基于單片機PWM驅(qū)動電路的智能遙控研究

林蔚

?

基于單片機PWM驅(qū)動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）

無線遙控器由TX-2B進行編碼控制按鍵，將數(shù)字脈沖信號輸入到AT89C51單片機的P1.0-P1.4口，控制單片機對應(yīng)輸出的P3.0-P3.3口的PWM信號控制功率管驅(qū)動電路，由直流電動機帶動現(xiàn)有玩具小車機械傳動裝置，實現(xiàn)遙控電動玩具車的動作功能。

遙控；小車；TX-2B/RX-2B

1　引言

無線電遙控就是指利用電磁波，對被控對象按照所預(yù)定的意圖對其內(nèi)部參數(shù)、工作狀態(tài)等進行遠距離操縱和控制。

按照人們的意識，操縱著發(fā)射機上的旋鈕或者搖桿，相當于控制模型車的指令，指令隨即轉(zhuǎn)成電信號向空中發(fā)射；裝載在模型車上的遙控接收機收到空中發(fā)射來的電信號后，伺服舵機執(zhí)行指令轉(zhuǎn)變成機械運動，這樣就實現(xiàn)對模型車的遙控[1]。此系無線電遙控設(shè)備工作的大體過程。

遙控設(shè)備的分類很多，本文介紹以下兩種分類方式。有按其發(fā)射和接受通道的數(shù)量分類[2]和調(diào)制方式分類。按照通道分，簡單地說就是發(fā)射和接受信號指令的通行道路，如前進和后退是一路；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)勞動強度、提高勞動生產(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)自動化控制中的遙控技術(shù)的應(yīng)用已愈來愈被人們重視。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)減少勞動力、實現(xiàn)自動化控制的良好途徑。無線電遙控技術(shù)及其系統(tǒng)對中國工程機械制造企業(yè)產(chǎn)生了巨大的吸引力。

2 設(shè)計框圖和設(shè)計任務(wù)

2.1 系統(tǒng)整體框架及原理

整個遙控小車系統(tǒng)是基于單片機的PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速電機驅(qū)動電路,分發(fā)射、接收模塊和小車控制模塊三個部分，設(shè)計框圖如圖1所示。

具備五種（前進、回退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和加速）獨立的無線電遙控裝置，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和不帶載波的編碼信號與相應(yīng)的射頻電路配合，實現(xiàn)5種獨立遙控開關(guān)控制功能。

圖1 基于單片機的PWM電機驅(qū)動電路的遙控小車系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2.2 發(fā)射機和接收機預(yù)計需達到的要求與技術(shù)指標

表1 預(yù)期技術(shù)指標

2.3 小車控制器預(yù)計需達到的要求與技術(shù)指標

利用單片機AT89C51編寫程序，控制小車實現(xiàn)以下狀態(tài)：

表2 控制狀態(tài)

具體設(shè)計如下：

（1）以單片機P1.0—P1.4作為輸入口，接收接收機發(fā)送過來的信號；

（2）以單片機P3.0—P3.3作為輸出口，發(fā)送信號到驅(qū)動電機部分；

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

（4）設(shè)計PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速電機驅(qū)動電路。

3 具體電路設(shè)計方案論證與選擇

3.1 自動控制模塊的設(shè)計方案論證與選擇

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

FPGA的特點是強大的資源、易于功能方面上的擴展和使用方便靈活，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。如頻率測量電路，鍵盤控制電路，顯示控制等部件。

3.1.2基于單片機技術(shù)的控制方案

與FPGA的并行處理方式相比較，單片機是通過對程序語句的順序執(zhí)行來建立與外部設(shè)備的通信和完成其內(nèi)部運算處理，從而實現(xiàn)對信號的采集、處理和輸出控制。串行處理是其最主要的特點。

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，與單片機比較其外圍電路較少，集成度高。但是單片機技術(shù)比較成熟，開發(fā)過程中可以利用的資源和工具豐富、價格便宜、成本低。鑒于本設(shè)計中，僅單片機的資源就能滿足設(shè)計的需求，不能充分體現(xiàn)FPGA高速處理的優(yōu)勢；因此本設(shè)計的控制方案模塊選用基于單片機技術(shù)的方案。單片機采用Intel公司生產(chǎn)的AT89C51，實現(xiàn)對收發(fā)模塊的控制。

4 調(diào)速電機驅(qū)動電路的設(shè)計

4.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

4.1.1馬達

在遙控電動玩具車的設(shè)計中，使用標準微型直流馬達。其工作電壓通常介于4V-6V之間。設(shè)計中考慮玩具車的設(shè)計要求，在此次設(shè)計中使用雙馬達驅(qū)動。這里所謂的雙馬達驅(qū)動具體來說：前后兩對車輪分別由兩個馬達驅(qū)動，后面的電機推動小車前進或后退，前面的電機控制小車的轉(zhuǎn)向。其中后面的驅(qū)動馬達可以考慮采用自動斷電式馬達。采用此種馬達的電動玩具車在碰到障礙物阻擋時，馬達會自動斷電，這樣可以有效防止電動機受到損壞[1]。

4.1.2驅(qū)動電路

根據(jù)要求設(shè)計簡單的驅(qū)動電路，并借以現(xiàn)成的小車機械模型，通過接收到的遙控信號實現(xiàn)小車的走動功能。

4.2 方案論證

4.2.1 L293D驅(qū)動電路

為了實現(xiàn)小車的走動控制，首先采用直流電動機驅(qū)動芯片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，該芯片通過DTL或者TTL電平控制，輸出信號易于控制電機，其額定工作電流為1A，最大可達1.5A，VSS電壓最小4.5V，最大可達36V；VS電壓最大值也是36V。L293D可以直接對電機進行控制，無須隔離電路。通過單片機的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，停止的等操作，非常方便。同時直流電機轉(zhuǎn)速可以采用SPCE061A兩路PWM控制輸出電壓，通過編程使占空比以1/16的最小間隔在1/16-14/16間變化，以實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。由L293D構(gòu)成的簡單驅(qū)動電路如圖2所示。

圖2 L293D驅(qū)動電路

缺點：在元件庫中并未有L293D芯片，基于此電路易于實現(xiàn)的特點，設(shè)計中我們盡量采用現(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)動電路

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

表3 性能指標

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

圖3 H全橋方式驅(qū)動電路

H全橋方式驅(qū)動電路如圖3所示，當PWM2、PWM4為低電平時，PWM1、PWM3為高電平時，T1、T4處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，T2、T3處于截止狀態(tài)，此時電流流向為T1→電機→T4,電機實現(xiàn)正轉(zhuǎn)；當PWM2、PWM4為高電平時，PWM1、PWM3為低電平，那么T2、T3處于飽和導(dǎo)通，T1和T4為截止狀態(tài)，電流從T2→電機→T3，電機實現(xiàn)反轉(zhuǎn)（在這里，討論電機正反轉(zhuǎn)時PWM端并不表示此端為PWM信號）。通過以上參考電路，對圖3中電路進行必要的改進，設(shè)計出基于單片機信號的直流電機驅(qū)動電路。

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

圖4 單片機PWM驅(qū)動電機電路流程

編碼前的5種狀態(tài)分別對應(yīng)相關(guān)的5個按鍵，其中當按下加速鍵時，小車處于加速狀態(tài)，若要使小車保持正常速度應(yīng)再按下加速鍵。5個按鍵中左右轉(zhuǎn)按鍵獨立于加速鍵，實際控制中不受其影響。

當操縱按鍵按下，通過無線發(fā)射電路信號傳輸?shù)綗o線接收電路部分，利用其解碼電路，將譯碼后的按鍵信號傳輸?shù)絾纹瑱C，通過單片機相關(guān)程序?qū)懭耄樌趩纹瑱C的I/O處獲得PWM信號，PWM信號通過驅(qū)動電路實現(xiàn)兩個電機的加速、前進、后退，以及左、右轉(zhuǎn)向動作。[4]

通過以上電路和信號流程分析，設(shè)計如下驅(qū)動電路，具體原理圖如圖5、圖6所示。

圖5 功率管驅(qū)動直流電機正反轉(zhuǎn)電路(a)

圖6 功率管驅(qū)動直流電機正反轉(zhuǎn)電路(b)

從設(shè)計圖進行對比分析，如表4所示。

表4 狀態(tài)分析表

圖6中當RC0和RC1取值為11時，T1、T2、T3、T4 4個功率管都導(dǎo)通，+V電源經(jīng)T1、T3和T2、T4到地，此時電機不轉(zhuǎn)動，由于T1、T2和T3、T4導(dǎo)通時內(nèi)阻很小，流過的電流很大，會導(dǎo)致功率管損壞，因此該取值為禁止狀態(tài)。那么設(shè)計圖6中，RC0和RC1同樣的取值狀態(tài)，T1和T2截止，T3與T4導(dǎo)通，加在電機兩端上的電壓差為0，電機停止不轉(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)通引起電流過大的問題，本設(shè)計選擇圖6電路。

5 結(jié)論

采用TX-2B/RX-2B的編碼/解碼電路，實現(xiàn)控制按鍵的編碼和解碼的智能遙控設(shè)計。利用串聯(lián)晶體振蕩器產(chǎn)生30MHz的載波發(fā)射，通過進行ASK振幅鍵控。控制單片機對應(yīng)輸出的P3.0-P3.3口的PWM信號控制功率管驅(qū)動電路。實現(xiàn)智能遙控動作（前進、后退、加速、左右轉(zhuǎn)）功能。

[1] 何書森.實用遙控電路原理與設(shè)計速成[M].福建:福建科學(xué)技術(shù)出版社,2002:56-63.

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

[3] 袁永明.無線電遙控技術(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)動電路遙控小車的研究[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報: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，高級實驗師，碩士。

TN832；TN851

A

1673-1417（2012）01-0001-06