張家港沙洲職業(yè)工學(xué)院 趙海蘭

江蘇省梁豐高級中學(xué) 趙之赫

1.引言

利用單片機(jī)最小系統(tǒng)加紅外遙控器及紅外接收模塊及電機(jī)驅(qū)動模塊通過編程來實(shí)現(xiàn)小車的啟動和停止，左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)和前進(jìn)后退等功能，本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，各個(gè)功能相互不受影響，具有較高的智能化、人性化。

2.紅外遙控小車的系統(tǒng)組成

紅外遙控小車的實(shí)現(xiàn)主要由遙控發(fā)射器、紅外接收頭、電機(jī)驅(qū)動模塊及可擴(kuò)展接口電路及液晶顯示模塊組成，如圖1所示。紅外遙控器用來產(chǎn)生遙控編碼脈沖，驅(qū)動紅外發(fā)射管輸出紅外遙控信號，遙控接收頭完成對遙控信號的放大、檢波、整形、解調(diào)出遙控編碼脈沖。遙控編碼脈沖是一組串行二進(jìn)制碼，此串行碼輸入到單片機(jī)，由單片機(jī)完成對遙控指令解碼，并執(zhí)行相應(yīng)的遙控功能。使用紅外遙控器作為控制系統(tǒng)的輸入，然后單片機(jī)一方面根據(jù)接收到的遙控碼來驅(qū)動電機(jī)模塊控制小車的運(yùn)行，同時(shí)控制液晶實(shí)時(shí)顯示小車的運(yùn)行狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)此功能，首先需要解決如下幾個(gè)關(guān)鍵問題：如何接收紅外遙控信號；如何識別紅外遙控信號以及解碼軟件的設(shè)計(jì)、驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行及液晶顯示的程序設(shè)計(jì)。

2.1 紅外遙控的實(shí)現(xiàn)原理

遙控發(fā)射器專用芯片很多，根據(jù)編碼格式可以分成兩大類，這里我們以運(yùn)用比較廣泛，解碼比較容易的一類來加以說明，現(xiàn)以日本NEC的uPD6121G組成發(fā)射電路為例說明編碼原理。當(dāng)發(fā)射器按鍵按下后，即有遙控碼發(fā)出，所按的鍵不同遙控編碼也不同。這種遙控碼具有以下特征：

（1）采用脈寬調(diào)制的串行碼，以脈寬為0.565ms、間隔0.56ms、周期為1.125ms的組合表示二進(jìn)制的“0”；以脈寬為0.565ms、間隔1.685ms、周期為2.25ms的組合表示二進(jìn)制的“1”。

（2）UPD6121G產(chǎn)生的遙控編碼是連續(xù)的32位二進(jìn)制碼組，其中前16位為用戶識別碼，能區(qū)別不同的電器設(shè)備，防止不同機(jī)種遙控碼互相干擾。該芯片的用戶識別碼固定為十六位；后16位為8位操作碼（功能碼）及其反碼。UPD6121G最多可支持128種不同組合的編碼。

（3）遙控器在按鍵按下后，周期性地發(fā)出同一種32位二進(jìn)制碼，周期約為108ms。一組碼本身的持續(xù)時(shí)間隨它包含的二進(jìn)制“0”和“1”的個(gè)數(shù)不同而不同，大約在45～63ms之間。

（4）當(dāng)一個(gè)鍵按下超過36ms，振蕩器使芯片激活，將發(fā)射一組108ms的編碼脈沖，這108ms發(fā)射代碼由一個(gè)起始碼（9ms），一個(gè)結(jié)果碼（4.5ms），低8位地址碼（9ms～18ms），高8位地址碼（9ms～18ms），8位數(shù)據(jù)碼（9ms～18ms）和這8位數(shù)據(jù)的反碼（9ms～18ms）組成。如果鍵按下超過108ms仍未松開，接下來發(fā)射的代碼（連發(fā)代碼）將僅由起始碼（9ms）和結(jié)束碼（2.5ms）組成。

2.2 紅外接收器及解碼

一體化紅外線接收器是一種集紅外線接收和放大于一體，不需要任何外接元件，就能完成從紅外線接收到輸出與TTL電平信號兼容的所有工作，而體積和普通的塑封三極管大小一樣，它適合于各種紅外線遙控和紅外線數(shù)據(jù)傳輸。其外形圖如圖2所示。

紅外一開始發(fā)送一段13.5ms的引導(dǎo)碼，引導(dǎo)碼由9ms的高電平和4.5ms的低電平組成，跟著引導(dǎo)碼是系統(tǒng)碼，系統(tǒng)反碼，按鍵碼，按鍵反碼，如果按著鍵不放，則遙控器則發(fā)送一段重復(fù)碼，重復(fù)碼由9ms的高電平，4.5ms的低電平，跟著是一個(gè)短脈沖。經(jīng)過紅外接收頭后，所有的碼都經(jīng)過反碼，然后單片機(jī)通過中斷及定時(shí)器定時(shí)加算法把這些碼接收到后進(jìn)行相應(yīng)的處理。單片機(jī)接收到的紅外碼如圖3所示。

遙控端發(fā)出以脈寬為0.565ms、間隔0.56ms、周期為1.125ms的組合表示二進(jìn)制的“0”；以脈寬為0.565ms、間隔1.685ms、周期為2.25ms的組合表示二進(jìn)制的“1”，其波形如圖4。

紅外接收頭將38K載波信號過濾，得到與發(fā)射代碼反向接收代碼。

注意：解碼的關(guān)鍵是如何識別“0”和“1”，從位的定義我們可以發(fā)現(xiàn)“0”、“1”均以0.56ms的低電平開始，不同的是高電平的寬度不同，“0”為0.56ms，“1”為1.68ms，所以必須根據(jù)高電平的寬度。區(qū)別“0”和“1”。如果從0.56ms低電平過后，開始延時(shí)，0.56ms以后，若讀到的電平為低，說明該位為“0”，反之則為“1”，為了可靠起見，延時(shí)必須比0.56ms長些，但又不能超過1.12ms，否則如果該位為“0”，讀到的已是下一位的高電平，因此?。?.12ms+0.56ms）/2=0.84ms最為可靠，一般取0.84ms左右均可。

紅外接收模塊外形如圖2所示，使用一體化紅外接收頭1838，其電路原理圖如下圖6所示。瓷片電容104為去耦電容，1端即解調(diào)信號的輸出端，直接與單片機(jī)的P3.2口相連。有紅外編碼信號發(fā)射時(shí)，輸出為檢波整形后的方波信號，并直接提供給單片機(jī)。

2.3 紅外遙控的軟件設(shè)計(jì)流程及思路

按遙控器的按鍵，遙控器發(fā)出的碼通過紅外接收模塊1838解碼后送入單片機(jī)，單片機(jī)通過定時(shí)器和中斷對接收到的碼進(jìn)行高電平與低電平的測量，最后把遙控器的碼解出后，根據(jù)不同的碼進(jìn)行不同的碼操作，具體解碼操作流程圖如圖7所示。

3.直流電機(jī)的驅(qū)動

用單片機(jī)控制直流電機(jī)時(shí)，需要加驅(qū)動電路，為直流電機(jī)提供足夠大的驅(qū)動電流，如圖8所示：我們選擇了達(dá)林頓驅(qū)動器，它實(shí)際上是一塊集成芯片，單塊芯片同時(shí)可驅(qū)動多個(gè)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)由單片機(jī)的一個(gè)I/O口控制，當(dāng)需要調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，使單片機(jī)的相應(yīng)I/O口輸出不同占空比的PWM波形即可。占空比是指高電平持續(xù)時(shí)間在一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)的百分比?？刂齐姍C(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，占空比越大，速度越快，如果全為高電平，占空比為100%時(shí)，速度達(dá)到最快。

當(dāng)用單片機(jī)I/O口輸出PWM信號時(shí)，可采用以下兩種方法：

1）利用軟件延時(shí)。當(dāng)高電平延時(shí)時(shí)間到時(shí)，對I/O口電平取反變成低電平，然后再延時(shí)；當(dāng)?shù)碗娖窖訒r(shí)時(shí)間到時(shí)，再對I/O口電平取反，如此循環(huán)就可得到PWM信號。

2）利用定時(shí)器。控制方法同上，只是在這里利用單片機(jī)的定時(shí)器來定時(shí)進(jìn)行高、低電平的翻轉(zhuǎn)，而不用軟件延時(shí)。

電機(jī)驅(qū)動還可以用圖9方式。該電路工作的原理為：當(dāng)Q5與Q8同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)會順時(shí)針的轉(zhuǎn)動，當(dāng)Q6與Q7同時(shí)導(dǎo)通時(shí)電機(jī)會逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，這樣我們就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正傳與反轉(zhuǎn)的控制了，單片機(jī)的控制引腳只用了兩個(gè)，一個(gè)接Q5和Q8的基級這樣可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)，另一個(gè)接Q6與Q7的基級實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)。如果用PWM波控制該電機(jī)，那PWM波就可以從基級直接輸入，但是對于三極管的選型特別要注意。第一，要看管子的耐壓特性，第二，要看管子的頻率特性，如果頻率特性不太好，那PWM控制電機(jī)就失去了意義。

4.LCD1602實(shí)時(shí)顯示功能

1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊，它有若干個(gè)5X7或5X11點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱?，所以他不能顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）

1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2，即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。字符型LCD1602通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，和單片機(jī)連接的原理圖如圖10所示。

圖1 紅外遙控小車系統(tǒng)組成方框圖

圖2 紅外接收頭外形圖

由于LCD1602的用法簡單明了，硬件只要上圖連接，軟件只要根據(jù)紅外接收碼判斷出是前進(jìn)還是后退，然后用英文字母顯示出前進(jìn)或后退或左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)等字樣。軟件實(shí)現(xiàn)起來不難。如果小車還想拓展，可以加一塊語音芯片，提前把聲音錄下來，根據(jù)紅外遙控發(fā)出不同的命令，然后報(bào)出相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 紅外接收端發(fā)出的波形示意圖

圖4 發(fā)射端發(fā)出“0”和“1”的表示方法

圖5 紅外接收后的接收代碼

5.結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的紅外遙控小車具有操作簡單，穩(wěn)定可靠，易擴(kuò)展升級，在小車的主板上預(yù)留了多個(gè)擴(kuò)展端口，比如還可以再增加超聲波避障模塊，可以增加語音播報(bào)模塊及巡線模塊等等，對于我們中學(xué)生的創(chuàng)新思維及動手能力都很有提高的實(shí)用價(jià)值。

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