基于雙處理器的投影機升降控制設(shè)計方案

摘 要： 提出了一種基于Atmega8 和Stm32F101 雙處理器的投影機升降控制設(shè)計方案，介紹了其電路組成、功能以及軟件流程。其中Atmega8 負責(zé)數(shù)據(jù)采集，Stm32F101 實現(xiàn)對電機的控制，處理器間通過I2C 總線進行通訊。系統(tǒng)采用了紅外遙控或外部按鍵輸入裝置控制，也可以用PC 機聯(lián)機控制。試驗驗證設(shè)計方案正確、有效，定點精度符合實用要求。

　　1 引言

　　投影機升降控制系統(tǒng)由Atmega8 數(shù)據(jù)采集電路、Stm32F101 控制電路、電動機旋轉(zhuǎn)圈數(shù)檢測模塊、紅外遙控接收發(fā)模塊、外部按鍵模塊以及外接抗干擾等電路構(gòu)成。目標(biāo)是對投影機等多媒體設(shè)備的升降控制。方案中能隨時設(shè)置投影機到達的最高點和最低點的上限值，設(shè)置完畢后無論投影機在哪個位置，當(dāng)按上升鍵時能到達設(shè)置的最高點，按下降鍵時能到達設(shè)置的最低點，按停止鍵時停止運動。采用粗調(diào)與微調(diào)相結(jié)合的操作方式，長按操作鍵3 秒時投影機連續(xù)升或降，松手時停止，主要用于粗調(diào)；短按操作鍵時投影機升或降一定距離后自動停止，用于微調(diào)。當(dāng)設(shè)置完后，用保存鍵保存設(shè)置，倘若沒有保存設(shè)置，則設(shè)置點無效。紅外遙控器既可設(shè)置運行參數(shù)，也可升降控制。

　　2 基本控制方法

　　控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于可以控制投影機升降到任意位置，升降過程是靠電動機實現(xiàn)的，升降的直線距離與電動機旋轉(zhuǎn)圈數(shù)相對應(yīng)，實現(xiàn)了對電動機旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的控制也就實現(xiàn)了升降直線距離的控制。本方案的技術(shù)突破點在于將精確直線距離控制轉(zhuǎn)化為對電動機旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的控制，電動機旋轉(zhuǎn)一圈對應(yīng)升降直線距離一毫米，本方案的直線距離控制準(zhǔn)確度為一毫米，即實現(xiàn)對電動機旋轉(zhuǎn)一圈的數(shù)字控制。電動機控制模塊中采用2 個紅外傳感器實現(xiàn)電動機旋轉(zhuǎn)圈數(shù)與旋轉(zhuǎn)方向的采集，由Atmega8 兩根I/O 引腳采集傳感器輸出的信號，引腳的電平組合信號變化狀態(tài)為00,10,11,01（順時針方向）或者00,01,11,10（逆時針方向）。本文利用motor _state 結(jié)構(gòu)體表示電機的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)體中每個元素的含義如下：

　　通過結(jié)構(gòu)體前兩個元素值比較可以知道電機是否轉(zhuǎn)動；通過3,4 元素比較可以精確定位投影位置，當(dāng)相等時產(chǎn)生中斷，命令電機停止轉(zhuǎn)動；在后2 個元素中，當(dāng)兩引腳由00 到10 時，motor _ bit _ L 第0位置一，10 到11 時，第1 位置一，11 到01 時，第2 位置一，01 到00 時，第3 位置一，所以當(dāng)?shù)?位全為1 時表示電機逆時針轉(zhuǎn)動一圈，順時針轉(zhuǎn)動一圈則由motor _ bit _ R 表示。

　　3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　控制系統(tǒng)總體上分為信號采集與電動機控制兩大部分。

　　如系統(tǒng)框圖右側(cè)Atmega8 主要用作紅外傳感器信號電平采集，當(dāng)Stm32F101 控制電機升降時，電機圈數(shù)檢測電路會通過紅外傳感器向Atmega8 輸入信號，從而判斷出電機的運行情況。左側(cè)為Stm32F101 控制電機的升降部分。命令可以分別由紅外遙控或者與PC 機聯(lián)機后的按鍵方式輸入。當(dāng)Atmega8 采集紅外傳感器信號電平時，可以通過I2C總線與Stm32F101 傳遞信息，在投影機到達目的點時發(fā)出中斷信號使Stm32F101 產(chǎn)生中斷，處理相關(guān)的操作。圖中所示，通過串口可以方便讀寫2 個E2PROM 的內(nèi)部數(shù)據(jù)。掉電保存模塊采用的是CAT24WC16,即使在運行中突然停電，也能自動保存電機停電時刻的狀態(tài)參數(shù)，即保存motor _state結(jié)構(gòu)體變量。

圖1 控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　3.1 電機圈數(shù)檢測單元

　　此單元在整個系統(tǒng)中處于重要地位，在電機轉(zhuǎn)軸一端套著半圓鐵片，置于紅外傳感器發(fā)射端和接收端之間，當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時鐵片跟著旋轉(zhuǎn)。圈數(shù)檢測單元中有兩個紅外傳感器，其中每個紅外傳感器由發(fā)射端和接收端組成。發(fā)射端和接收端之間被半圓鐵片擋住時輸出信號為低電平0,沒有擋住時輸出信號為高電平1.由于是半圓鐵片，隨著電機的不斷旋轉(zhuǎn)，Atmega8兩個引腳接收紅外傳感器信號，不斷循環(huán)地檢測兩引腳的輸入電平。當(dāng)兩引腳的輸入電平?jīng)]有變化時代表電機沒有轉(zhuǎn)動，當(dāng)變化狀態(tài)為00,10,11,01 或者00,01,11,10 時，表明電機轉(zhuǎn)動。狀態(tài)順序反映出電機順時針或者逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

　　3.2 電機控制模塊

　　圖2 是Stm32F101 對電機控制的硬件原理圖。

圖2 電機控制硬件結(jié)構(gòu)圖。

　　圖中ULN2803A 是達林頓驅(qū)動器件， 受控于Stm32F101,MOTO_UD,MOTO_ON,SPK 直接與Stm32F101 連接，它們的作用分別是控制電機升降，控制電機工作還是停止，控制蜂鳴器響停。繼電器RL303 工作時，電機工作在220V 交流下，反之則停止工作。而繼電器RL302 常開時，從圖中知道是控制電機升操作，反之常閉是對電機降操作。為了提高電機的安全性，還采取了升降保護，如圖中連接有兩個限位開關(guān)，分別是升、降限位保護，即當(dāng)?shù)竭_極限點時限位開關(guān)斷開，導(dǎo)致電機停止工作，起到保護電路的作用。

4.2 Stm32F101 軟件流程

　　上電復(fù)位后進行系統(tǒng)初始化，主函數(shù)循環(huán)執(zhí)行3個子函數(shù)，等待著外部控制命令輸入。當(dāng)接收到任意一種外部命令時，Stm32F101 使Atmega8 產(chǎn)生I2C 中斷，傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)，Atmega8 響應(yīng)正常后Stm 32F101才執(zhí)行控制電機的操作，程序流程圖如圖6 所示。

圖6 Stm32F101 軟件流程圖。

　　5 實驗結(jié)果分析

　　首先設(shè)置投影機的最低點和最高點分別為20.00cm、120.00cm,實驗中總是在投影機下降過程中斷電片刻后上電，反復(fù)記錄投影機所到達的最低點和最高點，實驗數(shù)據(jù)見表1.由測試結(jié)果可知，測量誤差在1mm 以內(nèi)，并且隨著實驗次數(shù)的增加測試數(shù)據(jù)會向下偏移。同樣可以試驗，在投影機上升過程中斷電時，隨著實驗次數(shù)的增加測試數(shù)據(jù)會向上偏移，故而在實際應(yīng)用當(dāng)中，投影機所到達設(shè)置點的誤差能確保在1mm 以內(nèi)。

表1 實驗測試數(shù)據(jù) cm

　　6 結(jié)論

　　本方案的技術(shù)突破點在于：

　　首先，Atmega8 采集紅外傳感器信號電平兩種變化狀態(tài)00,10,11,01 和00,01,11,10 及其相關(guān)算法處理，正確并且快速地獲取電機的轉(zhuǎn)動狀態(tài)和轉(zhuǎn)動圈數(shù)，實現(xiàn)了精確直線距離控制轉(zhuǎn)化為對電動機旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的控制。

　　其次，采用雙處理器，Atmega8 負責(zé)信號采集分析，Stm32F101 負責(zé)電機控制，使得實時性更高，響應(yīng)速度更快，從而穩(wěn)定性和精度性都有了明顯的提高，完全滿足投影機等多媒體設(shè)備的定位需求。

 
3.3 外部輸入模塊

　　圖3 是外部按鍵輸入模塊，圖中key_1,key_2,key_3 與Stm32F101 引腳分別相連，鍵按下時該鍵輸入為0,當(dāng)多于一個鍵同時按下時視為無效。則有效模式分別對應(yīng)110,101,011 三種狀態(tài)。當(dāng)按下其中任意一鍵時，發(fā)光二極管導(dǎo)通，發(fā)出光信號作為三極管的基極輸入，三極管導(dǎo)通，對應(yīng)Stm32F101引腳低電平，從而作出相應(yīng)處理。采用光電耦合，增強了抗干擾能力。

圖3 外部按鍵結(jié)構(gòu)圖。

　　圖4 為紅外遙控解碼模塊接口圖，D0,D1,D2,D3連到Stm32F101.紅外遙控模塊采用了解碼電路（BM2272）與編碼電路（BM2262）配合使用的一塊解碼專用集成電路。圖4 中BM2272 模塊接收BM2262紅外線傳輸方式發(fā)送來的一系列地址和數(shù)據(jù)，通過地址位進行2 次連續(xù)比較，如果發(fā)現(xiàn)沒有錯誤的碼字和不匹配的字，輸入的數(shù)據(jù)被解碼并傳送給相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳輸出，同時VT 腳輸出一個高低平的脈沖來表明一個有效地發(fā)射。

圖4 紅外模塊遙控解碼模塊接口圖。

　　4 軟件設(shè)計

　　軟件總體設(shè)計分為Atmega 8 軟件設(shè)計和Stm32F101 軟件設(shè)計。Stm32F101 收到命令后進入相關(guān)的處理函數(shù)，根據(jù)命令執(zhí)行不同的操作，同時通過I2C 總線與Atmega8 通訊。

　　4.1 Atmega8 軟件流程

　　開始后首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化，其中包括初始化定時器，串口，I2C 等，然后從E2PROM 中讀取掉電時刻保存的電機參數(shù)，完全還原電機掉電時的狀態(tài)。進入主函數(shù)后循環(huán)執(zhí)行各個子函數(shù)。當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，根據(jù)采集的電平信號更新結(jié)構(gòu)體變量，轉(zhuǎn)過一圈motor_ data 元素加1 或者減1,當(dāng)motor _ data 與motor_ over 相等時產(chǎn)生外部中斷信號使Stm32F101 發(fā)生中斷，在中斷函數(shù)體內(nèi)執(zhí)行程序使電機停止下來。

　　無論何時掉電，都會立即進入掉電保存程序，將重要參數(shù)寫進E2PROM,下次上電時完全還原電機掉電時刻的參數(shù)。由于Stm32F101 是主I2C,當(dāng)Atmege8 接收到I2C 數(shù)據(jù)時產(chǎn)生I2C 中斷，保存數(shù)據(jù)到相應(yīng)數(shù)組，同時置位相關(guān)標(biāo)志位，當(dāng)循環(huán)到I2C中斷標(biāo)志為1 時，馬上進入處理命令函數(shù)，滿足條件時中斷Stm32F101,程序流程圖如圖5 所示。

圖5 Atmega8 軟件流程圖。