基于ATmega16单片机的红外遥控调制（PWM）方法的脉冲宽度直流电机速度控制

摘 要

直流电机的调速在各种应用场合都是非常重要的。特别要求，设置一个速度直流电机作为驱动设备必须远程执行。在此条件下，研究了一种采用脉冲宽度调制(PWM)方法控制直流电动机转速的红外遥控方法。PWM是一种有效的直流电机调速方法。控制器采用电视遥控器通过红外接收机将数据发送给ATmega16单片机。

这个命令控制L293D驱动芯片来控制直流电机的方向和速度。为了计算直流电动机的转速，将连接在电机轴上的穿孔盘作为传感器放置在光电二极管和LED之间。研究结果表明，利用ATmega16单片机，采用PWM方法，通过红外遥控，可以对直流电动机的方向和速度进行设定。此外，这些设置的结果可以显示在液晶显示器上每7秒。

关键词：直流电机，遥控，PWM，单片机

第一章 介绍

科技的进步导致人类的角色被机器或自动控制设备所取代。在自动控制中，电动机就是这样一种装置。电机是将电能转化为机械能的装置。利用直流电源生产的电动机机械输出为直流电机。直流电机具有精确、宽泛、简单、连续的控制特性，已广泛应用于电动汽车、轧钢厂、电动起重机、机械手等工业领域[1]。

电机转速可通过控制电枢电压和电枢电流来控制。这些方法有一些缺点，因为控制电阻浪费了一些功率。PWM方法也可以用来控制直流电动机的转速。PWM电路的工作原理是产生一个开/关比可变的方波。比率可以在0 - 100%之间变化。以这种方式，可变功率被转移到负载。与电阻式功率控制相比，PWM电路的主要优点是高效率[2]。在PWM上50%的量的关脉冲和开脉冲是平等的。

远程控制可以通过红外(IR)介质对远距离设备进行控制。遥控器上的每个键都有不同的代码。利用红外接收机(TSOP1736)将不同的编码转换成hexa数字数据，并在单片机[3]中进行处理。单片机的输出为开关脉冲，用于直流电机的旋转。

第二章 设计

1硬件设计

介绍了一种直流电动机调速系统的框图。研究结果如图1所示。

电视遥控功能以红外线发送数据波长到红外接收器。将以脉冲形式接收到的数据发送到INT1 pin (PD3)单片机，逐位读取数据，按下每个键得到不同的数据。单片机利用数据转换遥控键的结果，通过集成电路驱动器L293D控制直流电动机的转速。-键设置汽车向左旋转, 键设置汽车向右旋转,键1,2,3,4,5,6,7,8,9,和0设置电机转速按照责任周期PWM程序设置,和睡眠键停止电机旋转。光电二极管的输出仍然是模拟形式，因此添加模拟比较器将其转换为数字形式。当LED光通过光盘孔时逻辑1(高)脉冲输出，当LED光被光盘阻挡时逻辑0(低)脉冲输出，然后，数字数据被发送到INT0针微控制器进行处理，以获得以rpm为单位的直流电机转速。每隔7秒，在C端口(PC2 - PC7)的液晶显示屏上显示直流电机方向和速度的设置结果。

2 电源电路

本研究所需电源为直流电机 12v、 5v、ATmega16单片机、IC TSOP1736、IC L293D、LCD、速度传感器。电源电路如图2所示。

3 最小系统ATmega16单片机电路

最小系统使用ATmega16单片机11.0592 MHz晶体振荡器。端口D通过引脚INT1作为数据输入红外信号，速度传感器直流电机通过引脚INT0旋转。以B口作为微控制器调节输出IC驱动器L293D，以C口作为LCD的输入输出数据。最小系统电路ATmega16如图3所示。

4 LCD电路[5]

LCD引脚连接到ATmega16单片机端口为DB4 - DB7与PC4 - PC7，启用引脚与PC3,RS引脚与PC2,R /W引脚连接到GND。对比液晶管脚是连接在1 KOhm电阻上，作为一个灯背景LCD亮度控制。图4所示。显示LCD电路。

5 红外接收电路[3]

本研究使用的红外接收机为TSOP1736，它由3个引脚、V CC、GND和输出组成。VCC上的LED用于检测红外传感器能否接收到数据，LED会根据接收到的脉冲进行闪烁。图5所示。显示红外接收电路。

6 L293D集成电路[6]

L293D IC的引脚连接到ATmega16端口，使1-2 (1-2EN)连接到PB2, IN1 (1A)连接到PB1, IN2 (2A)连接到PB0, OUT1 (1Y)和OUT2 (2Y)引脚连接到直流电机端子。图6所示。显示了L293D集成电路。

7直流电机速度传感器电路

为了能够读取直流电动机的转速，在直流电动机的轴上安装一个穿孔盘，如图6所示。圆盘周围的孔多达8个，使发光二极管上的光可以通过孔。光盘被放置在LED和光电二极管之间。如果光电二极管从LED得到光，光电二极管输出为逻辑1(高)。如果LED灯没有击中光电二极管，则输出逻辑为0(低)。LED与光电二极管电路如图7所示。如何乘以光电二极管逻辑1在一分钟内，结果除以8(孔数)将与直流电机转速相关的rpm单位。如图8所示为LED与光电二极管电路。

8索尼SIRC协议

本研究以索尼电视遥控器为研究对象，利用遥控器作为电机控制器向红外接收机提供数据。索尼遥控协议采用脉冲宽度编码位。表示逻辑1的脉宽为1.2 ms，载波为40khz，而逻辑0的脉宽为0.6 ms。脉冲长度为0.6 ms[7]的所有高尖峰之间间隔一定的空间。ATmega16单片机在本研究中使用basic语言编程，即Bascom。本研究中直流电机调速程序流程图如图9所示。

第三章 结果与讨论

1 实际工具

本研究的实现工具如图所示。直流电机速度控制系统的测试是通过在实验时直接测量参数来完成的。

2 电源电路测试

测试采用数字avometer，测量电压12v直流电机，电源电压5v作为vcc，测量结果如表1所示。表1的结果表明，由于所产生的电压足以供应直流电机和数字电子元件，所以电源工作正常。

3 最小系统ATmega16电路测试

测量是在端口之一A处进行的,测量逻辑高、逻辑低电压端口。测量结果如表2所示。表2的结果表明，最小系统ATmega16的电压范围具有预期的功能。

4 LCD电路测试

通过测试，确定LCD是否能够正常工作，从而能够按照预期显示数据。测试是用一个简单的程序来显示文本“1234567890ABCDEF”在LCD的第1行和第2行上。结果如图10所示。从图11的结果可以看出，LCD可以按照程序正确显示字符。

5 红外接收电路测试

通过红外接收机测试，验证了传感器能够很好地进行数据读出，并提供了相应的程序来读取遥控数据。测试结果如表3所示。表3的结果表明，红外遥控接收机的数据读取电路(硬件)和程序(软件)是正确的。

6 L293D驱动电路测试[6]

本测量的目的是测量输入电压IC L293D电机在不同工况下的转速。测试结果如表4所示。表4的结果表明，L293D芯片驱动程序运行正常，符合真值表IC L293D。

7 电机速度传感器电路测试

通过测试，确定传感器电路能否读取电机转速。测试结果如表5所示。表5的结果表明，光电二极管传感器和比较器能够很好地读出电机转速，因为它可以向微控制器发送高低信号。

8 整体测试

根据预先确定的功能设计和编程的工具的性能的测试。测试结果如表6所示。表6的总体测试数据表明，按下遥控器按键的数据符合已确定的PWM设置程序。PWM与电压与电机转速的关系表明，产生的电压值与直流电机转速成正比。PWM越大，电机电压(端子电压)也会增大，使电机转速加快。

结 论

本研究的结论如下:

1. 采用基于ATmega16单片机的红外遥控，采用PWM方法控制直流电机的方向和转速。

2. PWM与端子电压与电机转速成正比。PWM越大，端子电压也会增大，使电机转速加快。

参考文献

基于汽车应用的安全红外遥控系统

摘要

提出了一种安全的红外遥控系统。该系统具有灵活的可编程性，与多种数据编码方法和载波调制技术相匹配。任意长数据码可以在系统内存容量内传输。实现的低成本是由于商业组件和小尺寸印刷电路板上的最小数量的电路。由电池能源供电，所提出的系统适用于家用和汽车应用的电子门锁，提出了一个汽车安全访问控制的应用实例。该系统已在多种环境条件下进行了测试，结果表明该系统具有良好的可靠性。

第一章 介绍

无线遥控器已经在各种应用中变得非常流行，包括家庭娱乐电子设备，办公设备和若干入口安全系统。主要技术基于无线电或红外频带以将期望的信息传送到目标系统。基于射频载波的系统非常适用于需要宽工作范围的应用或当目标系统对遥控器不可见时。对于短工作范围，基于红外线的系统提供了强大且经济高效的解决方案。在娱乐设备中，遥控器的可靠性和安全性可能不是关键因素，但在家庭或汽车门锁系统中，这是一个必不可少的问题。可靠的操作确保在各种温度和照明条件下成功实现远程控制。 另一方面，应消除白炽灯等其他红外发射源的干扰。操作中的安全性可以通过使用长二进制字符串和适当的编码以及偶尔更改数据字符串来实现。由于红外系统要求发射机和接收机之间有可见的连接，正确地引导红外光束可以避免在操作过程中对数据进行犯罪记录。本文提出了一种适用于门锁的红外控制器的安全实现方法。我们首先回顾一些传输数据的编码方法。之后，呈现系统详细描述了包括微型印刷电路板（PCB）中的电路原理图和实现。 最后提出并讨论了一个应用案例。

2数据表示

通过红外系统传输的信息多采用二进制串表示，即采用数字传输。为了传输数据，在接收端和发送端都应该知道比特的传输速率和单个比特的表示形式。此外，通常只有一个信道进行传输，二进制字符串以串行方式传输。由于这可以通过多种方式实现，因此提出了几种方法和协议。首先考虑比特编码，然后在载波频率上传输。对于串行传输，将数据的时钟频率和数据位编码在一起，这样接收方就可以从输入信号中提取比特信息和时钟信号。图1所示的一些编码示例是NRZ、Manchester-I1(双相)和脉宽调制(PWM)。原始时钟周期可以作为接收器中的一个时间窗口来处理。例如，在Manchester-I1中，编码时间窗口内的上升边表示逻辑上的零。通过检测输入信号中的边缘，并根据边缘重新设置接收机中的本地时钟发生器，得到时间窗。通常这是通过锁相环(PLLs)来实现的。因此，接收机可以恢复发射机发送的比特。对于其他编码，表1列出了位的表示形式。

编码后，将二进制串按载波频率调制并传输到目标系统。一种可能的调制方法是频移键控(FSK)，其中两个频率用于表示逻辑零和逻辑一。虽然这是一种非常安全的方法，但由于功耗大、实现复杂，在红外应用中很少使用。一种简单而广泛使用的方法是脉冲编码调制(PCM)，其中每个比特由一串脉冲组成，如图2所示。脉冲以载波频率f的频率重复，例如，如果f = 50kHz和数据时钟clk = 2kHz，那么一个比特由50个脉冲组成。更一般地，一个比特的脉冲数p可以确定如下。

我们现在回顾了一些常用的编码和调制传输数据的方法。在下一节中，我们将展示如何灵活地编程红外控制器，以满足各种传输协议的要求。

第三章 远程控制器

红外遥控器框图如图3所示。该系统的核心是一个可编程只读存储器(PROM)，用于存储要传输的编码和调制数据。基时钟振荡器用于从PROM中输出数据。由于遥控器是由电池供电的，所以需要启动复位电路，以确保开机后正常工作。低通滤波部分用于从输出数据流中过滤短暂阻塞。滤波后的数据最终被放大，并通过红外发光二极管(IRLEDs)发送到接收机和目标控制系统。

考虑图4的框图，可以很好地说明PROM的功能。最初设计用于启动Xilinx可编程逻辑设备，这个PROM是非常适用于其它需要串行模式输出数据线的应用。从图4可以看出，由于内部地址计数器，不需要外部地址行。因此，只需要提供外部时钟信号就可以读出数据。在时钟信号的每一个上升沿上，地址计数器增加，并访问新的数据位。当到达最后一个地址位置时，地址计数器停止，数据线保持不变。由最后一位决定的当前状态。复位信号可以应用于零地址计数器和抑制输出数据线。PROM的存储容量从18 144位(Xilinx XC1718)到131072位(XC17128)不等。

给定类型的PROM非常适合于红外控制器。首先，内存足够大，可以存储最终编码和调制的数据模式，因此不需要使用编码或调制的外部电路。其次，由于模式的类型和形状没有限制，可以使用许多编码和调制方案。例如，甚至可以同时使用不同的编码方案。此外，数据时钟频率可以从一个比特到另一个比特，以及载波频率。通过这种方式，数据可以传播非常安全。例如用学习的通用电视遥控器记录数据实际上是不可能的，由于地址计数器在最后一位之后停止，因此每按一次开关只能传输一次数据。 目标系统可以设计用于切换操作，而无需在发射器中进行额外的安排。 非常重要的好处还在于PROM的小物理尺寸以及低成本和非常低的功耗。 因此，红外控制器可以在较小的空间内用最少数量的部件实现。 在下一节中，我们将考虑汽车的案例应用，并提出一个小型电池供电的实施方案。

第四章 案例应用:汽车门禁

作为案例应用，图5示出了用于汽车门禁系统的布置，其包括用于门的中央锁定，发动机防盗装置和在入侵者情况下的防盗警报。为了简单经济地实施，我们选择TEMICTFMS5300型商用红外接收模块，专为PCM应用而设计。它包含用于放大和滤波接收信号的内部电路以及用于改变照明条件的噪声消除，如图6中的框图所示.TFMS5300可以直接连接到微处理器或微控制器的串行端口，这简化了实现。缺点是，该配置必须固定波特率（数据时钟频率）和载波频率。TFMS5300设计为对950 nm波长的光和30 kHz的

资料编号：[5753]