一種環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

謝永超，嚴(yán) 俊,2，楊 利

(1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 控制學(xué)院，湖南 株洲 412001；2.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083)

0 引言

伴隨著在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(IoT技術(shù))、模糊控制等智能控制算法以及集成電子技術(shù)的飛速發(fā)展，先期基于模擬電子器件的家用電子電器逐漸被基于數(shù)字電子器件的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化家居所替代?，F(xiàn)如今，智能家居的智能核心控制器的研究是IoT技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)，更是提升未來生活品質(zhì)的必然選擇。而智能家居領(lǐng)域中的智能窗簾需要根據(jù)光線強(qiáng)度、雨滴等環(huán)境因素自適應(yīng)控制窗簾的開關(guān)，其在智能家居及其控制系統(tǒng)中扮演極其重要的角色。翟國軍介紹了基于STM32核心控制器的智能窗簾相關(guān)控制技術(shù)應(yīng)用情況[1]。王睿錚、黃鑫皓等人采用mini stm32f407作為核心控制系統(tǒng)，設(shè)計了一個能實(shí)現(xiàn)窗簾自動升降和手動控制的智能控制系統(tǒng)[2]。陳心怡、謝鎮(zhèn)域等人設(shè)計了一款能夠根據(jù)室外環(huán)境光線強(qiáng)度來自動控制窗簾的開啟與關(guān)閉的控制器[3]。同時，智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也追隨IoT技術(shù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步發(fā)生了翻天覆地的改變。智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中溫室大棚自動控制系統(tǒng)需要根據(jù)日照強(qiáng)度、雨滴情況和溫度等環(huán)境因素自適應(yīng)控制溫室大棚隔熱層等負(fù)載的開關(guān)。何文靜、肖紫蕓和肖玲玲等人運(yùn)用單片機(jī)小系統(tǒng)(STC12C5A60S2)作為核心控制芯片，利用ESP8266與TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)和移動負(fù)載的通信，系統(tǒng)使用者可以借助系統(tǒng)配備的液晶顯示屏(LCD1602)或手機(jī)、平板電腦等移動設(shè)備實(shí)時觀看環(huán)境參數(shù)[4]。智能家居、智慧農(nóng)業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)χ绷麟姍C(jī)的環(huán)境自適應(yīng)控制需求迫切，但是現(xiàn)有的產(chǎn)品缺乏對環(huán)境的自適應(yīng)控制[5-18]。針對上述研究現(xiàn)狀需求，本文設(shè)計了一種基于單片機(jī)小系統(tǒng)(AT89C51)的環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)。

1 環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計

設(shè)計了一種以STC89C51單片機(jī)作為環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)核心，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)(DC12V、3 000 RPM、60 W)跟隨光線(其中，光線檢測的范圍為10～600 lx)、雨滴(雨滴的有無與大小)等環(huán)境因素自適應(yīng)和遠(yuǎn)程控制功能。環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)由限位開關(guān)、復(fù)位按鈕模塊、無線遙控模塊、水滴感應(yīng)模塊、直流電機(jī)控制模塊、蜂鳴器報警模塊、光線檢測模塊和單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊等組成。在設(shè)計過程中，使用SC2262/SC2272編解碼器芯片，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的遠(yuǎn)程控制和狀態(tài)指示。同時，根據(jù)環(huán)境光和水滴的變化可以控制直流電機(jī)的工作狀態(tài)，完成直流電機(jī)的自適應(yīng)智能控制，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)正常運(yùn)行的成功率≥96%。

2 環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)主控電路

單片機(jī)具有適當(dāng)?shù)耐鈬O(shè)備和應(yīng)用，由時鐘電路復(fù)位電路及單片機(jī)系統(tǒng)組成的應(yīng)用系統(tǒng)被稱為最小系統(tǒng)(如圖1所示)。時鐘電路通常使用XTAL1和XTAL2在石英晶體和兩個補(bǔ)償電容上形成，并被配置成圖1中的X1(晶振)、C1、C2。根據(jù)該情況可選擇6 MHz、12 MHz或24 MHz石英晶體、補(bǔ)償電容器的頻率。復(fù)位電路在開機(jī)后，重置操作將自動完成。在單片機(jī)操作過程中，需要手動復(fù)位來復(fù)位微控制器。充電電容C1實(shí)現(xiàn)自動復(fù)位電源。按下VCC電阻器R1按鈕可手動復(fù)位按鈕。原理如下：當(dāng)VCC電源開啟時，電容C1充電，高壓出現(xiàn)在10 K電阻上，單片機(jī)復(fù)位。幾毫秒后，C1滿，10 K電阻電流降至0，電壓為0，微控制器進(jìn)入工作狀態(tài)。工作時，按S4、C1放電，10 K電阻上的電壓，使微控制器復(fù)位。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 主控電路

2.2 水滴感應(yīng)模塊

水滴感應(yīng)模塊主要用于各種天氣狀況的監(jiān)測，并轉(zhuǎn)成數(shù)字信號和AO輸出。當(dāng)模塊接入5 V的電源后，電源指示燈(LED)亮。當(dāng)感應(yīng)板上無水滴的時候，DO的輸出是高電平，此時開關(guān)指示燈(LED)滅。當(dāng)感應(yīng)板上有水滴時，DO的輸出則為低電平，此時開關(guān)指示燈(LED)亮。如果刷掉感應(yīng)板上的水滴，則又輸出(DO)恢復(fù)為高電平。AO為模擬輸出量，其可以與單片機(jī)(AT89C51)的AD口連接，以檢測感應(yīng)板上雨量的大小。DO的輸出是數(shù)字(TTL)，其可直接與單片機(jī)(AT89C51)的I/O口連接，以檢測是否有雨。水滴感應(yīng)模塊的具體接線如圖3所示。

圖3 水滴傳感器模塊接線示意圖

2.3 遙控電路設(shè)計

環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)的遙控電路模塊采用SC2262 / 2272集成模塊，該功能模塊可以有多達(dá)12個(A0-A11)三態(tài)地址結(jié)束針(立即、高、低)和任意組合可以提供531441地址編碼和D0-D5的數(shù)據(jù)，地址碼和數(shù)據(jù)代碼的輸出17-pin系列可用于無線遙控傳輸電路。系統(tǒng)采用sc2262和sc2272遙控和接收遙控器由一個12 V電池供電，按下按鈕后連接到芯片的電源端和發(fā)射模塊，設(shè)計的目的是確保電池的耐用性。接收部分的電路如圖4所示。接收電路的輸出被NPN晶體管9013轉(zhuǎn)換為低，這使得微控制器能夠更好地識別低水平的變化。

圖4 遙控接收電路圖

遙控發(fā)射電路如圖5所示。系統(tǒng)采用SC2262作為發(fā)射芯片，向前，向后，向后發(fā)送三種字母，因此只能用于三個單發(fā)碼K1、KY2和K3。當(dāng)MCU接收到高電平信號K1和K2時，通過判斷鍵碼值執(zhí)行相應(yīng)的子程序，驅(qū)動電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，有助于控制窗簾的打開和關(guān)閉，如果按下KEY3 當(dāng)你停下來時，窗簾移到了這個位置。使用SC2272芯片接收芯片。SC2272與C2262是一種多功能的遠(yuǎn)程解碼集成電路。芯片的嵌入式數(shù)據(jù)接收器將發(fā)射芯片發(fā)射的紅外信號轉(zhuǎn)換成弱電信號，經(jīng)過放大后送至單芯片I / O端口。通過sbit程序IR = P3 ^ 2程序語句使您可以接受芯片51單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，紅外接收。 SC2272配對SC2262用于完成信號的發(fā)送，接收，過濾和解碼。

圖5 遙控發(fā)射電路圖

2.4 光線檢測模塊

環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)自動的模式具體工作流程為：根據(jù)光線的強(qiáng)度自動實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)控制的自動化。光敏電阻是由光控器制造的，光線在暗光下屏蔽，晶體管的基本電壓降至最低，最后，發(fā)射降低了10 k，輸出低電平；當(dāng)光線很亮，阻力變小，晶體管的電壓很高，晶體管打開了，發(fā)射器又高了，輸出高電平。光傳感器的原理如6所示。

圖6 光線檢測模塊電路圖

2.5 直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制模塊

環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)采用兩個繼電器吸合和狀態(tài)控制直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，驅(qū)動直流電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)(如圖7所示)。兩個繼電器使用5 V繼電器，兩個PNP型三極管9012作為繼電器的開關(guān)控制電路。電路的具體工作原理如下：當(dāng)核心控制板的P3.4/P3.5口輸出電平使得三極管Q3、Q4分別導(dǎo)通時，繼電器得電，進(jìn)而分別控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

圖7 正反轉(zhuǎn)控制模塊電路圖

2.6 指示燈顯示模塊

環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)使用4個LED指示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。系統(tǒng)開啟時默認(rèn)為自動模式，綠燈亮。當(dāng)燈亮?xí)r直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)燈光暗時直流電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)藍(lán)燈亮的時候，電機(jī)是正的。當(dāng)黃燈亮?xí)r，電機(jī)反轉(zhuǎn)。紅色LED是警報指示燈。指示燈顯示模塊電路如圖8所示。

圖8 顯示模塊接線圖

2.7 蜂鳴器模塊

環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)采用有源蜂鳴器，電路原理如圖9所示，電路主要由限流電阻R22、PNP型三極管Q7和蜂鳴器(BUZZER)組成，其主要功能是實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)停止報警。其工作原理如下：當(dāng)核心控制板的P2.0口輸出為低電平(小于電源電壓VCC)時，三極管Q7飽和導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲報警。

圖9 蜂鳴器模塊原理圖

2.8 按鍵模塊

該環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)獨(dú)立鍵盤電路如圖10所示。通過使用MCU I/O端口讀取端口來確定是否有一個按鈕。將按鍵的一端連接到地面，另一端連接到單片機(jī)的I /O端口(P1.1、P1.2、P1.3和P1.4)。在程序開始時I/O端口是高點(diǎn)平的，當(dāng)按鈕正常時，I /O端口電壓非常高。按下按鈕則接地，變?yōu)榈碗娖健?/p>

圖10 按鍵模塊

該環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)按鍵模塊主要實(shí)現(xiàn)功能切換，共設(shè)置了K1、K2、K3和K4等4個功能按鍵。其中，K1的功能主要是手動實(shí)現(xiàn)電機(jī)直流正轉(zhuǎn)/直流電機(jī)反轉(zhuǎn)的切換功能；K2的主要功能是手動控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)；K3的主要功能是手動控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)；K4的主要功能是手動控制直流電機(jī)的暫停功能。

3 環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

一種環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計過程中，首先借鑒模糊控制算法等編程思維，編制一種環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)的主程序，然后分別編制光線檢測模塊、雨滴檢測模塊、鍵盤輸入模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊等相關(guān)模塊的子程序，最終通過調(diào)用子程序和聯(lián)調(diào)實(shí)現(xiàn)程序的編制與聯(lián)調(diào)。

其中，環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件程序流程如圖12所示。首先判斷系統(tǒng)是否為智能模式，是則根據(jù)光線傳感模塊檢測到的光線的亮和暗，自動控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。否則根據(jù)按鍵模塊電路輸入的正/反轉(zhuǎn)控制按鈕的輸入信號情況，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)正/反轉(zhuǎn)的手動控制。

圖12 程序主流程圖

另外，雨滴檢測模塊的程序執(zhí)行流程與光線檢測程序執(zhí)行的流程類似。即也是首先判斷系統(tǒng)是否為智能模式，是則根據(jù)雨滴檢測模塊檢測到的雨滴的有無與大小，自動控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。否則根據(jù)雨滴情況，人工通過按鍵模塊電路輸入的正/反轉(zhuǎn)控制按鈕的輸入信號情況，也是直接實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)正/反轉(zhuǎn)的手動控制。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件和軟件調(diào)試是不可分開的2個部分，即為一個整體。環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件調(diào)試是軟件調(diào)試的基礎(chǔ)，硬件系統(tǒng)可以目測進(jìn)行，首先需要排查明顯的短路、斷路、元件焊接不緊密等錯誤，其次將軟件系統(tǒng)結(jié)合使用以進(jìn)一步排除故障。在完成了系統(tǒng)硬件、軟件的可行性調(diào)試后，開展了功能性調(diào)試。

首先進(jìn)行了環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)的啟動測試，以驗(yàn)證電源波動等異常情況能否導(dǎo)致系統(tǒng)的異?；蛘卟粏?。主要通過以20 s/次的頻率頻繁地接通或者關(guān)斷系統(tǒng)40次，經(jīng)過500次的極限測試，環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)仍然正常運(yùn)行的成功率高達(dá)96%，且系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)都能正常運(yùn)行。

然后進(jìn)行了手動控制直流電機(jī)正/反轉(zhuǎn)模式的測試，當(dāng)環(huán)境的光照強(qiáng)度的感知幅度值在10～600 lx之間變化時，該控制系統(tǒng)能夠按照設(shè)定值實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的手動控制。其方法分別通過控制按鍵模塊K1、K2、K3和K4等4個功能按鍵，分別實(shí)現(xiàn)了手動控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、正/反轉(zhuǎn)切換等功能。

最后進(jìn)行了智能自適應(yīng)控制直流電機(jī)正/反轉(zhuǎn)模式，分別通過往水滴傳感器模塊滴水、改變測試環(huán)境的光線強(qiáng)度等環(huán)境因素，測試發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境的光照強(qiáng)度的感知幅度值在10～600 lx之間變化時，完成了基于單片機(jī)小系統(tǒng)(AT89C51)的環(huán)境自適應(yīng)控制模式的功能實(shí)現(xiàn)，且雨滴感應(yīng)精度大于1/1 000滴。

因此，經(jīng)測試后表明：基于單片機(jī)小系統(tǒng)(AT89C51)的環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能。

5 結(jié)束語

本文針對智能家居、智慧農(nóng)業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)χ绷麟姍C(jī)的環(huán)境自適應(yīng)控制需求，優(yōu)化設(shè)計了一種基于單片機(jī)小系統(tǒng)(AT89C51)的環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)。該由直流電機(jī)控制系統(tǒng)由限位開關(guān)、復(fù)位按鈕模塊、無線遙控模塊、水滴感應(yīng)模塊、直流電機(jī)控制模塊、蜂鳴器報警模塊、光線檢測模塊和單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊等組成?？赏瑫r實(shí)現(xiàn)2種模式的直流電機(jī)控制模式，一是根據(jù)光線強(qiáng)度、雨滴等環(huán)境因素自適應(yīng)控制直流電機(jī)正/反轉(zhuǎn)；另一種是利用按鍵功能模塊手動控制直流電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，該環(huán)境自適應(yīng)控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)具有響應(yīng)特性好、可靠性高、成本合理等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于智能家居、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。