單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)在智能家居中的應(yīng)用

梅濤

1 前言

單片機(jī)靈活、價(jià)低的特點(diǎn)，非常適合在控制步進(jìn)電機(jī)方面使用。步進(jìn)電機(jī)的停止位置與轉(zhuǎn)速主要取決于脈沖數(shù)與脈沖信號頻率，然而卻對其負(fù)載的變化沒有影響。所以，對于步進(jìn)電機(jī)來說，在額定負(fù)載的影響下，其不存在累計(jì)誤差。因而，也正是由于這個(gè)特點(diǎn)，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等領(lǐng)域。智能家居是當(dāng)前比較前沿的科學(xué)概念。智能家居將成為未來人類起居生活的發(fā)展趨勢之一。使用步進(jìn)電機(jī)對智能家居中的窗簾進(jìn)行控制具有可行性、低成本以及便捷性等特點(diǎn)。本文將從控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件調(diào)試兩方面進(jìn)行研究，并最后通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)窗簾控制系統(tǒng)與家庭網(wǎng)關(guān)相連，從而形成完整、可遠(yuǎn)程操控的智能家居系統(tǒng)。

2 單片機(jī)控制步電系統(tǒng)的硬件設(shè)備

步電系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理。步電系統(tǒng)是通過轉(zhuǎn)化電子脈沖信號，使之成為線距差和角距差通過控制的關(guān)鍵控制元件。通常情況下，在負(fù)荷低于設(shè)定值的時(shí)候，步電系統(tǒng)的電子脈沖信息的速率以及數(shù)量控制了轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和停止運(yùn)行的具體位置。換句話說，一個(gè)電子脈沖信息對于步電系統(tǒng)就相當(dāng)于轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)步的距離。這樣就意味著，可以通過精準(zhǔn)的設(shè)定電子脈沖的數(shù)量來達(dá)到控制系統(tǒng)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)停位置的目的。通電換相來實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的目的。單片機(jī)發(fā)動(dòng)到步進(jìn)電機(jī)中步進(jìn)電機(jī)的速度與位移主要是取決于脈沖的頻率和個(gè)數(shù)。在這里，脈沖數(shù)愈大，這種情況下，那么位移相應(yīng)的就愈大。同時(shí)頻率愈大。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度就越快。在實(shí)際的智能家居控制中，要選擇合適的位移和速度來對智能家居進(jìn)行控制。

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于單片控制和中斷的設(shè)置。整體的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)通過設(shè)備初始化，將控制信號是否達(dá)到作為判斷標(biāo)志。當(dāng)控制信號到來時(shí)候，決定步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。外部中斷1則是強(qiáng)制命令步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。最后，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)到一定的程度后，就介紹，并告知用戶，已經(jīng)窗簾已經(jīng)到達(dá)預(yù)期位置。

單片機(jī)模塊。出于系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的需要，將89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)成整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵制控組件是十分必要的。89C52單片機(jī)是一種超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī)，選擇89C52單片機(jī)可以降低設(shè)計(jì)成本，提高了操作性能。這個(gè)元件應(yīng)用了存儲制造工藝加工而成，具有密度高不易損失的特點(diǎn)，尤其是與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51命令組合和外輸管件相匹配。P1口八位作為與LCM1602的數(shù)據(jù)段相連接，P2.5，P2.6，P2.7與液晶屏的RS，RW，EN相連接，控制液晶顯示屏。P3口的高四位與四個(gè)獨(dú)立按鍵相連接，讀取獨(dú)立按鍵輸入的信號。P3.2口和與門74LS21相連接，使得四個(gè)獨(dú)立按鍵任一個(gè)按鍵按下都會產(chǎn)生中斷。P2.0，P2.1，P2.2分別與L297的EN，CW，CLOCK相連接，由單片機(jī)輸出的信號控制L297中A，B，C，D四個(gè)輸出端口的高低電頻，從而由L298的四個(gè)輸出端OUT1，OUT2，OUT3，OUT4的高低電頻控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。單片機(jī)的電路圖在protel中繪制如下。

步電系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，步電系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備應(yīng)用了L297+L298的優(yōu)秀電子線路技術(shù)，具有外觀簡潔，運(yùn)轉(zhuǎn)性能優(yōu)良穩(wěn)定的特性。L297和L298組合模塊是為驅(qū)動(dòng)步電系統(tǒng)而特別創(chuàng)制的，其中L298是雙H式驅(qū)動(dòng)設(shè)備，其內(nèi)在的功率輸出元件被密封在一個(gè)獨(dú)立的石英單片上，同時(shí)，由于使用的是一樣的制造技術(shù)，這就造成了它的性能指標(biāo)具有驚人的同一性，運(yùn)轉(zhuǎn)起來非常穩(wěn)定。

電動(dòng)機(jī)可由半階梯、正常和斬波驅(qū)動(dòng)模式驅(qū)動(dòng)，并且設(shè)于晶片內(nèi)的PWM斬波線路準(zhǔn)許通過開關(guān)對電流進(jìn)行控制。該文原載于中國社會科學(xué)院文獻(xiàn)信息中心主辦的《環(huán)球市場信息導(dǎo)報(bào)》雜志http：//www.ems86.com總第539期2014年第07期-----轉(zhuǎn)載須注名來源在這里，這一個(gè)器件僅僅需要輸入信號、模式、方向、時(shí)鐘等幾個(gè)部分即可。相位主要是來自于內(nèi)部，所以能夠在很大程度上降低微處理機(jī)和程序設(shè)計(jì)的工作量。

LCD顯示模塊。液晶顯示器具有輕便、小體積、低能耗的優(yōu)點(diǎn)，這使得它能廣泛的應(yīng)用于微型顯示設(shè)備以及需要低耗能設(shè)備的系統(tǒng)當(dāng)中。本設(shè)計(jì)顯示模塊采用是長沙太陽人電子有限公司生產(chǎn)的SMC1602 LCM。其中EN，RW和RS三個(gè)引腳分別于單片機(jī)的P2.5，P2.6，P2.7三個(gè)口相連接，八個(gè)數(shù)據(jù)口分別與單片機(jī)P1口得八個(gè)數(shù)據(jù)端口相連接。

3 軟件調(diào)試

通過使用proteus7進(jìn)行仿真，可以看到將原理圖按照正確的順序連接在一起，和設(shè)計(jì)程序一并送人仿真軟件中，顧名思義，仿真就是用模擬的元器件代替實(shí)物進(jìn)行實(shí)物器件所要執(zhí)行的功能，通過正確的程序處理，我們希望得到的仿真結(jié)果是設(shè)計(jì)所需要的那樣。

利用Zigbee無線模塊與TTL/RS232電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行串口通信，最終接受家庭網(wǎng)關(guān)的指令，在此基礎(chǔ)上，并利用主控制器的調(diào)節(jié)完成開閉繼電器等相關(guān)工作。

4 Zigbee模塊與家庭網(wǎng)關(guān)的通信

本模塊采用51單片機(jī)為主控器，通過TTL/RS232電平轉(zhuǎn)換電路與Zigbee無線模塊進(jìn)行串口通信，從而接受家庭網(wǎng)關(guān)的指令。進(jìn)而通過主控制器的控制實(shí)現(xiàn)對繼電器開閉的操作。具體可以通過下面的步驟進(jìn)行：SCON=0x50； /*模式 1，接收使能*/TMOD|=0x20； /*定時(shí)器 1，方式 2*/ TH1=0xFD； /*波特率 9600*/ TL1=0xFD； TR1=1； /*啟動(dòng)定時(shí)器 */EA =1； /*打開總中斷*/ES =1； /*打開串口中斷*/ 初始化串口后，利用C51中的printf（）函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)至串口，在此基礎(chǔ)上，利用讀SBUF寄存器的方式自串口得到相應(yīng)的信息。 利用串口通信可以完成遠(yuǎn)程或局域網(wǎng)控制窗簾的開關(guān)。外部中斷中單片機(jī)的初始化如下：SCON =0x50； /*模式 1，接收使能*/TMOD |=0x20； /*定時(shí)器 1，方式 2*/ TH1 =0xFD； /*波特率設(shè)置為 9600*/ TR1 = 1； EA=1； /*全局中斷開*/ EX0=1； /*外部中斷 0 開*/IT0=0； /*電平觸發(fā)*/EX1=1； /*外部中斷 1 開*/IT1=0； /*電平觸發(fā)*/ES=1； /*打開串口中斷*/初始化結(jié)束，能夠依次利用2個(gè)外部中斷命令對其正反轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，利用這種方式，最終達(dá)到手動(dòng)控制窗簾的目的。

綜上所述，本文通過對單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的研究，分析了其在智能家居中窗簾中的應(yīng)用。通過以智能家居控制系統(tǒng)為平臺，將單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的子系統(tǒng)接入主系統(tǒng)中。從而實(shí)現(xiàn)用戶對家居窗簾的智能控制。雖然，在整體的設(shè)計(jì)上，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能家居窗簾控制的基本功能，但是鑒于人力和時(shí)間等限制，不可否認(rèn)該系統(tǒng)還有許多不完善的地方。下一步的工作重心在于測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從程序的魯棒性和硬件封裝等方面進(jìn)行思考和改進(jìn)。

（作者單位：華中科技大學(xué)文華學(xué)院）