红外电机控制系统在综合设计实验中的应用

崔承毅;赵冠男;王开宇;高庆华;李赞

【摘 要】针对综合设计性实验,设计基于红外通信的电机控制系统,利用红外遥控控制直流电机的运行状态.系统以STC89S52单片机为核心,红外通信协议采用RC5或NEC格式,电机驱动使用H桥或L298N芯片,利用PWM波对电机进行调速等控制,具有显示等功能.实验过程中,将实验内容层次化、开放化,增加学生的选择性和主动性,取得了良好的教学效果. 【期刊名称】《实验室科学》 【年(卷),期】2018(021)002 【总页数】4页(P1-3,7)

【关键词】红外通信;STC89S52;PWM;直流电机 【作 者】崔承毅;赵冠男;王开宇;高庆华;李赞

【作者单位】大连理工大学电工电子实验中心,辽宁大连116023;辽宁师范大学精密仪器与光电子工程学院,辽宁大连 116029;大连理工大学电工电子实验中心,辽宁大连116023;大连理工大学电工电子实验中心,辽宁大连116023;大连理工大学电工电子实验中心,辽宁大连116023 【正文语种】中 文 【中图分类】G482

实践教学是提高学生动手能力和自主创新能力的重要环节［1－3］，以单片机为

核心的综合型设计性实验具有软硬件结合、涉及内容广等特点，科学合理地设计实验内容，能够使学生的动手能力得到充分的锻炼，学生的综合素质也有相应的提高［4－6］。红外线通信是一种常用的通信和遥控手段，红外遥控设备具有体积小、功耗低、成本低等特点，因而被广泛应用于家用电器等设备上，在日常生活中随处可见。将红外通信引入到单片机综合设计实验当中，可以在增加学生兴趣的同时，让学生很好地掌握红外通信协议的相关知识以及单片机控制系统的设计方法。 “电子工程训练”是一门综合型设计性实验课程，课程要求学生自己动手设计、焊接、调试一个具有一定功能的单片机应用系统。为了更好地提高学生的实践能力，课程以STC89S52单片机为核心，设计了基于红外通信的电机控制系统，学生可以通过红外通信来对电机进行启动、停止、正转、反转、调速等控制。实验实施过程中，为了更好地锻炼学生，将实验内容层次化、开放化，充分调动学生的主动性和能动性，切实有效地提高学生的动手能力和工程实践能力。 1 系统的总体架构

红外通信电机控制系统总体框图如图1所示。系统以STC89S52单片机为控制核心，主要功能模块包括：红外信号的发送和接收；手动按键控制电机的运行状态；用来显示系统运行状态的显示模块；直流电机及其驱动电路；为了增加学生实验的主动性，系统设计中，学生可以根据自己的兴趣、能力等增加相应的扩展功能。 图1 系统总体框图 2 红外通信 2.1 红外通信的组成

红外通信系统由发射和接收两部分组成［7］，如图2所示。发射部分采用红外遥控器来实现，其采用专用的编码芯片来进行编码，通过红外发送管进行红外信号的发送。接收端由一体化红外接收头HS0038B完成红外信号的接收，并将整形后的信号传送给单片机，单片机根据红外通信协议对其进行解码。

图2 红外收发系统示意图 2.2 红外通信协议

红外通信协议有多种，常用的有两种，即RC5协议和NEC协议。 2.2.1 RC5编码

RC5协议逻辑“1”和“0”定义如图3所示。逻辑“0”和逻辑“1”的周期都是1.798ms，并且每一bit中的高低电平时间相等。前半周期为高电平，后半周期为低电平，代表逻辑“0”；前半周期为低电平，后半周期为高电平，代表逻辑“1”。高电平的载波频率为36kHz。 图3 RC5 逻辑“0”和“1”的波形

如图4所示，RC5一帧数据由14个bit位组成。14个bit依次为：两位起始位；第三位为翻转位，即每按一次按键，此位翻转一次；5位IR设备地址码；以及6位命令码；地址码和命令码都是从MSB开始发送。 图4 RC5一帧数据格式 2.2.2 NEC编码

NEC协议利用脉冲长度进行编码，逻辑“0”和逻辑“1”的定义如图5所示。逻辑“0”由脉宽为0.56ms的高电平与0.56ms的低电平组合表示，周期为1.12ms；逻辑“1”由脉宽为0.56ms的高电平与1.69ms的低电平组合表示，周期为2.25ms。逻辑中高电平的载波频率为38kHz。 图5 NEC 逻辑“0”和“1”的波形

在NEC协议中，一帧典型的NEC编码如图6所示，依次为：9ms的AGC脉冲；4.5ms的空闲；8bit的地址码和8bit的命令码。地址码和命令码发送两次，第二次发送时，将所有的位取反，来验证第一次发送消息的正确性，地址码和命令码都是LSB先于MSB发送。 图6 NEC一帧数据格式

2.3 红外接收头

红外接收头HS0038B将接收信号进行检波放大处理后，以TTL电平编码的形式输送到单片机的外部中断引脚，单片机根据相应的红外通信协议进行解码，并根据收到的码值进行相应的控制操作。示波器采集的红外接收头的串码如图7所示，需要注意的是，其接收码与发送码是反向的。 图7 红外接收头RC5串码的实测波形 3 电机驱动

由于直流电机运行时需要较大的电流，单片机引脚无法提供如此大的拉电流，因此需要电机驱动电路。驱动方式可以使用三级管H桥驱动电路，或者电机驱动芯片L298N等［8］。

一个典型的三极管H桥驱动电路如图8所示。单片机相关I／O口，通过对IN1和IN2发送不同的逻辑电平来控制电机的转向，通过发送不同占空比的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）波来控制电机的转速，实现对电机的控制。

图8 三极管H桥电路

集成芯片L298N的内部结构如图9所示。芯片内部设计了双H桥电机驱动，即可以驱动两路电机，其中，每个H桥可以提供2A的电流，驱动能力较强。 图9 L298N内部结构 4 实验教学实施及效果 4.1 实验教学实施

实验形式为一人一组，学生要完成的基本内容为：红外通信控制电机的启动、停止、正反转；利用PWM进行电机调速等控制；数码管显示；按键控制功能。为了使题目设计具有开放性，学生在设计实现基本功能的基础上，可以自主进行功能拓展，在满足题目难度要求情况下，也可以自选题目。实验中，学生根据自己的能力、喜

好选择适合自己切入点的设计内容，充分发挥自己的特点和优势，动手能力得到较好的锻炼和提高［9－11］。

系统设计过程中，在器件的选择上，也让学生进行开放式的选择。电源供电可以采用稳压整流桥、USB供电、稳压电源供电；红外通信标准可以使用RC5或NEC格式，实验室提供两种格式的遥控器；实验线路板既可以使用万能板，也可以自制线路板；显示方式可以选择四位一体数码管、点阵、LCD1602、LCD12864等。 4.2 实验教学效果

在实验教学过程中，由于充分调动了学生的主动性，学生实验的积极性得到了有效的提高，作品多种多样、功能丰富，取得了较好的教学效果，部分学生作品如下。 （1）学生自制PCB线路板，采用USB供电，三极管H桥驱动，NEC红外遥控，LCD12864显示，作品如图10所示。 图10 NEC红外电机控制系统

（2）采用RC5红外遥控，三级管H桥驱动，四位一体数码管显示，设计了音乐播放功能的电机控制系统，作品如图11所示。 图11 RC5红外电机控制系统

（3）智能小车也是电机控制系统，部分学生设计了红外遥控的智能小车，通过红外遥控来控制小车的运行状态，作品如图12所示。 图12 红外遥控智能小车 5 结语

本文以STC89S52单片机为核心，设计了红外遥控的直流电机控制系统。实验过程中，学生要通过学习红外通信编码标准，利用单片机进行解码；根据红外遥控发送的命令，对电机进行正反转、PWM调速等控制；并设计显示、音频提示等功能；学生也可以根据自己的兴趣、能力进行功能拓展。题目具有开放式、启发式等特点，对于提高学生的动手能力和创新能力具有很好的促进作用，在实践教学过程中取得

了良好的效果。

参考文献（References）：

［1］李冰.单片机课程的项目化教学改革与实践［J］.实验室科学，2014，17（1）：101－103.

［2］宋华军，邵帅，刘润华，等.改革实训教学模式，提高学生综合设计能力［J］.实验室研究与探索，2017，36（9）：206－210.

［3］包涛，周德云，林华杰，等.基于能力培养的电子实验教学改革研究［J］.实验室科学，2016，19（4）：112－115.

［4］唐露新，范航郡，吴黎明，等.单片机技术课程启发进阶式实验教学探索［J］.实验室研究与探索，2015，34（9）：203－207.

［5］魏芬，邓海琴.项目教学法在单片机实践教学中的探索与实践［J］.实验室科学，2016，19（1）：119－121.

［6］王丽梅.基于创新性应用型人才培养的实验教学方法研究［J］.实验室技术与管理，2014，31（1）：19－21.

［7］于明军，韩铮，张迪.基于红外通信的单片机实训平台的设计［J］.实验室科学，2014，17（8）：163－166.

［8］陈柯，李媛媛，方璇，等.单片机驱动电机的设计与实现［J］.实验室研究与探索，2016，35（3）：119－122.

［9］陈小桥，隋竹翠，周立青，等.加强开放式实验平台建设 提高大学生自主创新能力［J］.实验技术与管理，2016，33（7）：1－4.

［10］徐银梅，李擎，鲁亿方.电机及运动控制实验教学中的CDIO能力培养［J］.实验室科学，2015，18（2）：106－108.

［11］金国华，沈小艳，滕君华，等.单片机课程设计中实践创新能力的分层培养

［J］.实验室科学，2016，19（6）：142－145.