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1、第1章.绪言奔章阐述了单片机控制的遥控窗帘系统的市场价值、研究背景、国内外的现状、以及发展方向，明确指出了单片机控制的红外线遥控自动窗帘系统所面临的问题及一些解决方案。1.1课题背景生活在提高，时代在进步，人类在向文明迈进，不同的时代对居住空间、环境有不同的要求，这是社会的必然潮流1。单片机控制的自动窗帘遥控系统，既能解决每天手拉开和关上窗帘的不便，又显示出了生活的档次，同时还可以根据光线的明暗来自动控制窗帘的开关，以调节室内的光线，更进一步地满足了人们的享受要求。所以该产品能形成大规模生产，很快会普及全国市场，产生巨大的经济效益；另外，除了广大市民住宅使用外，该遥控窗帘器还可以广泛应用于别墅
2、、公寓、宾馆、饭店、写字楼、歌舞厅、影剧院、会议厅、银行、学校、医院等各种公共场所，因此该产品具有广阔的市场前景。遥控自动窗帘系统在我国还刚刚兴起，但其发展前景广阔，推广和应用自动窗帘系统具有重要的现实意义。其一，改变人们的生活方式。单片机控制的遥控自动窗帘系统具有丰富的智能化功能，为家庭用户营造一个高效、舒适、便利、环保的居住环境。单片机控制的遥控自动窗帘只用一个多功能遥控器就能控制和监测住房的窗帘开关问题，给人们日上生活带来极大的方便。这些都将改变人们传统的生活方式，并提高了人们的生活质量。其二、牵动一大批产业。单片机控制的遥控自动窗帘产品面向家庭用户，其应用市场是庞大的，发展前景也是广阔
3、的，必将吸引大批有远见的各类企业介入，从而牵动一大批产业的发展。这里最先受益的应该是房地产业，单片机控制的遥控自动窗帘不仅是一个很好的概念与“卖点”，同时也是直接提升住宅档次的一个条件，这将会给房地产商带来新的利润空间。在家居集成化、网络化的趋势下，家居集成也成为一种潮流，许多更专业的、美观的、智能化的家居集成产品相继出现。其三，开拓一个崭新的市场。遥控自动窗帘系统牵动了许多的行业，它将不仅仅是目前的IT系统集成商或建筑弱电工程总包商的市场，而且是专业公司和智能化装饰公司的市场。1.2国内外概况在欧美等发达国家，电动窗帘已广泛应用。在10年前，电动窗帘就已经进入我国，可一直没有大的推广，这两年
4、，随着电控技术的不断提高及价格的不断下降，电动窗帘热才又卷土重来。据了解，全国共有170多种电动窗帘器获得了国家专利，但就其技术本身而言，还是大同小异，但售价却有很大差别，贵的要数千元，便宜的只要500块。尽管遥控自动窗帘系统在国内是一个新兴的行业，但是，它也正以不可抵挡之势迅速崛起。遥控自动窗帘系统走进中国以来，在短短四年的时间里，遥控自动窗帘系统生产商由最初的几家公司增加到如今的百余家企业，其行业发展之迅速是目前国内任何其它行业所无法比拟的。目前，我国遥控自动窗帘系统生产厂商、分销商、集成商与装饰公司都形成了相当规模，不少国内知名企业纷纷涉足遥控自动窗帘系统行业，如青岛海尔、清华同方、TC
5、L等，并涌现出一些较具影响力的智能家居专业厂商，如上海索博智能电子有限公司、北京九州易居科技有限公司、天津瑞朗智能家居电子科技有限公司、深圳市正星特科技有限公司等。自动窗帘产品已开始走进中国的家庭。具报道，我国2004年售出商品房1.9亿m,如果每20 m需要一套窗帘架产品，仅此一项就可以年新增窗帘架产品近千万套加上。年新增窗帘架产品市场需求将不低于2000万套。如果单片机控制的遥控自动窗帘，销售占市场的5%左右，就可实现年产值上亿元。随着自动窗帘热潮在世界范围内的日渐兴起，随着中国电子技术的飞速发展、人们生活水平的不断提高以及智能电子技术在生活中的广泛应用，自动窗帘已经成为未来家居装饰潮流发
6、展的最新方向，在不久的将来，没有自动窗帘系统的住宅肯定不合潮流。从目前的发展趋势来看，在未来的20年时间里，自动窗帘行业将成为中国的主流行业之一，其市场的发展前景是非常广阔的。1.3课题的研究工作智能家居系统是一个大的社会系统工程，我们应当加快我国智能家居标准化进程。自动窗帘系统作为智能家居中一个很重要的部分，需要在我国智能家居这一领域，建立起一个具有中国特色的新兴、健康的产业链。让自动窗帘系统在我国并不是远在天边，而是近在眼前。现有的电动窗帘机的控制方式有固定式开关控制、遥控、光控、声控等，其中以前两种形式居多。就实用程度和经济角度来说，用固定式开关控制方式较好，这是因为窗帘的开闭不像电视机
7、等家电产品开闭得那样频繁，每天开闭的次数不多，因此安装在固定的地方使用也相当方便，如把开关装在床头柜等电器综合控制系统中，睡在床上就能控制窗帘的开闭。利用触摸开关，实现全自动断电，既安全又节能，但最重要的一点就是没有实现完全的自动化，没的摆脱对人的依赖作用。而采用遥控控制时，需要候机电源，不可能完全断电而且增加遥控功能，也增加了成本，售价也相应提高。窗帘机的控制方式大体上有三种：声控、光控、时控，声控和遥控属于半自动类；而光控虽属全自动式，但因光敏器件的灵敏度，冬夏等不同季节的光照度的不同，以及人们对起闭窗帘在时间上的要求不同，而难以实施和普及。因此，时控式的全自动窗帘机便成了专业以及业余电子
8、设计人员的热门课题。根据以上自动窗帘有些不能实现完全的自动化；有些虽然实现了完全的自动化，但结构复杂，性能不够稳定；有些虽然实现了完全的自动化，且性能还可以，但价格昂贵不适合普通消费者使用。所以我想利用价格相对便宜的红外线遥控发射芯片、单片机作为主要控制器件，来完成该系统的设计。该系统主要有如下几方面的特点：（1）发射装置采用NRF24L01无线模块作为遥控器，遥控距离可达10米。（2）采用无线遥控方式，不会干扰其它电器的正常工作，也不会影响邻近的无线设备。（5）美观。由无线模块控制窗帘上升与下降。（6）体积小、结构简单、灵敏度高、抗干扰性强、经济实用、工作可靠。第2章.单片机简介单片微型计算
9、机简称单片机，又称为嵌入式微控制器(Embedded microcontroller)。常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳以大规模集成电路为主组成的微型计算机，它的诞生是计算机发展史上一个新的里程碑。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算
10、机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供
11、了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可.用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！.它主要是作为控制部分的核心部件。2.1单片机的发展单片机从诞生至今已经经历了4个发展阶段，分别是：第一阶段（19741976年）：单片机初级阶段。因工艺限制，此阶段的单片机采用双片的形式而且功能比较简单。例如仙童公司生
12、产的F8单片机，只包括了 8位CPU,64个字节的RAM，和两个并行口，需要加一块具有1KB ROM、定时器/计数器和两个并行口的3851芯片才能组成一台完整的计算机。第二阶段（19761978年）：低性能单片机阶段。此阶段的单片机已成为一台完整的计算机，但内部资源不够丰富，以Intel公司生产的MCS-48系列为代表，片内集成了8位CPU、8位定时器/计数器、RAM和ROM等，但无串行口，中断系统也比较简单，片内RAM和ROM容量较小且寻址范围不大于4KB。第三阶段（19781982）：高性能单片机阶段。此阶段的单片机内部资源丰富，以Intel公司生产的MCS-51系列为代表，片内集成了8位
13、CPU、16位定时器/计数器、串行I/O口、多级中断系统、RAM和ROM等，片内RAM和ROM容量加大，寻址范围可达64KB。有的型号内部还带有A/D转换器。第四阶段（1982）：8位单片机得巩固发展及16位、32位单片机推出阶段。16位单片机以Intel公司生产得MCS-96系列为代表，在片内带有多通道A/D转换器和高速输入/输出（HSI/HSO）部件，中断处理和实时处理能力很强。目前单片机的品种众多，其中性能优良的8位单片机在今后若干年内仍然将是工业检测、控制应用领域中的主角。2.2单片机的特点（1）小巧灵活、成本低、易于产品化。能利用它方便地组装成各种智能式测控设备及各种智能仪器仪表，很
14、容易满足仪器设备既智能又微型化的要求。（2）可靠性高、适用的温度范围宽。单片机芯片一般是按工业测控要求设计的，能适应各种恶劣的环境。这一点是其他机种无法比拟的。（3） 易扩展、控制能力强。通过单片机本身或扩展可以方便地构成各种规模地应用系统及多机和分布式计算机控制系统。（4） 指令系统相对简单，较易掌握，且指令中又较丰富地逻辑控制功能指令，能较方便地直接操作外部输入输出设备。由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好和价格便宜等独特优点，已成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有广泛的发展前景。单片机技术的应用，使得许多领域的技术水平和自动化程度大大提高，可以说，当今世界正面临着一场以
15、单片机（微电脑）技术为标志的新技术革命。2.3单片机的应用可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以
16、形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造
17、就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，第3 章.系统设计3.1系统方案确定这次设计题目为单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，随着窗帘红外控制器应用范围的日益广泛和多样，各种适用于不同场合的窗帘控制器应运而生。实现此次涉及目的的设计方案主要有2个：方案（一）自动控制系统。（采用A/D转换器）方案（二）模拟集成控制器自动控制系统。（采用V/F转换电路）这二个方案都是采用单片机控制。 方案（一）的系统框图如图1：电源模块红外发送模块STC89C52红外接收模块键盘模块液晶显示模块STC89C5
18、2是一款采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容的单片机，其主要性能特点有：（1）高性能、低功耗的8Byte微控制器，RISC精简指令集机构，指令功能强大，且多数为单周期指令，具有低功耗的闲置和掉电控制模式、5个中断源、两个16位定时器/计数器等功能。（2）片内集成4KB可编程闪烁存储器，可进行1000次以上写/擦循环操作，数据保留时间可达10年，支持三级程序存储器锁定。（3）丰富强大的外部接口性能：32可编程I/O线，可编程串行通道，片内振荡器和时钟电路。 方案（二）的系统框图为：遥控器无线接收模块步进机STC89C52单片机该窗帘控制器采
19、用STC89C52单片机的最小系统设计，控制一个5v的步进电机控制窗帘的拉开和关闭。窗帘控制器可以使用红外遥控器进行远程手动开、手动关和手动停控制。 在这个设计里无线发射模块充当遥控器。经过论证选择方案二。3.2核心芯片结构原理介绍为使基于单片机控制的无线遥控系统在实际使用过程中方便快捷，并且具有较高的性能/价格比，所以对该系统的原器件作了精心挑选。按在实际工作中的作用，可分为以下几个部分：STC89C52RC单片机是整个电路的核心，它控制其它模块来完成各种复杂的操作；NRF24L01无线模块负责指令的发射和接收；步进电机负责控制窗帘的上升与下降。3.2.1 中央控制器STC89C52RCST
20、C89C52RC是由宏晶公司推出的一种小型单片机，其主要特点为采用Flash存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容，且采用高密度非易失存储器制造技术制造，将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，可以很快被中国广大用户接受。其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。3.2.1.1 STC89C52RC的特点STC89C52RC有很宽的工作电源电压，可为2.76V,当工作在3V时，电流相当于6V工作时的1/4。STC89C52RC工作于12Hz时，动态电流为5.5mA，空闲态为1mA,掉电状态仅为20nA。这样
21、小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统。STC89C52RC具有以下几个特点：STC89C52RC与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；全静态工作,工作范围:0Hz24MHz；三级程序存储器加密；1288位内部RAM；32位双向输入输出线；两个十六位定时器/计数器五个中断源,两级中断优先级；一个全双工的异步串行口；间歇和掉电两种工作方式超强抗干扰:高抗静电(ESD保护),轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰；宽电压,不怕电源抖动；宽温度范围,-4085；禁止ALE输出;；超低功耗: 1.掉电模式:典型功耗0.1A； 2.空闲模式:典型功
22、耗2mA： 3.正常工作模式:典型功耗4mA-7mA； 4.掉电模式可由外部中断唤醒,适用于电池供电系统,如水表、气表、便携设备等.；3.2.1.2 STC89C52RC引脚功能1电源:VCC - 芯片电源，接+5V； VSS - 接地端； 2.时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 3.控制线:控制线共有4根： ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 PSEN:外ROM读选通信号。 RST/VPD:复位/备用电源。 RST（
23、Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。 EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：内外ROM选择端。 Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。 4.I/O口线：P0、P1、P2、P3共四个八位口。 P0口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。P0口也用以输出外部存储器的低8位地图1址。由于是分时输出,故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存,信号用ALE。 P1口是专门供用户使用的I/O口,是准双向口。 P2口是从系统扩展时作高8位地址线用。不扩展
24、外部存储器时,P2口也可以作为用户I/O口线使用,P2口也是准双向口。 P3口是双功能口,该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。作为第一功能使用时操作同P1口。P3口的第二功能如表2.1所示。表1 P3口第二功能端口引脚各个功能P3.0RXD（串行口输入端）P3.1TXD（串行口输出端）P3.2INT0(_)(外部中断0请求输入端，低电平有效)P3.3INT1(_)(外部中断1请求输入端，低电平有效)P3.4T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）P3.5T1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）P3.6WR(_)(外部数据存储器写选通信号输入端,低电平有效)P3.7RD(_)
25、（外部数据存储器读选通信号输入端，低电平有效）3.2.1.3时钟电路和复位电路1）时钟产生电路片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz24MHz之间选取。C1、C2是反馈电容，其值在20pF100pF之间选取，典型值为30pF。本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。振荡周期；机器周期指令周期。XTAL1和XTAL2：片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容。在石英晶体的两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为
26、压电效应。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。即用来连接8051片内OSC的定时反馈回路，如图3.5所示。石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常，OSC的输出时钟频率fosc为0.5MHz-16MHz，典型值为12MHz或者11.0592MHz。电容C1和C2可以帮助起振，典型值为30pF，调节它们可以达到微调fosc的目的。如图3-3.图3-3 时钟电路
27、2）单片机复位电路图3-4为单片机复位电路。单片机在开机时都需要复位，以便中央处理CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位后是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便可实现初始化状态复位。MCS-51单片机的RST引脚是复位信号的输入端。例如：若MCS-51单片机时钟频率为12MHz，则复位脉冲宽度至少应该为2s。 图3-4 复位电路3.2.2无线模块NRF24L013.2.2.1芯片简介NRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4 GHz2.5 GHz IS
28、M频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA;接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。 性能参数：小体积，QFN20 4x4mm封装宽电压工作范围，1.9V3.6V，输入引脚可承受5V电压输入工作温度范围，-40+80工作频率范围，2.400GHz2.525GHz发射功率可选择为0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm数据传输速率支持1Mbps、2Mbps
29、4线SPI通讯端口，通讯速率最高可达8Mbps，适合与各种MCU连接，编程简单可通过软件设置工作频率、通讯地址、传输速率和数据包长度MCU可通过IRQ引脚快判断是否完成数据接收和数据发送3.2.2.2电路原理3.2.2.3引脚定义3.2.2.4接线图3.2.3步进电机3.2.3.1步进电机介绍步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累计误差等特点，使得步进机在速度、位置等控制领域的控制操作
30、非常简单。虽然步进电机应用广泛，但他并不像普通的直流和交流电机那样在常规状态下使用，他必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此，用好步进电机也并非易事，它涉及机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机主要分为三大类：（1） 永磁式（PM）：一般为二相，转矩和体积较小，步距角一般为7.5或15。（2） 反应式（VR）：一般为三相，可实现大转矩输出，步距角为1.5，但噪声和震动都较大。（3） 混合式（HB）：指混合了永磁式和反应式的特点。分为二相和五相，应用较为广泛。3.2.3.2步进电机的技术指标（1）步进电机的静态指标相数：电机内部的线圈组数。目前常用的有二相、三相
31、、四相、五项步进电机。相数不同步距角也不同。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己的步距角的要求。如果用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。步距角：表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机在出厂时给出了一个步距角的值，这个步距角可称为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作是的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。待添加的隐藏文字内容1拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或电机转过一个步距角所需脉冲数。以四相电机为例，有四项四拍运行方式，即AB-BC-CD-DA-AB；四相八拍运行方式：即A-AB
32、-B-BC-C-CD-D-DA-A。定位转矩：电机在不通电状态下，转子自身的锁定功能（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成）。保持转矩：步进电机通电在没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机的中要参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成了衡量步进电机的中要参数之一。比如，当人们说2Nm的步进电机时，在没有特殊说明的情况下，是指保持转矩为2Nm的步进电机。（2）步进电机的动态指标步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差，用百分比表示：误差/步距角100%。不同运行拍数其值不同，
33、四拍运行时应在5%以内，八拍运行时应在15%以内。失步：电机运行时运转的步数不等于理论上的步数，称为失步。失调角：转子齿轴线便宜定子齿轴线的角度。电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域。电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然。为使电机输出电矩大、不失步且整个系统的噪声降低，一般工作点均应偏移共振区较多。因此，使用步进电机时应避开此共振区。3.2.3.3步进电机的工作原理步进电机有三线式、五线式和六线式。但其控制方式均相同，都要以脉冲信号电流来驱动。假设每旋转一圈需要200个脉冲信号来励磁，可以计算出每个励磁信号能是步进电机前进1.8，其旋转角度与脉
34、冲个数成正比。步进电机的正、反转由励磁脉冲产生的顺序来控制。六线式四相步进电机是比较常见的，它的控制等效电路如图a所示。它有四条励磁信号引线A，A(-)，B，B(-)，通过控制四条引线上的励磁脉冲产生的时刻，即可控制步进电机的转动。每出现一个脉冲信号步进电机只走一步。因此，只要依序不断送出脉冲信号，步进电机就能实现连续转动。 图a 图b步进电机的励磁方式分为全步励磁和半步励磁两种。其中全步励磁又有一相励磁和二相励磁之分，半步励磁又称一-二相励磁。假设每旋转一圈需要200个脉冲信号来励磁，可以计算出每个励磁信号能使步进电动机前进1.8，简要介绍如下：一相励磁：在每一瞬间，步进电机只有一个线圈导通
35、。每送一个励磁信号，步进电机旋转1.8，这是三相励磁方式中最简单的一种。特点是精确度高、耗电少，但输出转矩最小，震动较大。如果以该方式控制步进电机正转，对应的励磁顺序如表a所示。若励磁信号反向传送，则步进电机反转。表中的1和0表示送给电机的高低电平。励磁顺序：1-2-3-4-1表a二相励磁：在每一瞬间，步进电机有两个线圈同时导通，每送一个励磁信号，步进电机旋转1.8。特点是输出转矩大，振动小，因而成为目前使用最多的励磁方式。如果以该方式控制步进电机正转，对应的励磁顺序见表b。若将信号反向传送，则步进电机反转。励磁顺序：1-2-3-4-1。 表b一-二相励磁：为一相励磁与二相励磁交替导通的方式。
36、每送一个励磁信号，步进电机旋转0.9。特点是分辨率高，运转平滑，故应用也广泛。如果以该凡是控制步进电机的正转，对应的励磁顺序见表c。若励磁信号反向传送，则步进机反转。励磁顺序：1-2-3-4-5-6-7-8-1。表c3.2.3.4 28BYJ48步进电机本次设计所选步进电机为28BYJ48步进电机，其基本参数电源电压5V，五线四相式，步矩角5.625，减速比1/64。内部结构图如图所示：从图中可以看出，步进点胶机定子由4个线圈组成，4个线圈共一个电源正极，即5号线。28BYJ48步进电机的驱动方式：下图给出的驱动凡是是四相八拍，即半步驱动。3.2.4步进电机的驱动步进电机的驱动可以选用专用的电
37、机驱动模块，如L298，FT5754等，这类模块接口简单，操作方便，既可以驱动步进电机也可以驱动直流电机。除此之外，还可利用三极管自己搭建驱动电路，不过这样会非常麻烦，可靠性也会降低。在本次设计中选用的是达林顿驱动器ULN2003，该芯片单片最多可一次驱动八线步进电机，四线或六线制也没有问题。ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品, 由七个硅NPN 复合晶体管组成具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。该电路的特点: ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路 直接
38、相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。引脚功能：引脚1：CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。引脚2：CPU脉冲输入端。引脚3：CPU脉冲输入端。引脚4：CPU脉冲输入端。引脚5：CPU脉冲输入端。引脚6：CPU脉冲输入端。引脚7：CPU脉冲输入端。引脚8：接地。引脚9：该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。如果该脚接地,实际上就是达林顿管的集电极对地接通。引脚10：脉冲信号输出端，对应7脚信号输入端。引脚11：脉冲信号输出端，对应6脚信号输入端。引脚12：脉冲信号输出端，对应5脚信号
39、输入端。引脚13：脉冲信号输出端，对应4脚信号输入端。引脚14：脉冲信号输出端，对应3脚信号输入端。引脚15：脉冲信号输出端，对应2脚信号输入端。引脚16：脉冲信号输出端，对应1脚信号输入端。3.3硬件电路原理设计3.3.1电源部分 电源接头通过接入+5V电源输入，本次设计中通过电池槽和移动电源来实现，电源正常工作时指示灯亮，单片机除执行任务外，均处于睡眠状态，遥控器信号到来后，单片机从睡眠中唤醒，恢复正常工作，电池的耗电较小。3.3.2无线发射电路无线发射电路由单片机最小系统、无线发射模块NRF24L01、转接板、按键和指示灯组成。通过三个按键正转、反转、停止来控制步进电机。转接板将电压由5
40、V转变为3.3V也便于焊接。发射板的电路如下图所示：3.3.3无线接收电路无线接收电路由单片机最小系统、无线模块NRF24L01、转接板、指示灯组成。3.3.4步进机执行电路步进电机电路由驱动芯片ULN2003和步进电机组成。步进电机执行电路完全由单片机控制，通过单片机的P0.0，P0.1，P0.2，P0.3完成。3.4软件设计程序的编写是该系统的重要部分，如果软件编写的科学就能体现出该系统功能的完整性、实用性、经济性。只有软件和硬件都正确才能使电路正常工作达到我们想要的效果。本系统的软件编程部分的编写主要分为无线模块的控制程序和步进电机的执行程序这两大类来阐述。3.4.1无线通信模块发射数据
41、时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10s，延迟130s后发射数据;若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TX FIFO中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC)达到上限，MAX_R
42、T置高，TX FIFO中数据保留以便再次重发;MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时,若CE为低则NRF24L01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130s进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RX FIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。nRF24L01接收信号解码流程图如下： 接收并解码判断数据格式是否正确跳出中断比较，转出执行相应动作中断返回有信号，产生中断否是
