基于51單片機設(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部分的控制電路，包括發(fā)射機電路和接收機電路。發(fā)射機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，最后由伺服機把接收機收到的電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機械動作，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)射單片機一定的電壓值，與此同時，發(fā)射單片機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)把接收單片機收到的電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機械動作，即前進(jìn)一定距離或者作加減速運動；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；伺服機構(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；接收機接收發(fā)射機發(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)射機配套使用。由于接收機是裝在模型上的，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(撥動發(fā)射機上的旋鈕或者搖桿)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收到這些電信號并由伺服舵機轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機械運動，從而實現(xiàn)對模型的遙控。

2 單片機比例遙控系統(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單片機設(shè)計的比例遙控系統(tǒng)發(fā)射機的主電路。由于使用了單片機，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)送到單片機內(nèi)部進(jìn)行相關(guān)處理。

STCl2C2052AD是20腳封裝的單時鐘／機器周期的兼容8051 RISC型CPU內(nèi)核的單片機。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)計中的單片機還可以由其他同類型的20腳封裝的51系列單片機代替，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為接收機主電路，發(fā)射機傳來的信號由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STCl2C2052AD既是協(xié)調(diào)整個接收機工作的控制器，又是數(shù)據(jù)處理器和運算器，由于它直接有PWM功能，因此不需要占用單片機資源，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)動電動機進(jìn)行電壓控制，從而完成對電動機驅(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，與單片機左邊相連的部分為電動機驅(qū)動電路。該電路由2對晶體管組成一個橋式互補對稱電路，其中包含了電動機。電動機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a端和b端均為O V，電動機不能轉(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，電動機開始轉(zhuǎn)動。除去晶體管T1和T3的壓降，電動機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。為了消除電動機的電弧干擾，應(yīng)在電動機兩側(cè)加一個小電容，其值為0．1μF。