motor start and stop.this design uses the mcu infrared remote control motor steering system, the main control procedures to achieve the dc motor is transferred, reverse, stop, start four running state control, simple structure, powerful function, reliable operation, good control of motor steering.key words： at89c51 mcu; dc motor; led; infrared remote control device目 录第一章 绪论1.1引言1.2 课题研究的意义和主要内容11.2.1 课题研究的意义1.2.2 课题主要内容1.3 课题背景本章小结第二章 设计方案2.1 系统框图设计2.2无线遥控的设计方案2.3驱动芯片的选择第三章 系统的硬件设计3.1 at89c51单片机3.1.1 简介3.1.2 主要特性3.1.5 芯片擦除3.2红外线遥控3.2.1 红外线遥控简介3.2.2 控制原理3.3直流电机3.3.1 直流电机的定义3.3.2 直流电机的分类3.3.3 直流电机控制原理第四章 系统软件设计4.1软件介绍4.2 keil软件介绍4.3 系统软件设计流程图及程序4.3.1遥控码的发射及发射端程序流程图4.3.2红外接收及接收端程序流程图4.3.3 led 的主要性能4.3.4系统流程图4.4 系统主程序4.4.1 初始化程序4.4.2 按键设计4.4.3 直流电动机正转4.4.4 直流电动机反转4.4.5 延时程序4.5 系统调试4.5.1 软件调试4.5.2 硬件调试结 论参考文献附录1附录2致 谢第一章 绪论1.1引言工业无线技术被列为我国十一五“863”计划先进制造领域“工业无线技术及网络化测控系统研究与开发”重点项目。目前已突破了基于射频环境认知和自适应跳频的高可靠通信技术、基于高精度同步和事件驱动的低能耗技术和基于空间、时间、频率多维调度的实时通信技术等核心技术。从国际角度来看，欧美等国政府多次在发展规划中指出，工业无线技术将在提高产品质量、降低生产成本、提高能源效率等方面发挥重要作用。美国能源部还将工业无线技术列为实现到2020年美国工业整体能耗降低5目标的主要技术手段之一。现代的遥控器，主要是由集成电路电板和用来产生不同讯息的按钮所组成。工业遥控器主要用于对机电设备运行进行远程控制，可广泛应用于冶金、造船、集装箱码头、机械制造、化工、建筑、工程机械、造纸、仓储等行业中，实现对诸如工业行车、塔式起重机、输送机、装载机、各种机床等各种机械中的电动机的启动、停滞、正转、反转、点动双速、多速控制。一台遥控可同时控制1-6台电机的启停、正反转。可实现一台发射器控制两台接受器或两台发射器同时控制两台接受器的功能，有效控制距离：可达150米。目前，国内工业无线遥控系统产量大致为400亿元，市场潜力和容量很大。1.2课题研究的意义和主要内容1.2.1课题研究的意义单片机自20世纪70年代问世以来，作为微计算机一个很重要的分支，应用广泛，发展迅速，已对人类产生了巨大的影响。尤其美国intel公司生产的mcs51系列单片机，由于其具有集成度高、处理功能强、可靠性好、系统结构简单、价格低廉、易于使用等优点，在我国已经得到广泛的应用，在智能仪器仪表、工业检测控制、电力电子、机电一体化等方面取得了瞩目的成果。在高压、辐射、有毒气体等环境下，直接操作生产设备会影响设备操作者的健康，甚至影响设备的成本结构为了保证生产的质量、安全和可靠性，遥控技术得到广泛的应用。红外线遥控具有体积小、方向性好、功耗低、功能强和成本低等特点，因此该控制器是选用红外线遥控技术，并结合单片机，针对电机系统的较远距离现场控制而进行设计、又由于电机调速范围宽，具有迟滞性，受负载影响显著，因此本设计是由单片机完成解码，并控制信号输出，从而较好地实现电机的远离现场调控，同时通过对本文利用单片机强大的控制能力设计了一个单片机控制直流电机的控制系统，这不仅使人们更了解单片机的控制功能，也了解了直流电机的功能和使用和红外线控制的有关特性，这些都为以后的研究和工作打下了很好的基础，也使我学到了更多的知识。1.2.2课题主要内容本课题主要是采用8051单片机设计红外线控制电机电路，要求可以用按钮对直流电机进行加速和减速的正反控制，且实时在数码管上显示当前的电机转速。1.3课题背景电机是现代工农业生产中不可缺少的能量变换装置，电能的产生、输送、分配和使用几乎都离不开它。可以说，电机的发明和应用开创了世界电气化的新时期。自从1812年法拉第发现了利用电磁力将电能转换成机械能的可能性，1831年又发现了将机械能装换成电能的电磁感应定律以后，各种电机相继问世。其中发明最早的是直流电机，当时已应用于照明、化学工业和城市交通运输等方面。随着用电区域和输电距离的扩大，又发明了变压器和同步电机。特别是在十九世纪末，三相同步发电机、三相变压器和三相异步电动机的出现，使得电机工业得到了更为迅速的发展1。进入二十一世纪以后，由于人们对电机理论研究的日益深入，许多新的导磁材料和绝缘材料的采用，冷却方法的改善，电机的单机容量在不断扩大，而同容量电机的外型尺寸和重量却逐渐减小，电机的性能更加提高，许多使用于各种行业和不同环境的电机新品种陆续制成。随着生产过程自动化和遥测遥控技术的发展，各种微型控制电机纷纷出现，并得到了迅速广泛的发展和应用。电机的种类很多，它们的理论分析也日益深入和完善。直流电机是工业上广泛使用的一种电机，它是旋转电机的一种，当作为电动机运行时，由直流电源供电，驱动机械负载旋转；当作为发电机运行时，由原动机驱动，供电给各种需用直流的用电装置。微型直流电机常作为自动控制装置中的元件，进行机、电信号的转换。直流发电机主要作为工业部门所需要的直流电源，曾得到长期和普遍的应用。近年来，随着电子工业的发展，用可控硅整流电源来代替直流发电机已日益广泛。但是在无交流输电网络供电而需要直流电源以及如真空冶炼等特殊需要直流供电的场合，直流电机仍然是必需的。直流电动机是拖动生产机械的一种动力设备，与交流电动机相比较，它具有良好的起动性能和调速性能，因此获得广泛的使用，并且在不断发展。随着国民经济和国防建设的发展，工业生产自动化程度的不断提高，要求直流电动机具有更高的动态特性，较大的过载能力，更宽的调速范围，较低的转动惯量,不断提高产品的可靠性,耐用性和主要技术经济指标;在某些场合则要求提高大型直流电机的单机功率;要求发展更多能适应特种用途和在特殊环境条件下使用的专用直流电机2。由于直流电机的生产不断发展，对直流电机的要求日益提高，在直流电机设计方面应该积极开展的工作是多方面的。如结合新技术、新工艺、新材料的发展，不断改进电机的结构；提高产品的系列化、部件的通用化和零件的标准化程度；扩大电子计算机在设计上的应用；进一步对直流电机的电磁场、换向、通风散热和振动噪声等问题的研究等。本章小结本章主要介绍了课题研究的背景和意义以及研究的主要内容和需要做的工作。其中，对直流电机的发展做了概述，还对单片机做了简要的介绍，并且对在设计中所需要的软件进行了了解，使我们掌握了一种画图工具和仿真工具的使用及他们的特点，对以后的工作有很大的帮助。本章的目的就是让大家对本课题有一个简单的认识第二章 设计方案2.1 系统框图设计系统框图设计如图2-1:无线接收单片机驱动芯片电机无线发射图2-1系统框图fig. 2-1 system block diagram2.2无线遥控的设计方案本设计选用的无线遥控器经验证后是高电平有效，而单片机只识别低电平所以设计中选用了74lso4六位反向器，经过反向器后设计最终按下按钮abcd对应的信号如表2-1：表2-1单片机接收到对应的无线按钮的有效值table 2-1 mcu receives the corresponding radio button value无线按扭 单片机接收有效值a 0xfeb 0xfdc 0xfbd 0xf7表2-2编码发射与接收芯片匹配table2-2 code transmitting and receiving chip matching编码发射芯片 编码接收芯片pt2262 pt2260 sc2260 sc2260 cs5211 pt2272/sc2272/cs52121.2m 无 3.3m 1.1m 1.3m 200k1.5m 无 4.3m 1.4m 1.6m 270k2.2m 无 6.2m 2m 2.4m 390k3.3m 无 9.1m 3m 3.6m 680k4.7m 1.2m 12m 4.3m 5.1m 820k根据表2-2所示，2272根据其后缀的不同 其数据输出类型可分为锁存型和瞬太型.锁存型的2272-lx在接受到有效编码后将数据输出,并将数据一直保存到下一次接收到的有效编码.而瞬态型的2272-mx在接收到有效编码后,只是将数据瞬间输出，接收结束后，并不保留。由于设计用315mhz的高频发射电路，当有按键按下时，pt2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315mhz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315mhz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于pt2262，解码pt2272的第 18脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：悬空。接正电源。接地三种状态，3的8次方为6561,所以地址编码不重复度为6561组，只有发射端 pt2262和接收端pt2272的地址编码完全相同，才能配对使用。2.3驱动芯片的选择由于直流电机需要驱动，设计中需要实现的是电机的正反转，考虑芯片uln2803不能实现的反转功能，uln2803是达林顿管输出器件，在电路中能起到大电流输出和高压输出作用，主要是应用到异步电机的驱动中，再加上单片机本身产生的pwm波带载能力很低，驱动能力不足，不能直接驱动电机,最终决定选用驱动芯片l298n。第三章 系统的硬件设计第四章 系统软件设计4.1软件介绍proteus 是单片机课堂教学的先进助手。 proteus不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。 它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。 课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于proteus提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台 随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中proteus也能茯得愈来愈广泛的应用。 使用proteus 软件进行单片机系统仿真设计, 是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力；在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用 proteus 开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用 proteus 进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。因此，proteus 有较高的推广利用价值。4.2 keil软件介绍keil是德国知名软件公司keil(现已并入ram公司)开发的微控制器软件开发平台，是目前ram内核单片机开发的主流工具。keil提供了包括c编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开放方案，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起，界面友好，易学易懂，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。因此，很多工程师十分喜欢它。 单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为cpu可以执行的机器码有两种方法，一种keil软件图标是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于mcs-51单片机的汇编软件有早期的a51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，keil软件是目前最流行开发mcs-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持keil即可看出。keil提供了包括c编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uvision）将这些部分组合在一起。运行keil软件需要pentium或以上的cpu，16mb或更多ram、20m以上空闲的硬盘空间、win98、nt、win2000、winxp等操作系统。掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用c语言编程，那么keil几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用c语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。4.3系统软件设计流程图及程序该系统的软件主要可以分成红外发射、红外接收和点击控制三部分，其中具体有单片机初始化程序、红外发射编码和红外接收解码程序和产生pwm信号等模块遥控码的发射。4.3.1遥控码的发射及发射端程序流程图当某个操作按键按下时，单片机先读出键值，然后根据键值设定遥控码的脉冲个数，再调制成38khz方波由红外线发光管发射出去。通常，红外遥控是将遥控信号（二进制脉冲码）调制成38khz的载波上，经缓冲发达后送至红外发光二极管，转化为红外信号发射出去。为了提高抗干扰性能和降低电源小号，将上述的遥控编码脉冲对频率为38khz（周期为26us）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。红外信号发射过程：首先装入发射脉冲个数（发射时为3ms脉冲，停发时为1ms脉冲），此时若发射脉冲个数为1则返回主程序，若不为1则发1ms脉冲，然后停发1ms脉冲，这样便结束整个发射过程。在实践中，采用红外遥控方式时，由于受遥控距离，角度等影响，使用效果不是很好，如采用调频或条幅发射接收码，可提高遥控距离，并且没有角度问题。图 遥控发射主程序流程图图 遥控发射器遥控码发射程序流程图4.3.2红外接收及接收端程序流程图红外遥控接收部分的主要程序和初始化程序如下：首先惊进行初始化，然后检查时否有接收标志位，若有则调用相应的操作程序，然后清零中断标志位。当红外线接收器输出脉冲帧数据时，第一位码的低电平（3ms）将启动中断程序，试试接收数据帧的操作。在数据帧接收时，将对第一位（起始位）码的码宽进行验证。若第一位低电平码的脉宽小于3ms，将作为错误码处理。当间隔位的高电平脉宽大于2ms时，结束接收，然后根据列假期a中的脉冲个数，调用相应的操作程序，执行相应输出口的操作。图 就是红外线接收器输出的一帧遥控码波形图。图 红外下接收器输出的一帧遥控码波形图图 遥控接收器主程序流程图中断过程：首先判断低电平脉冲宽度是否大于2ms，若脉宽不到3ms，则中断返回；若低电平脉宽大于2ms，则进行接收并对脉冲个数进行计数，然后判断高电平脉冲宽度是否发育2ms，若高电平脉宽不到2ms，则返回上已接收计数过程再次进行计数；若高电平买宽大于2ms，则按照统计的脉冲个数调用相应的操作程序，此时中断返回。图 遥控接收器中断程序流程图4.3.3 led 的主要性能、led 显示主要是显示所发射的所发送的信号的个数，它就实现以下的作用。当按下某一按键比方说 2 键，led会显示01 ，如果再按下2 键，led 就显示 00 。如果同时按下2个键，那么 led 就显示 02 。下面介绍 led 的主要性能。led 显示器由 7 个发光二极管组成，又叫 7 段 led 显示器，显示器中还有一个圆点型发光二极管，用于显示小数点。通过7个发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其它符号。led 显示器中的发光二极管共有两种连接方法：1. 共阳极接法把发光二极管的阳极连在一起构成共阳极。使用时供阳极接+5v 。这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不点亮。 2. 共阴极接法把发光二极管的阴极连在一起构成共阴极。使用时供阳极接+5v 。这样阳极端输高低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不点亮。在设计的电路中，采用了共阳极接法。4.3.4系统流程图图 系统流程图4.4系统主程序4.4.1 初始化程序程序中将p0.0、p0.1、p0.2、p1.0、p1.1口赋初值，程序初始化：org 30hstart:setb p0.0 /p0.0置1 setb p0.1 /p0.1置1 setb p0.2 /p0.2置1 setb p1.0 /p1.0置1 setb p1.1 /p1.1置14.4.2 按键设计按键弹起程序继续往下执行：jnb p2.0,l1 /判断p2.0是否为低电平 ajmp start /跳转到开始l1: call delay /调用延时 jnb p2.0,l1 ajmp led1 /跳转到led14.4.3 直流电动机正转直流电动机正转：p1.0置1，p1.1清0，在直流电动机正转的同时p0.1口上的指示灯闪烁：zz: jnb p2.0,l2 jnb p3.3,l4 setb p1.0 /p1.0置1clr p1.1 /p1.1清0clr p0.1 /call delay 指示灯闪烁cpl p0.1 call delay /ajmp zz4.4.4 直流电动机反转流电动机反转：p1.0清0，p1.1置1，在直流电动机正转的同时p0.2口上的指示灯闪烁：fz: jnb p2.0,l2 jnb p3.2,l3 setb p1.1 /p1.1置1clr p1.0 /p1.0清0clr p0.2 /call delay 指示灯闪烁cpl p0.2 call delay /ajmp fz4.4.5 延时程序本次设计采用的0.5秒的延时，50*20*250*2（机器周期）*1us(1个机器周期的时间)=500000us：delay:mov r5,#50loop2:mov r6,#20loop3:mov r7,#250 djnz r7,$djnz r6,loop3djnz r5,loop2retend参考文献1 吴金成著8051 单