劉瑞 鄭琳 楊豐華

沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院

基于單片機(jī)的升降機(jī)控制及報警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉瑞 鄭琳 楊豐華

沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院

本文通過單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的控制，用C語言編寫出相應(yīng)的程序，通過相應(yīng)的按鍵控制電機(jī)，并將工作狀態(tài)通過液晶顯示器顯示出來。從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速、開始停止，通過紅外光電開關(guān)實(shí)現(xiàn)報警功能。這樣系統(tǒng)的模擬升降機(jī)的運(yùn)行控制。

步進(jìn)電機(jī) 單片機(jī) 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 紅外開關(guān) 轉(zhuǎn)動

1 硬件部分設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)上，選擇兩塊萬用板，分別作為發(fā)送端和接收端。其中，發(fā)送端主要有顯示屏，鍵盤等設(shè)備，顯示器及時顯示步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)，鍵盤作為外部中斷源，設(shè)置了正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、變速等運(yùn)行狀態(tài)，相當(dāng)于具有顯示功能的遙控裝置。接收端主要有步進(jìn)電機(jī)和紅外報警裝置，本系統(tǒng)用步進(jìn)電機(jī)代替升降機(jī)的電機(jī)，通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動和變速模擬升降機(jī)的上升、下降和變速。紅外報警裝置主要是為了檢測障礙物，發(fā)出警報并且作用于步進(jìn)電機(jī)使之停止運(yùn)行。

單片機(jī)控制模塊是由STC89C52最小系統(tǒng)組成，包括STC89C52單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路組成。由于單片機(jī)電流太小不可以直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，直接增大步進(jìn)電機(jī)的電流會損壞單片機(jī)，因此需要在步進(jìn)電機(jī)和單片機(jī)之間加裝一個放大電流的器件來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。因此選擇ULN2003A來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。

本系統(tǒng)使用LCD1602字符型液晶顯示模塊顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行距離。LCD的控制端口RS、R/W、E分別與單片機(jī)的P2.4、P2.5、P2.6相連。

本系統(tǒng)采用E18D80NK，一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。發(fā)射光經(jīng)過調(diào)制后發(fā)出，接收頭對反射光進(jìn)行解調(diào)輸出。避免了可見光的對其的干擾。當(dāng)紅外光電開關(guān)在相應(yīng)距離內(nèi)檢測到障礙物，紅外光電開關(guān)有高電平變?yōu)榈碗娖?，蜂鳴器發(fā)出警報。

nRF24L01是工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。

本系統(tǒng)采用編程較為簡單的獨(dú)立式按鍵，每個按鍵占用一個I/O端口。

2 軟件部分設(shè)計(jì)

單片機(jī)工作時首先要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，且LCD1602也要進(jìn)行初始化，對各變量、各端口初始化。

初始化后，LCD1602進(jìn)入主界面，系統(tǒng)會進(jìn)入循環(huán)部分。進(jìn)入循環(huán)部分后，單片機(jī)會不斷檢查是否有按鍵按下，如果沒有按鍵按下，就繼續(xù)檢查；如果檢測到有按鍵按下，則通過nRF24L01將信號傳輸給接收模塊，執(zhí)行相應(yīng)的程序。

將接收機(jī)的接收地址以及將要發(fā)送的數(shù)據(jù)按時序順序依次送入NRF24L01；配置CONFIG寄存器，使之進(jìn)入發(fā)送模式;CE置高通過微控制器(至少10us)，激發(fā)NRF24L01進(jìn)行Enhanced ShockBurstTM發(fā)射；供電于射頻前端；打包射頻數(shù)據(jù)(包括加字頭和CRC校驗(yàn)碼)；發(fā)射數(shù)據(jù)包；完成發(fā)射，NRF24L01狀態(tài)為空閑。

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動主要是按一定的時間順序給給電機(jī)的各繞組有規(guī)律的連續(xù)不斷的通入電流，步進(jìn)電機(jī)才會轉(zhuǎn)動。根據(jù)電流的通入順序和頻率，步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)以及調(diào)速。在這個過程中，時間間隔是通過定時器中斷一定次數(shù)產(chǎn)生的。所以，定時器中斷程序的任務(wù)就是判斷電機(jī)的運(yùn)行方向，發(fā)送下一個脈沖，保存當(dāng)前的狀態(tài)。

3 系統(tǒng)測試

首先是NRF24L01通信，起初先測試該模塊是否能進(jìn)行通信。

對發(fā)送端硬件來說，從左到右的6個按鍵分別是正向加速、正向減速、反向加速、反向減速、開始和切換。紅外報警設(shè)備則設(shè)置為20cm報警距離，當(dāng)距離內(nèi)有障礙物時報警并停止運(yùn)轉(zhuǎn)，障礙物消失，報警聲停止，電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動。打開電源，顯示器點(diǎn)亮。按下開始按鍵后，再按下正向加速鍵，電機(jī)轉(zhuǎn)動，且顯示器上顯示速度和移動。當(dāng)紅外報警裝置在可感應(yīng)距離內(nèi)測到障礙物，紅外報警發(fā)出警報，并且電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

采用單片機(jī)作為控制核心，利用其強(qiáng)大的功能，將顯示電路、控制電路等有機(jī)的結(jié)合在一起。同時利用nRF24L01作為無線收發(fā)設(shè)備實(shí)現(xiàn)兩塊不同萬用板的通信。構(gòu)成一個統(tǒng)一的、操作方便的簡單系統(tǒng)。

通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，完成了任務(wù)。具體功能如下：完成率整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，能通過按鍵控制，無線控制另一塊萬用板上的電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、變速；能夠?qū)崿F(xiàn)告警功能，通過光電開關(guān)實(shí)現(xiàn)對障礙物的報警，并使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。

[1]曾慶波，張玉萍，崔妍等．單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2010：2-61

[2]劉寶延等．步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng)[M]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997：29-41

[3]高軍禮，盧卓權(quán)等．步進(jìn)電機(jī)一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2007，4-1:68-70

[4]樓然苗．51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例[M]．北京航空航天大學(xué)出版社，2006：30-56

劉瑞、楊豐華，男，沈陽工學(xué)院，學(xué)生。

鄭琳（通訊作者），女，遼寧人，沈陽工學(xué)院，教師，講師，碩士學(xué)位。