基于2.4 G的雙電機(jī)遙控船?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)

謝智陽，陳紀(jì)欽，劉錦滔

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 河源517000）

在國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)、中國制造2025、工業(yè)4.0的大背景下，無線電控制技術(shù)飛速發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)遙控［1］、農(nóng)業(yè)噴藥［2］、無線開關(guān)控制［3］和智能小車［4］等領(lǐng)域.遙控船模是通過無線電等媒介，遠(yuǎn)程控制船模前后左右運(yùn)動(dòng).現(xiàn)有的傳統(tǒng)無線遙控船模，大多功能單調(diào)，僅有簡(jiǎn)單前進(jìn)后退轉(zhuǎn)彎等功能，且無線遙控模塊頻段低，相互干擾嚴(yán)重，同時(shí)驅(qū)動(dòng)功率較小，不適合長(zhǎng)時(shí)間高頻次的工作場(chǎng)合.

鑒于現(xiàn)有傳統(tǒng)無線遙控船模技術(shù)的不足，筆者設(shè)計(jì)了一種基于2.4 G的雙電機(jī)船模控制系統(tǒng)，通過采用2.4 G頻段的發(fā)射與接收模塊，解決了多設(shè)備同時(shí)工作相互干擾問題，采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，解決了驅(qū)動(dòng)功率小的問題，更適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間高頻次的工作場(chǎng)合.

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

系統(tǒng)主要由發(fā)送端和接收端兩部分組成（見圖1）.發(fā)送端由單片機(jī)控制，主要包括功能鍵輸入模塊、數(shù)碼管顯示模塊、JF24D-TX發(fā)送模塊和LED狀態(tài)氛圍燈模塊；接收端由JF24D-RX接收模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過功能鍵的輸入，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和單電機(jī)旋轉(zhuǎn)的功能.用以記錄船模的運(yùn)行時(shí)間，并由數(shù)碼管顯示模塊顯示系統(tǒng)工作時(shí)間和系統(tǒng)倒計(jì)時(shí)功能，方便船模經(jīng)營(yíng)者有效把握船模運(yùn)行時(shí)間.

1.2 JF24D-TX/RX 2.4 G無線收發(fā)模塊

目前，家用電視遙控絕大部分采用紅外遙控，普通的中遠(yuǎn)距離遙控模型采用433 MHz，而藍(lán)牙和WIFI技術(shù)則廣泛應(yīng)用與手機(jī)、電腦等領(lǐng)域［5-7］，以LED為代表的可見光通信技術(shù)則多應(yīng)用于水下通信場(chǎng)合［8］.以NF2401為代表的2.4 G通信已廣泛應(yīng)用于工控等領(lǐng)域.2.4 G通信抗干擾能力強(qiáng)［9-11］，適合多設(shè)備在同一場(chǎng)合同時(shí)工作.

經(jīng)對(duì)比分析，采用基于2.4 G的JF24D-TX/RX 2.4 G無線收發(fā)模塊.該模塊采用學(xué)習(xí)代碼模式和模塊唯一ID號(hào)，模塊在發(fā)送端有6個(gè)輸入端口，對(duì)應(yīng)接收的6個(gè)輸出端口，6個(gè)通道可以獨(dú)立工作，不會(huì)相互干擾.

1.2.1 發(fā)射端控制電路設(shè)計(jì)

圖2為發(fā)射端控制電路，發(fā)射端控制電路以單片機(jī)位控制核心，主要包含功能鍵輸入電路、數(shù)碼管顯示模塊，JF24D-TX發(fā)射模塊和LED狀態(tài)燈電路.主控芯片采用STC12C5A60S2型單片機(jī)，是一款高速，超干擾，高性價(jià)比，功能強(qiáng)大的單片機(jī).內(nèi)部集成EEPROM，2通道PWM，8通道高速10位AD轉(zhuǎn)換電路，是一款專為電機(jī)控制和強(qiáng)干擾而設(shè)計(jì)的單片機(jī).指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍［12-13］.單片機(jī)為本系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)采集功能鍵輸入模塊的信號(hào)和輸出信號(hào)用以控制數(shù)碼管模塊、LED氛圍燈和JF24D-TX發(fā)射模塊.

圖2 發(fā)射端控制電路

功能鍵模塊用于輸入暫停、刪除、啟動(dòng)、調(diào)時(shí)、切換、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)和后退等控制信號(hào)，主要表現(xiàn)為：（1）當(dāng)按下暫停時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)處于暫停待機(jī)狀態(tài)；刪除按鈕用于刪除系統(tǒng)累計(jì)的運(yùn)行時(shí)間；開始按鈕用于啟動(dòng)系統(tǒng)工作.調(diào)時(shí)按鈕用于調(diào)整系統(tǒng)的單次運(yùn)行時(shí)間上限.（2）當(dāng)MCU接收到前進(jìn)控制信號(hào)時(shí)，MCU將高電平信號(hào)輸出到發(fā)送模塊JF24 D-TX的A1和A3端子，向A2和A4端子輸出低電平信號(hào).（3）當(dāng)MCU接收到后退控制信號(hào)時(shí)，MCU將高電平信號(hào)輸出到發(fā)送模塊JF24D-TX的A2和A4端子.向A1和A3端子輸出低電平信號(hào).（4）當(dāng)單片機(jī)接收到左轉(zhuǎn)控制信號(hào)時(shí)，單片機(jī)向發(fā)射模塊 JF24D-TX的A1端子輸出高電平信號(hào)，向A1、A3和A4端子輸出低電平信號(hào).（5）當(dāng)單片機(jī)接收到右轉(zhuǎn)控制信號(hào)時(shí)，單片機(jī)向發(fā)射模塊JF24D-TX的A3端子輸出高電平信號(hào)，向A1、A2和A4端子輸出低電平信號(hào).

其中，數(shù)碼管模塊用以顯示當(dāng)前系統(tǒng)單次的運(yùn)行時(shí)間（以倒計(jì)時(shí)的方式顯示）和累計(jì)運(yùn)行時(shí)間.LED氛圍燈用以顯示船模（車模）的運(yùn)行狀態(tài)，前進(jìn)時(shí)LED燈向前輪流閃爍，后退時(shí)LED燈會(huì)向后輪流閃爍.

1.2.2 接收端驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

目前，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路大致可分為幾種類型：具有PWM速度控制功能的H橋驅(qū)動(dòng)電路；以298 N、MC3388和TB6539為代表的H橋集成驅(qū)動(dòng)模塊；繼電器與晶體管組合的驅(qū)動(dòng)電路；兩個(gè)繼電器組成的可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)電路.綜合對(duì)比分析，本文接收端驅(qū)動(dòng)控制電路采用兩個(gè)繼電器組合而成的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，繼電器組合的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路運(yùn)行穩(wěn)定可靠、可通過電流能力強(qiáng)、無發(fā)熱現(xiàn)象，適合遙控船模的驅(qū)動(dòng)控制，見圖3.

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制程序整體架構(gòu)

采用JF24D-TX/RX作為船模系統(tǒng)的通訊模塊，該模塊集成度高，編程方式簡(jiǎn)單，無需對(duì)其進(jìn)行復(fù)雜的編程即可實(shí)現(xiàn)對(duì)船模的控制.控制程序需實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)間的存儲(chǔ)與顯示、控制開關(guān)的輸入和氛圍燈模塊顯示等功能，見圖4.

2.2 船模運(yùn)行方式控制軟件設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)船模的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過由光耦、三極管和繼電器組成的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，其運(yùn)行方式由接收模塊的B1～B4端子控制.為保證船模的正確運(yùn)行，控制軟件對(duì)船?？刂频木幊踢壿嬕姳?.據(jù)2.4 G模塊 JF24D可知，發(fā)射模塊的A1～A4端子分別對(duì)應(yīng)控制接收模塊的B1～B4端子，編程時(shí)只要正確控制發(fā)射端的A1～A4端子的邏輯狀態(tài)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)船模運(yùn)行狀態(tài)的控制，詳細(xì)的控制流程見圖5.

3 系統(tǒng)測(cè)試分析

為保證船模測(cè)試的真實(shí)性，實(shí)驗(yàn)測(cè)試在河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院校內(nèi)觀景湖進(jìn)行，并邀請(qǐng)多名適齡兒童名分別操控各自的船模.實(shí)驗(yàn)過程中，多臺(tái)船模之間各自運(yùn)行穩(wěn)定，無串頻現(xiàn)象；遙控操作實(shí)時(shí)強(qiáng)，延時(shí)小于0.2 s；在連續(xù)工作兩小時(shí)情況下，驅(qū)動(dòng)電路板無發(fā)熱現(xiàn)象.除此之外，遙控系統(tǒng)的時(shí)間存儲(chǔ)功能、氛圍燈功能和船模噴水功能均能正常工作，見圖6、圖7.

表1 船模運(yùn)行狀態(tài)控制邏輯表

圖3 接收端控制電路流程圖

圖4 控制程序整體流程圖

圖6 控制模塊實(shí)物

圖7 船模現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)遙控船模方案相比，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)有效解決了多船模同時(shí)運(yùn)行時(shí)相互干擾的問題，結(jié)合STC12C5A60S2內(nèi)部的 EEPROM模塊，將船模的運(yùn)行時(shí)間記錄下來，實(shí)現(xiàn)斷電記憶.同時(shí)利用JF24D通信模塊的簡(jiǎn)單編程功能，優(yōu)化了MCU的內(nèi)部程序，減少了驅(qū)動(dòng)電路板繼電器數(shù)量，有效地控制了電路板面積、制作成本和控制功能，保證了控制功能的多樣性和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性.經(jīng)過實(shí)地運(yùn)行，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可在遙控船?？刂祁I(lǐng)域廣泛推廣.