基于51單片機(jī)設(shè)計的比例遙控系統(tǒng)

引 言

遠(yuǎn)程控制技術(shù)又稱為遙控技術(shù)，是指實現(xiàn)對被控目標(biāo)的遙遠(yuǎn)控制，在工業(yè)控制、家用電器、無線電運(yùn)動以及兒童玩具等領(lǐng)域都有非常廣泛的應(yīng)用。遙控技術(shù)可以分為單通道遙控和多通道遙控，也可以分為開關(guān)型遙控和比例型遙控。

本文主要介紹了使用到單片機(jī)部分的控制電路，包括發(fā)射機(jī)電路和接收機(jī)電路。發(fā)射機(jī)采用電位器分壓作為比例控制信號，由4路A／D電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，各個通道數(shù)字信號連同兩路開關(guān)量由單片機(jī)進(jìn)行多通道編碼，編碼信號由串行口送出，最后由發(fā)射模塊發(fā)射。接收機(jī)主要負(fù)責(zé)把收到的信號放大并從中解調(diào)出編碼信號，最后由伺服機(jī)把接收機(jī)收到的電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機(jī)械動作，由此實現(xiàn)方向和速度的控制。

外觀上，在遙控器的發(fā)射端應(yīng)該有帶旋鈕的比例表盤，把5 V電壓平均分成360°，每一個小的度量單位就代表一定的電壓值，當(dāng)旋鈕轉(zhuǎn)動一定角度時，也就是輸入給發(fā)射單片機(jī)一定的電壓值，與此同時，發(fā)射單片機(jī)一直以一定的時間間隔去查詢當(dāng)前的速度并讀入到單片機(jī)內(nèi)部，并根據(jù)計算公式計算出模型應(yīng)該前進(jìn)的距離或者當(dāng)前應(yīng)該的速度且根據(jù)此值設(shè)置相應(yīng)的計數(shù)／定時器的初值，然后由系統(tǒng)外部驅(qū)動電路(伺服機(jī))把接收單片機(jī)收到的電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機(jī)械動作，即前進(jìn)一定距離或者作加減速運(yùn)動；當(dāng)定時器溢出產(chǎn)生中斷以后，外部相應(yīng)的驅(qū)動電路也幾乎同時發(fā)出控制信號控制模型停止任何動作。

使用比例遙控的優(yōu)點(diǎn)有很多。例如：控制靈活；可以調(diào)整遙控的距離且調(diào)整的最大距離比一般遙控遠(yuǎn)；可以根據(jù)使用者的意愿實現(xiàn)模型的速度改變；線路簡單，抗干擾能力強(qiáng)；伺服機(jī)構(gòu)(包括齒輪箱和伺服馬達(dá))簡單等等。

1 比例遙控設(shè)備的基本原理

一般比例遙控系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

圖1(a)中，鍵盤用于產(chǎn)生發(fā)射端控制信號；編碼器對控制信號進(jìn)行編碼；顯示器顯示受控對象及其受控狀態(tài)類別；發(fā)射機(jī)將操縱指令轉(zhuǎn)換為帶有控制信息的無線電信號并將此信號進(jìn)行功率放大，以滿足發(fā)射功率的要求。

圖1(b)中，解碼器將編碼信號譯成控制信號；控制器對受控對象實施控制；接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)發(fā)出的無線電信號，同時將接收到的信號放大并從中解調(diào)出編碼信號，一般和發(fā)射機(jī)配套使用。由于接收機(jī)是裝在模型上的，一般都應(yīng)該盡量做到小巧，同時還應(yīng)具有很高的靈敏度，能接收較遠(yuǎn)距離發(fā)射的無線電信號。

遙控設(shè)備的基本工作原理是：操縱者通過手中的遙控發(fā)射機(jī)(撥動發(fā)射機(jī)上的旋鈕或者搖桿)將控制模型前進(jìn)、后退、加速或減速的指令變成電信號并將其發(fā)射到空中；模型上裝載的遙控接收機(jī)收到這些電信號并由伺服舵機(jī)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機(jī)械運(yùn)動，從而實現(xiàn)對模型的遙控。

2 單片機(jī)比例遙控系統(tǒng)的具體設(shè)計

無線比例遙控系統(tǒng)主要由發(fā)射和接收兩個部分組成，發(fā)射部分完成對遙控指令的發(fā)射，接收部分完成對指令的實施。在設(shè)計時可將其分開設(shè)計。

2．1 發(fā)射電路

圖2為使用STCl2C2052AD單片機(jī)設(shè)計的比例遙控系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的主電路。由于使用了單片機(jī)，使整個電路變得非常簡潔。P1口為比例遙控信號的輸入端；通過電位器分壓得到比例控制信號，由4路A／D電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，各個通道數(shù)字信號連同兩路開關(guān)量由單片機(jī)進(jìn)行多通道編碼，編碼信號由串行口送出，最后由發(fā)射模塊發(fā)射。如果需要設(shè)計更多通道的比例遙控系統(tǒng)，可以利用其余沒有使用到的P1端口，外接電位器進(jìn)行相應(yīng)的功能擴(kuò)展。當(dāng)沒有控制信號時，P1口均為高電平。由軟件控制將P1口的控制信號(低電平有效)送到單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行相關(guān)處理。

STCl2C2052AD是20腳封裝的單時鐘／機(jī)器周期的兼容8051 RISC型CPU內(nèi)核的單片機(jī)。它是本設(shè)計的核心器件，其速度比普通的8051快12倍；功耗低；片上集成256字節(jié)的RAM；15個通用可編程I／0口，可以設(shè)置成4種模式——準(zhǔn)雙向口／弱上拉、推挽／強(qiáng)上拉、僅為輸入／高阻、開漏(其中復(fù)位后為準(zhǔn)雙向口／弱上拉模式)；片內(nèi)有EEPROM功能；共有2個16位定時器／計數(shù)器；內(nèi)部還集成了RC振蕩器，在精度要求不高時可以省略外部晶振；具有較寬的操作電壓范圍以及獨(dú)立的片內(nèi)看門狗定時器；P1．7～P1．O共8路高精度的高速電壓輸入型8位A／D轉(zhuǎn)換器，速度可以達(dá)到100 kHz，可用于溫度檢測、電池電壓檢測、頻譜檢測等等，上電復(fù)位后P1口為弱上拉型I／0口，用戶可以通過軟件設(shè)置將8路中的任何一路設(shè)置為A／D轉(zhuǎn)換(不需要作為A／D使用的端口可以繼續(xù)作為I／O口使用，需作為A／D使用的端口要先將其設(shè)置為高阻輸入模式或者開漏模式)。本設(shè)計中的單片機(jī)還可以由其他同類型的20腳封裝的51系列單片機(jī)代替，設(shè)計方法多種多樣。

2．2 接收電路

接收電路主要作用是將發(fā)射機(jī)發(fā)射出的已調(diào)的編碼指令信號接收下來，并進(jìn)行放大后送到解調(diào)電路，解調(diào)電路將已經(jīng)調(diào)制的指令編碼信號解調(diào)出來，還原為編碼信號。指令譯碼器將編碼指令信號進(jìn)行譯碼，最后由驅(qū)動電路來驅(qū)動執(zhí)行電路實現(xiàn)各種指令的操作控制。圖3為接收機(jī)主電路，發(fā)射機(jī)傳來的信號由P3．O輸入后送至P1口，由軟件控制P1的相應(yīng)端口輸出控制信號。P1口的4位A／D端口可以接到不同的控制端。由于是比例遙控，所以應(yīng)將輸出口的控制信號送到下一級比例遙控專用的伺服電路。

整個系統(tǒng)的執(zhí)行部分是由直流電動機(jī)驅(qū)動電路來完成的，主要控制模型的行進(jìn)方向和速度。單片機(jī)STCl2C2052AD既是協(xié)調(diào)整個接收機(jī)工作的控制器，又是數(shù)據(jù)處理器和運(yùn)算器，由于它直接有PWM功能，因此不需要占用單片機(jī)資源，可以直接產(chǎn)生占空比可變的脈沖信號，對橋式雙向電路驅(qū)動電動機(jī)進(jìn)行電壓控制，從而完成對電動機(jī)驅(qū)動、轉(zhuǎn)速以及前進(jìn)或后退的控制，并能夠?qū)崿F(xiàn)脈寬精確調(diào)速。

圖3中，與單片機(jī)左邊相連的部分為電動機(jī)驅(qū)動電路。該電路由2對晶體管組成一個橋式互補(bǔ)對稱電路，其中包含了電動機(jī)。電動機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成階躍型的角位移或者直線位移的變換器，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度(步距角)運(yùn)行的。當(dāng)4個晶體管均為低電平時(由芯片控制)，這4個晶體管的集電極和發(fā)射極均不能導(dǎo)通，此時電動機(jī)a端和b端均為O V，電動機(jī)不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)P3．0和P3．2為高電平，P3．1和P3．3為低電平時，晶體管T1和T3均導(dǎo)通，此時a端得到高電平，而b端與地相通，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動。除去晶體管T1和T3的壓降，電動機(jī)的兩端大概可以得到4．5 V的電壓。同樣道理，當(dāng)P3．1和P3．3為高電平，P3．O和P3．2為低電平時，b端得到高電平，而a端與地相通，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。通過該橋式電路，控制P3．O和P3．2、P3．1和P3．3端口的電平(注意：這4個端口不能全部為高電平)便可以實現(xiàn)電動機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)，即實現(xiàn)了模型的前進(jìn)或后退。為了消除電動機(jī)的電弧干擾，應(yīng)在電動機(jī)兩側(cè)加一個小電容，其值為0．1μF。

另外，設(shè)計中還要求能夠?qū)δＰ瓦M(jìn)行速度的控制。控制電動機(jī)的運(yùn)行速度，實際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出時鐘脈沖的頻率或著是換相的周期，即在升速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸增加；在減速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸減少。脈沖信號的頻率可以用軟件延時和硬件中斷兩種方法來確定：
    ①采用軟件延時，一般是根據(jù)所需的時間常數(shù)來設(shè)計一個子程序。該程序包含一定的指令，設(shè)計者要對這些指令的執(zhí)行時間進(jìn)行精確的計算，以便確定延時時間。在每次確定前進(jìn)方向之后調(diào)用一個延時子程序，待延時結(jié)束以后再執(zhí)行換向，這樣周而復(fù)始就可以發(fā)出一定頻率的CP脈沖或換向周期。延時子程序的延時時間與換向程序所用的時間和，就是CP脈沖的周期。該方法簡單，占用資源少，全部由軟件實現(xiàn)，調(diào)用不同的子程序就可以實現(xiàn)不同速度的運(yùn)行；但是，若占用CPU的時間過長，就不能在運(yùn)行時處理其他的工作，因此它比較適合簡單的控制過程。
    ②使用單片機(jī)中的定時器直接對系統(tǒng)時鐘脈沖或某一固定頻率的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)值由編程決定。定時器啟動后，定時器從裝載的初值開始對系統(tǒng)及其周期進(jìn)行加計數(shù)。當(dāng)定時器溢出時，定時器產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時中斷子程序，將電機(jī)換向子程序放在定時中斷服務(wù)程序中，定時中斷一次，電機(jī)換向一次，從而實現(xiàn)電機(jī)的速度控制。用定時中斷方式來控制電動機(jī)的速度，實際上是不斷改變定時器裝載值的大小。

2．3 單片機(jī)程序設(shè)計

由于單片機(jī)的各個引腳都有很多功能，因此在軟件程序設(shè)計中要特別注意它們的定義和對片內(nèi)特殊功能寄存器的初始化設(shè)置，以便實現(xiàn)相應(yīng)的功能。在初始化設(shè)置完成之后，開始接收第1通道數(shù)據(jù)，同時必須使接收單片機(jī)同步接收通道數(shù)據(jù)，相隔一定時間查詢第1通道當(dāng)前電壓A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果是否與查詢之前的結(jié)果相同。如果相同，則繼續(xù)發(fā)送下一個通道的數(shù)據(jù)；反之，則立即向接收機(jī)發(fā)送該通道的通道號和相應(yīng)的A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，且在延時10 ms后準(zhǔn)備發(fā)送下一個通道的數(shù)據(jù)。全部數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后再重新開始新一輪的數(shù)據(jù)查詢和發(fā)送。延時的目的在于給接收單片機(jī)留出一定的處理時間。圖4(a)所示為發(fā)射單片機(jī)程序設(shè)計流程。

接收機(jī)用接收模塊將信號接收并解調(diào)，解調(diào)后的信號送串行口由STCl2C2052AD譯碼，最后驅(qū)動控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于本設(shè)計的任務(wù)簡單，所以遙控系統(tǒng)對操作的響應(yīng)時間并沒有嚴(yán)格的要求，在A／D轉(zhuǎn)換和串行通信程序設(shè)計中可以采用查詢方式，將讀人的信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制信號，并用識別標(biāo)志位的方法識別所對應(yīng)的控制方式。接收單片機(jī)的串行口必須與發(fā)射機(jī)保持一致。由于改變的速度值可以直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號送入接收單片機(jī)的P1端口，單片機(jī)每響應(yīng)一次外部中斷，就會在對應(yīng)的中斷服務(wù)程序中根據(jù)計算公式增加或減小速度。當(dāng)電機(jī)處于正反向調(diào)速系統(tǒng)時，在正反向調(diào)速子程序中根據(jù)該速度通過計算公式可以得到單片機(jī)內(nèi)部定時／計數(shù)器的初值。在開始計數(shù)的同時，啟動相應(yīng)的控制程序驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動電路。定時時間結(jié)束的同時，停止對相應(yīng)伺服電路的驅(qū)動，回到初始化狀態(tài)，準(zhǔn)備開始接收新的信號和數(shù)據(jù)。相應(yīng)的程序流程如圖4(b)所示。

2．4 系統(tǒng)調(diào)試及抗干擾措施

在調(diào)試電路時要注意將數(shù)字信號與模擬信號隔離，即兩部分不能交叉安裝；數(shù)字信號的地線應(yīng)與模擬信號的地線分開，電源間要加去耦電路。晶體諧振器形成的干擾一般很大，應(yīng)將其外殼接地。

系統(tǒng)調(diào)試時先分別調(diào)試各個單元模塊，調(diào)通后再進(jìn)行整機(jī)調(diào)試，這樣可提高調(diào)試效率。
    隨著單片機(jī)在實際中的應(yīng)用越來越廣泛，對其可靠性的要求也越來越高。單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性由多種因素決定，其中系統(tǒng)的抗干擾性能是可靠性的重要指標(biāo)。如果外界環(huán)境中有強(qiáng)烈的電磁干擾，就必須采取抗干擾措施，否則單片機(jī)就難以穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。所以在系統(tǒng)硬件方面應(yīng)該采取必要的抗干擾措施：
    ①器件選擇。本設(shè)計中的主要功能單元選用了專門的集成芯片，這對于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性都有很大的好處。
    ②過壓保護(hù)電路。在輸入輸出通道上應(yīng)采用一過壓保護(hù)電路，以防止引入高電壓，傷害微機(jī)系統(tǒng)。過壓保護(hù)電路主要由限流電阻和穩(wěn)壓管組成。限流電阻選擇要適宜，太大會引起信號衰減，太小起不到保護(hù)穩(wěn)壓管的作用。穩(wěn)壓管的選擇也要適宜，其穩(wěn)壓值以略高于最高傳送信號電壓為宜，太低將對有效信號限幅，使信號失真。
    ③配置去耦電容。在電動機(jī)的兩端安置一個0．1μF的電容，可以消除大部分的高頻干擾。
    ④良好接地。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，接地問題將直接影響系統(tǒng)是否正常工作。

結(jié) 語

基于STC系列單片機(jī)STCl2C2052AD設(shè)計的比例遙控控制系統(tǒng)，由于采用了模塊化的設(shè)計方法，使得整個系統(tǒng)具有一定的擴(kuò)展性。系統(tǒng)中的個別電路采用數(shù)字電路也可以實現(xiàn)同樣的功能，如信號振蕩器、A／D轉(zhuǎn)換器等；但是它們在控制和性能方面都較差，硬件設(shè)計也比較麻煩。本電路采用了帶A／D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)進(jìn)行控制處理，使得整個系統(tǒng)具有簡潔、靈活自由、易于控制、穩(wěn)定性較好等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了智能化自動控制的程度，而且系統(tǒng)的性能也很好。