基于嵌入式電機(jī)無線遙控設(shè)計(jì)

韓鎰戎 劉偉麗 宋昊

摘 要：為了使電機(jī)控制系統(tǒng)易于操作、運(yùn)行穩(wěn)定、操作安全、成本低廉，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式電機(jī)的無線遙控設(shè)計(jì)。本紅外遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)為控制主體。該系統(tǒng)主要分為啟動(dòng)和接收部分。采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)對直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。通過紅外線的發(fā)射模塊和接收模塊對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。本系統(tǒng)可以對直流電機(jī)進(jìn)行紅外遠(yuǎn)程遙控，使直流電機(jī)能夠進(jìn)行開關(guān)、正反轉(zhuǎn)、加速減速等動(dòng)作。經(jīng)試驗(yàn)證明，該方法簡單、可靠性高，有一定的工業(yè)實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：脈寬調(diào)制；紅外遙控；通訊方式；變頻技術(shù)；單片機(jī)

紅外遙控相對于傳統(tǒng)遙控設(shè)備兼容性強(qiáng)成本低、體積小、功耗低，所需供電的電壓低，因此在控制方面得到廣泛應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)，微電子技術(shù)的發(fā)展以及新型電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)的控制策略也發(fā)生了巨大的改變。電動(dòng)機(jī)控制策略的模擬實(shí)現(xiàn)正逐漸退出歷史舞臺，而采用微處理器、通用計(jì)算機(jī)、FPGA/CPLD、DSP控制器等現(xiàn)代手段構(gòu)成的數(shù)字控制系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。速度更快，控制更容易的紅外遙控逐漸成為遠(yuǎn)程控制的主流。本文STM32單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)編寫紅外遙控編碼程序和電機(jī)控制策略，完成了基于嵌入式的電機(jī)無線遙控設(shè)計(jì)，完成的設(shè)計(jì)顯示了較高的性能。

1 硬件選取和分析

1.1 STM32單片機(jī)的模塊選取

微處理器是電機(jī)紅外遙控設(shè)計(jì)的核心部件，我們通過選取和對比各種型號的微處理芯片的功能和價(jià)格，另外考慮到本設(shè)計(jì)的具體要求，發(fā)現(xiàn)STM32單片機(jī)以低廉的價(jià)格、強(qiáng)大的功能、不需復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，完全符合節(jié)約成本的原則，并且滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。所以，本設(shè)計(jì)用STM32單片機(jī)為中心控制器。STM32具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：內(nèi)核CortexM3，32Bit@72MHz），1.25DMIPS，地址空間4GB，片上存儲器ROM：20K1MB，RAM：8K256K。相對于51單片機(jī)，內(nèi)存大，運(yùn)行處理快，輸出口可自定選擇，更加方便快捷。

1.2 外圍電路的選擇

（1）紅外遙控：輸出控制信號，以紅外編碼形式輸出。

（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：L298N接收脈沖信號，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

（3）電源：直流5v電源。

2 設(shè)計(jì)思路

圖1 系統(tǒng)各模塊組成

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的程序分為3個(gè)部分。

（1）紅外信號采集程序：該程序主要用于將遙控的信號采集到芯片中；

（2）紅外模塊解碼：該程序旨在解析紅外編碼；

（3）PWM脈沖調(diào)制程序：該程序旨在改變脈沖輸出，改變轉(zhuǎn)速。

3 紅外接收端模塊

圖2 STM32單片機(jī)紅外遙控模塊

由圖可知，紅外接收模塊通過左端接收到外部紅外遙控編碼信號，經(jīng)PB9針腳端口輸入處理器解碼。

4 程序設(shè)計(jì)

4.1 電動(dòng)機(jī)程序設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)需要改變脈沖信號的方向，程序改變了脈沖信號的方向，達(dá)到了控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的目的。電機(jī)的加速減速過程遵循（PWM）調(diào)速原理，通過改變占空比的大小，使輸出電流大小發(fā)生改變，從而使電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度發(fā)生改變。

4.2 紅外編碼程序設(shè)計(jì)

首先對紅外遙控進(jìn)行測試，測試后發(fā)現(xiàn)紅外遙控可行，并且反應(yīng)速度符合設(shè)計(jì)要求。編寫紅外遙控的子程序并測試能否正常運(yùn)行。對紅外編碼的解析，接收后解析并傳送信號。關(guān)閉通道4，配置完成后，設(shè)計(jì)程序完成紅外編碼的解析和發(fā)送。

4.3 時(shí)鐘模塊開啟設(shè)置

開啟電機(jī)脈沖輸出時(shí)鐘GPIO口；并設(shè)置輸出信號。同理，把所需的按鍵、燈光和延時(shí)所對應(yīng)GPIOB口的時(shí)鐘打開，并對輸出的頻率和對應(yīng)接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.4 PWM脈寬調(diào)制程序

PWM是對脈沖寬度的調(diào)整，一串方波在頻率固定的情況下，方波寬度越大其平均電流越大，方波寬度小則其輸出平均電流越小，只要能夠理解這個(gè)，就可以知道調(diào)速原理。[12]通常提到脈寬調(diào)節(jié)都是表現(xiàn)在電流的調(diào)節(jié)方面，和變頻調(diào)速不是一類問題。變頻調(diào)速電路中也部分使用了脈寬技術(shù)。

5 程序文件的編譯、連接、調(diào)試及其結(jié)果

程序的設(shè)計(jì)需要運(yùn)用編程軟件對所設(shè)計(jì)程序進(jìn)行編譯檢查。本設(shè)計(jì)通過在KEIL5中對每個(gè)模塊的程序的運(yùn)行和調(diào)試，以及各模塊的調(diào)試實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)程序沒有錯(cuò)誤后，然后連接開發(fā)板通過軟硬件在線聯(lián)調(diào)，通過調(diào)試和改正每個(gè)單獨(dú)模塊的功能，最后實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的總功能。

6 總結(jié)與展望

本設(shè)計(jì)主要是使用紅外遙控發(fā)射紅外編碼，單片機(jī)紅外模塊接受編碼通過單片機(jī)被轉(zhuǎn)換成8位二進(jìn)制數(shù)字信號，并將數(shù)字信號發(fā)送到CPU處理后的脈沖控制電動(dòng)機(jī)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證反應(yīng)迅速可靠，相對于51系列單片機(jī)，可靠性高并且電路簡單易懂，優(yōu)化了控制策略。

參考文獻(xiàn)：

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項(xiàng)目：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目 名稱：信盈達(dá)CDIO協(xié)同創(chuàng)新實(shí)踐平臺（項(xiàng)目編號20170213504）