林蔚

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基于單片機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)電路的智能遙控研究

林蔚

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，福建 漳州 363000）

無(wú)線遙控器由TX-2B進(jìn)行編碼控制按鍵，將數(shù)字脈沖信號(hào)輸入到AT89C51單片機(jī)的P1.0-P1.4口，控制單片機(jī)對(duì)應(yīng)輸出的P3.0-P3.3口的PWM信號(hào)控制功率管驅(qū)動(dòng)電路，由直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)現(xiàn)有玩具小車(chē)機(jī)械傳動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)遙控電動(dòng)玩具車(chē)的動(dòng)作功能。

遙控；小車(chē)；TX-2B/RX-2B

1　引言

無(wú)線電遙控就是指利用電磁波，對(duì)被控對(duì)象按照所預(yù)定的意圖對(duì)其內(nèi)部參數(shù)、工作狀態(tài)等進(jìn)行遠(yuǎn)距離操縱和控制。

按照人們的意識(shí)，操縱著發(fā)射機(jī)上的旋鈕或者搖桿，相當(dāng)于控制模型車(chē)的指令，指令隨即轉(zhuǎn)成電信號(hào)向空中發(fā)射；裝載在模型車(chē)上的遙控接收機(jī)收到空中發(fā)射來(lái)的電信號(hào)后，伺服舵機(jī)執(zhí)行指令轉(zhuǎn)變成機(jī)械運(yùn)動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)對(duì)模型車(chē)的遙控[1]。此系無(wú)線電遙控設(shè)備工作的大體過(guò)程。

遙控設(shè)備的分類(lèi)很多，本文介紹以下兩種分類(lèi)方式。有按其發(fā)射和接受通道的數(shù)量分類(lèi)[2]和調(diào)制方式分類(lèi)。按照通道分，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是發(fā)射和接受信號(hào)指令的通行道路，如前進(jìn)和后退是一路；左右轉(zhuǎn)向是一路。模型用遙控設(shè)備有兩通道、四通道等多種。按照調(diào)制方式有振幅調(diào)制方式（AM）和頻率調(diào)制方式[3]（FM）等。

由于遙控技術(shù)可以降低生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率以及提高生產(chǎn)作業(yè)的安全性等諸多方面起著積極的作用，在工業(yè)自動(dòng)化控制中的遙控技術(shù)的應(yīng)用已愈來(lái)愈被人們重視。遙控技術(shù)的發(fā)展使人們享受著科學(xué)的魅力。尤其是企業(yè)減少勞動(dòng)力、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的良好途徑。無(wú)線電遙控技術(shù)及其系統(tǒng)對(duì)中國(guó)工程機(jī)械制造企業(yè)產(chǎn)生了巨大的吸引力。

2 設(shè)計(jì)框圖和設(shè)計(jì)任務(wù)

2.1 系統(tǒng)整體框架及原理

整個(gè)遙控小車(chē)系統(tǒng)是基于單片機(jī)的PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,分發(fā)射、接收模塊和小車(chē)控制模塊三個(gè)部分，設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

具備五種（前進(jìn)、回退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和加速）獨(dú)立的無(wú)線電遙控裝置，數(shù)據(jù)傳輸部分采用TX-2B／RX-2B組成的編碼/解碼電路，CMOS工藝制造，電源電壓滿足范圍Vcc =2.5～5.0V，輸出帶載波的編碼信號(hào)和不帶載波的編碼信號(hào)與相應(yīng)的射頻電路配合，實(shí)現(xiàn)5種獨(dú)立遙控開(kāi)關(guān)控制功能。

圖1 基于單片機(jī)的PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的遙控小車(chē)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2.2 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)預(yù)計(jì)需達(dá)到的要求與技術(shù)指標(biāo)

表1 預(yù)期技術(shù)指標(biāo)

2.3 小車(chē)控制器預(yù)計(jì)需達(dá)到的要求與技術(shù)指標(biāo)

利用單片機(jī)AT89C51編寫(xiě)程序，控制小車(chē)實(shí)現(xiàn)以下?tīng)顟B(tài)：

表2 控制狀態(tài)

具體設(shè)計(jì)如下：

（1）以單片機(jī)P1.0—P1.4作為輸入口，接收接收機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)；

（2）以單片機(jī)P3.0—P3.3作為輸出口，發(fā)送信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)部分；

（3）以單片機(jī)P0.0口處的發(fā)光二極管顯示狀態(tài)作參照，亮表示加速，不亮表示無(wú)加速狀態(tài)；

（4）設(shè)計(jì)PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

3 具體電路設(shè)計(jì)方案論證與選擇

3.1 自動(dòng)控制模塊的設(shè)計(jì)方案論證與選擇

3.1.1系統(tǒng)的控制核心采用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列）

FPGA的特點(diǎn)是強(qiáng)大的資源、易于功能方面上的擴(kuò)展和使用方便靈活，尤其結(jié)合了EDA，具備高效率。系統(tǒng)的多個(gè)部件可以集成到一塊芯片上，有效地減小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如頻率測(cè)量電路，鍵盤(pán)控制電路，顯示控制等部件。

3.1.2基于單片機(jī)技術(shù)的控制方案

與FPGA的并行處理方式相比較，單片機(jī)是通過(guò)對(duì)程序語(yǔ)句的順序執(zhí)行來(lái)建立與外部設(shè)備的通信和完成其內(nèi)部運(yùn)算處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集、處理和輸出控制。串行處理是其最主要的特點(diǎn)。

上述兩種控制方式除了在處理方式和處理能力(速度)上的差異外，在實(shí)現(xiàn)的效果以及復(fù)雜程度等方面也有顯著的區(qū)別。FPGA將器件功能在一塊芯片上，與單片機(jī)比較其外圍電路較少，集成度高。但是單片機(jī)技術(shù)比較成熟，開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以利用的資源和工具豐富、價(jià)格便宜、成本低。鑒于本設(shè)計(jì)中，僅單片機(jī)的資源就能滿足設(shè)計(jì)的需求，不能充分體現(xiàn)FPGA高速處理的優(yōu)勢(shì)；因此本設(shè)計(jì)的控制方案模塊選用基于單片機(jī)技術(shù)的方案。單片機(jī)采用Intel公司生產(chǎn)的AT89C51，實(shí)現(xiàn)對(duì)收發(fā)模塊的控制。

4 調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

4.1.1馬達(dá)

在遙控電動(dòng)玩具車(chē)的設(shè)計(jì)中，使用標(biāo)準(zhǔn)微型直流馬達(dá)。其工作電壓通常介于4V-6V之間。設(shè)計(jì)中考慮玩具車(chē)的設(shè)計(jì)要求，在此次設(shè)計(jì)中使用雙馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。這里所謂的雙馬達(dá)驅(qū)動(dòng)具體來(lái)說(shuō)：前后兩對(duì)車(chē)輪分別由兩個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，后面的電機(jī)推動(dòng)小車(chē)前進(jìn)或后退，前面的電機(jī)控制小車(chē)的轉(zhuǎn)向。其中后面的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)可以考慮采用自動(dòng)斷電式馬達(dá)。采用此種馬達(dá)的電動(dòng)玩具車(chē)在碰到障礙物阻擋時(shí)，馬達(dá)會(huì)自動(dòng)斷電，這樣可以有效防止電動(dòng)機(jī)受到損壞[1]。

4.1.2驅(qū)動(dòng)電路

根據(jù)要求設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路，并借以現(xiàn)成的小車(chē)機(jī)械模型，通過(guò)接收到的遙控信號(hào)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的走動(dòng)功能。

4.2 方案論證

4.2.1 L293D驅(qū)動(dòng)電路

為了實(shí)現(xiàn)小車(chē)的走動(dòng)控制，首先采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D，L293D是著名SGS公司的產(chǎn)品。為單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)，該芯片通過(guò)DTL或者TTL電平控制，輸出信號(hào)易于控制電機(jī)，其額定工作電流為1A，最大可達(dá)1.5A，VSS電壓最小4.5V，最大可達(dá)36V；VS電壓最大值也是36V。L293D可以直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)須隔離電路。通過(guò)單片機(jī)的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，停止的等操作，非常方便。同時(shí)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速可以采用SPCE061A兩路PWM控制輸出電壓，通過(guò)編程使占空比以1/16的最小間隔在1/16-14/16間變化，以實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。由L293D構(gòu)成的簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2 L293D驅(qū)動(dòng)電路

缺點(diǎn)：在元件庫(kù)中并未有L293D芯片，基于此電路易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中我們盡量采用現(xiàn)有元件制作電路，因此此電路暫不予以考慮。

4.2.2 PWM調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)選擇PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速[2]。性能指標(biāo)如表3所示。

表3 性能指標(biāo)

據(jù)以上思路，驅(qū)動(dòng)電路采用H全橋方式，該電路由達(dá)林頓管 (2個(gè)TIP132和2個(gè)TIP137)、4個(gè)IN4001二極管以及與非門(mén)組成。

圖3 H全橋方式驅(qū)動(dòng)電路

H全橋方式驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，當(dāng)PWM2、PWM4為低電平時(shí)，PWM1、PWM3為高電平時(shí)，T1、T4處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，T2、T3處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)電流流向?yàn)門(mén)1→電機(jī)→T4,電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)；當(dāng)PWM2、PWM4為高電平時(shí)，PWM1、PWM3為低電平，那么T2、T3處于飽和導(dǎo)通，T1和T4為截止?fàn)顟B(tài)，電流從T2→電機(jī)→T3，電機(jī)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)（在這里，討論電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)PWM端并不表示此端為PWM信號(hào)）。通過(guò)以上參考電路，對(duì)圖3中電路進(jìn)行必要的改進(jìn)，設(shè)計(jì)出基于單片機(jī)信號(hào)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

以上述設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，擬定驅(qū)動(dòng)電路采用PWM調(diào)速(占空比可調(diào)的脈沖)的方法實(shí)現(xiàn)，由單片機(jī)I/O口輸出控制功率管驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)，因此具體的參考電路流程框圖如圖4所示。

圖4 單片機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路流程

編碼前的5種狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)相關(guān)的5個(gè)按鍵，其中當(dāng)按下加速鍵時(shí)，小車(chē)處于加速狀態(tài)，若要使小車(chē)保持正常速度應(yīng)再按下加速鍵。5個(gè)按鍵中左右轉(zhuǎn)按鍵獨(dú)立于加速鍵，實(shí)際控制中不受其影響。

當(dāng)操縱按鍵按下，通過(guò)無(wú)線發(fā)射電路信號(hào)傳輸?shù)綗o(wú)線接收電路部分，利用其解碼電路，將譯碼后的按鍵信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，通過(guò)單片機(jī)相關(guān)程序?qū)懭?，順利在單片機(jī)的I/O處獲得PWM信號(hào)，PWM信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)的加速、前進(jìn)、后退，以及左、右轉(zhuǎn)向動(dòng)作。[4]

通過(guò)以上電路和信號(hào)流程分析，設(shè)計(jì)如下驅(qū)動(dòng)電路，具體原理圖如圖5、圖6所示。

圖5 功率管驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路(a)

圖6 功率管驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路(b)

從設(shè)計(jì)圖進(jìn)行對(duì)比分析，如表4所示。

表4 狀態(tài)分析表

圖6中當(dāng)RC0和RC1取值為11時(shí)，T1、T2、T3、T4 4個(gè)功率管都導(dǎo)通，+V電源經(jīng)T1、T3和T2、T4到地，此時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，由于T1、T2和T3、T4導(dǎo)通時(shí)內(nèi)阻很小，流過(guò)的電流很大，會(huì)導(dǎo)致功率管損壞，因此該取值為禁止?fàn)顟B(tài)。那么設(shè)計(jì)圖6中，RC0和RC1同樣的取值狀態(tài)，T1和T2截止，T3與T4導(dǎo)通，加在電機(jī)兩端上的電壓差為0，電機(jī)停止不轉(zhuǎn)。只需禁止RC0和RC1懸空狀態(tài)，避免功率管損壞。

為了防止T1～T4全部導(dǎo)通引起電流過(guò)大的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)選擇圖6電路。

5 結(jié)論

采用TX-2B/RX-2B的編碼/解碼電路，實(shí)現(xiàn)控制按鍵的編碼和解碼的智能遙控設(shè)計(jì)。利用串聯(lián)晶體振蕩器產(chǎn)生30MHz的載波發(fā)射，通過(guò)進(jìn)行ASK振幅鍵控。控制單片機(jī)對(duì)應(yīng)輸出的P3.0-P3.3口的PWM信號(hào)控制功率管驅(qū)動(dòng)電路。實(shí)現(xiàn)智能遙控動(dòng)作（前進(jìn)、后退、加速、左右轉(zhuǎn)）功能。

[1] 何書(shū)森.實(shí)用遙控電路原理與設(shè)計(jì)速成[M].福建:福建科學(xué)技術(shù)出版社,2002:56-63.

[2] 張曉東.無(wú)線電遙控模塊、組件及應(yīng)用[M].北京:新時(shí)代出版社,2001:98-106.

[3] 袁永明.無(wú)線電遙控技術(shù)[M].上海:上海教育出版社,1978:186-192.

[4] 鄭江海,林鈞峰,陳育群.基于AT89C51 PWM驅(qū)動(dòng)電路遙控小車(chē)的研究[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008(5):556-561.

（責(zé)任編輯：季平）

Research on a Remote-control of PWM Drive Base on Microchip

LIN Wei

(Electronic engineering department, Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou 363000, China)

The base-band signal, coded by TX-2B for the control key-presses on remote device, and then decoded into digital impulse signal with RX-2B. If one of the P1.0-P1.4 of the AT89C51 detects the digital impulse signal, the AT89C51 controls the PWM to drive the power magnification circuit, which controls the mini car to be forward or backward, and turn left or turn right, even accelerate.

remote-control; mini car; TX-2B/RX-2B

2012－01－15

林蔚（1973－），女，福建漳州人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士。

TN832；TN851

A

1673-1417（2012）01-0001-06