一種紅外遙控式步進電機控制器的設計與實現

2020-11-26 電子產品世界

摘要：介紹了以89C2051單片機為核心，針對步進電機在手動和自動控制模式的基礎上，設計出能夠實現遙控操作的控制器。以四相五線步進電機為研究對象，以集成紅外接收器接收遙控器發來的信號作為輸入信號，並送單片機進行解碼，單片機根據接收的輸入信號進行運算處理後，發出控制命令送步進驅動器，驅動步進電機工作。實現了步進電機的手動、自動及遙控方式下的正反轉，還實現定時時鐘控制以及LCD狀態顯示等功能。
關鍵詞：步進電機；自動控制；手動；遙控

步進電機是將電脈衝信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載情況下，電機的轉速、停止的位置取決於脈衝信號的頻率和脈衝數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈衝信號，電機則轉過一個步距角。由於這一關係的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單，更加方便用戶的應用與掌握。
隨著信息技術的飛速發展，無線通信技術正在向各個領域滲透，特別是利用紅外線進行通信，無論從小型化、輕量化、還是從安全性等方面考慮，其可行性都比較高。本文主要研究步進電機在手動、自動控制模式下，通過增加紅外遙控模式以實現步進電機的多功能操作。

1 控制器組成
為了能夠實現步進電機的手動、自動及遙控等多功能操作模式，設計出如圖1所示的系統組成原理圖。由圖1知，該系統主要由傳感器、A／D轉換器、手動輸入控制、紅外線接收與發送電路、時鐘控制電路、顯示電路、電機驅動、步進電機及單片機控制器等部分組成。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/159589.htm


其中手動輸入控制電路主要用來實現系統參數的設置，以便在手動模式下控制電機的正反轉；時鐘控制電路一方面用來提供時鐘信息，另一方面可以實現步進電機的定時啟動與停止；傳感器及A／D轉換電路主要實現自動狀態時，根據外部的檢測信號，通過軟體開發實現不同要求下步進電機的自動運行；紅外發送與接收電路主要負責發送外部紅外控制信息及接收遙控器發送來的控制信息，並送給單片機控制器進行解碼，從而發出控制命令；顯示電路主要實現對系統運行過程中的狀態信息及工作模式進行顯示；單片機控制器是系統的核心部件，完成對輸入信號的採集，通過預先設置的算法進行運算、判斷及處理，並發出控制命令或輸出相應的顯示信息。電機驅動電路接收控制器發出的控制命令，驅動步進電機實現正轉或反轉。

2 硬體電路設計
根據圖1所示組成框圖，選擇89C2051單片機作為控制器，以4×4輸入鍵盤和按鈕作為手動輸入電路，選用DS1302作為時鐘電路，以LCD 1602作為輸出顯示電路，選擇HS0038作為紅外接收電路，採用PCF8591作為A／D轉換裝置，傳感器選擇了光敏元件。選用ULN2003步進驅動器，對型號為28BYJ48型步進電機進行驅動。下面主要介紹步進電機及步進驅動器，紅外接收及時鐘電路的設計。
2．1 步進電機及步進驅動器
(1)步進電機
步進電機選用的是28BYJ48型四相八拍電機，電壓為DC5V—DC12V。當對步進電機施加一系列連續不斷的控制脈衝時，它可以連續不斷地轉動。
每一個脈衝信號對應步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態改變一次，也就對應轉子轉過一定的角度(一個步距角)。當通電狀態的改變完成一個循環時，轉子轉過一個齒距。四相步進電機可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方式有單(單相繞組通電)四拍(A—B—C—D—A)，雙(雙相繞組通電1四拍(AB—BC—CD—DA—AB)，八拍(A—AB—B—BC—C—CD—D—DA—A)。
(2)步進驅動器
步進驅動器採用的是ULN2003驅動器，它是一個單片高電壓、高電流的達林頓電晶體陣列集成電路。它是由7對NPN達林頓管組成的，它的高電壓輸出特性和陰極鉗位二極體可以轉換感應負載。ULN2003是大電流驅動陣列，多用於單片機、智能儀表、PLC、數字量輸出卡等控制電路中。可直接驅動繼電器等負載。輸入5VTTL電平，輸出可達500mA／50V。達林頓管並聯可以承受更大的電流，ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列。
(3)電機驅動電路
28BYJ48型步進電機是4相5線的步進電機，而且是減速步進電機，減速比為1：64，步進角為5．625／64度。如果需要轉一圈，那麼需要360／5．625x64=4096個脈衝信號。該步進電機的耗電流為200 mA左右，採用ULN2003進行驅動，驅動埠為P1．0(A)，P1．1(B)，P1．2(C)，P1．3(D)。正轉次序：AB組-BC組-CD組-DA組(即一個脈衝，正轉5．625度)；反轉次序：AB組-AD組-CD組-CB組(即一個脈衝，正轉5．625度)，其接線原理如圖2所示。


其中MOT1～MOT4依次接單片機的P1．0～P1．3口。
2．2 紅外線接收與發送電路
紅外線接收電路選用了型號為HS0038的集成紅外接收器，靜態時輸出端輸出高電平，當接收到紅外信號後，按紅外信號的數據波形輸出負脈衝數據信號。HS0038工作頻率為38 kHz，能對收到遙控信號進行放大、檢波、整形、解調．得到TTL電平的編碼信號，再送給單片機，經單片機解碼並執行相關控制程序。
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