摘要：介紹了以89C2051單片機為核心，針對步進電機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。以四相五線步進電機為研究對象，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，并送單片機進行解碼，單片機根據(jù)接收的輸入信號進行運算處理后，發(fā)出控制命令送步進驅(qū)動器，驅(qū)動步進電機工作。實現(xiàn)了步進電機的手動、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：步進電機；自動控制；手動；遙控

    步進電機是將電脈沖信號轉(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)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。由于這一關(guān)系的存在，加上步進電機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)域用步進電機來控制變的非常的簡單，更加方便用戶的應(yīng)用與掌握。
    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。本文主要研究步進電機在手動、自動控制模式下，通過增加紅外遙控模式以實現(xiàn)步進電機的多功能操作。

1 控制器組成
    為了能夠?qū)崿F(xiàn)步進電機的手動、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、電機驅(qū)動、步進電機及單片機控制器等部分組成。

    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)步進電機的定時啟動與停止；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)不同要求下步進電機的自動運行；紅外發(fā)送與接收電路主要負責(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，并送給單片機控制器進行解碼，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)信息及工作模式進行顯示；單片機控制器是系統(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。電機驅(qū)動電路接收控制器發(fā)出的控制命令，驅(qū)動步進電機實現(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LCD 1602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步進驅(qū)動器，對型號為28BYJ48型步進電機進行驅(qū)動。下面主要介紹步進電機及步進驅(qū)動器，紅外接收及時鐘電路的設(shè)計。
2．1 步進電機及步進驅(qū)動器
    (1)步進電機
    步進電機選用的是28BYJ48型四相八拍電機，電壓為DC5V—DC12V。當(dāng)對步進電機施加一系列連續(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)步進電機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。四相步進電機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1四拍(AB—BC—CD—DA—AB)，八拍(A—AB—B—BC—C—CD—D—DA—A)。
    (2)步進驅(qū)動器
    步進驅(qū)動器采用的是ULN2003驅(qū)動器，它是一個單片高電壓、高電流的達林頓晶體管陣列集成電路。它是由7對NPN達林頓管組成的，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)負載。ULN2003是大電流驅(qū)動陣列，多用于單片機、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域?qū)動繼電器等負載。輸入5VTTL電平，輸出可達500mA／50V。達林頓管并聯(lián)可以承受更大的電流，ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列。
    (3)電機驅(qū)動電路
    28BYJ48型步進電機是4相5線的步進電機，而且是減速步進電機，減速比為1：64，步進角為5．625／64度。如果需要轉(zhuǎn)一圈，那么需要360／5．625x64=4096個脈沖信號。該步進電機的耗電流為200 mA左右，采用ULN2003進行驅(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)波形輸出負脈沖數(shù)據(jù)信號。HS0038工作頻率為38 kHz，能對收到遙控信號進行放大、檢波、整形、解調(diào)．得到TTL電平的編碼信號，再送給單片機，經(jīng)單片機解碼并執(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，既減輕了單片機的工作負擔(dān)，又保證接收到的紅外信號的完整性，單片機進入睡眠后，利用外部中斷功能完成對單片機的喚醒，其接線圖如圖3所示。

    紅外發(fā)送電路可選用昂達播放器的遙控器，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32768 Hz晶振，步進電機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電機程序。下面主要介紹紅外線解碼程序。
3．1 紅外線解碼原理
    昂達播放器的遙控器產(chǎn)生的遙控編碼是連續(xù)的32位二進制碼組，其中前16位為用戶識別碼，能區(qū)別不同的電器設(shè)備，防止不同機種遙控碼互相干擾。該芯片的用戶識別碼同定高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位二進制碼，周期約為108 ms。一組碼本身的持續(xù)時間隨它包含的二進制“0”和“1”的個數(shù)不同而不同，大約在45～63 ms之間。
    當(dāng)一個鍵按下超過36 ms，振蕩器使芯片激活，將發(fā)射一組108 ms的編碼脈沖，這108 ms發(fā)射代碼由一個起始碼(9 ms)，一個結(jié)果碼(4．5 ms)，低8位地址碼(9～18 ms)，高8位地址碼(9～18 ms)，8位數(shù)據(jù)碼(9～18 ms)和這8位數(shù)據(jù)的反碼(9～18 ms)組成。如果鍵按下超過108 ms仍未松開，接下來發(fā)射的代碼(連發(fā)代碼)將僅由起始碼(9 ms)和結(jié)束碼(2．5 ms)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=18 ms
    16位地址碼的最長寬度：2．24 msX16=36 ms
    已知8位數(shù)據(jù)代碼及其8位反代碼的寬度和不變：(1．12 ms+2．24 ms)x8=27 ms。所以得32位代碼的寬度為(18 ms+27 ms)～(36 ms+27 ms)。
    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，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0．56 ms的低電平開始，不同的是高電平的寬度不同，“0”為0．56 ms，“1”為1．68 ms，所以必須根據(jù)高電平的寬度區(qū)別“0”和“1”。如果從0．56 ms低電平過后，開始延時，0．56 ms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0．56 ms長些，但又不能超過1．12 ms，否則如果該位為“0”，讀到的已是下一位的高電平，因此取(1．12 ms+0．56 ms)／2=0．84 ms最為可靠，一般取0．84 ms左右均可；根據(jù)碼的格式，應(yīng)該等待9 ms的起始碼和4．5 ms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9 ms (低電平)→等待高電平的到來→延時小于4．5 ms(高電平)→等待下一次高電平的到來→延時0．84 ms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0．84 ms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，采用步進電機作為執(zhí)行元件，89C2051單片機作為控制器，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，以紅外遙控裝置進行遙控操作，并輔以時鐘控制及狀態(tài)顯示的步進電機控制系統(tǒng)，能夠方便實現(xiàn)步進電機的手動、自動及遙控多功能操作，操作更加方便可靠。