1、唐 山 学 院毕 业 设 计设计题目：基于 STC89C52 单片机的步进电机控制系统设计与实现系 别： 信息工程系 班 级： 姓 名： 指 导 教 师： 2013 年 6 月 10 日基于单片机的步进电机控制系统设计与实现摘 要步进电机是一种纯粹的数字控制电动机，是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，是现代定位驱动装置的核心，广泛应用在机械、电力、纺织、电子、仪表、印刷以及航空航天、船舶、兵器等国防工业等领域。基于单片机的步进电机控制系统具有稳定度高、成本低、控制方便、应用范围广等特点。本系统是由 STC89C52 单片机核心处理模块，遥控器命令输入模块，ULN2003 及 28BYJ-
2、48 步进电机组成的电机模块， 12864 液晶输出模块共同组成的基于单片机的步进电机控制系统。本设计以载波为 38KHZ 的红外遥控器作为用户的控制端，它的功能是把用户的命令转换为红外信号。红外信号由 TL1838 接收，它可以将光信号转换为电信号，并将其发送给微控制器 STC89C52。STC89C52 对电信号进行相应处理即可获得用户所发出的指令，并依此来控制 28BYJ48 型四相八拍电机并以 12864 液晶作为当前状态的显示器。用户可以对步进电机进行加速、减速、正转、反转的控制。本步进电机控制系统具有精度高、运行稳定、控制方便、维护简单、应用范围广等特点。关键词：STC89C52
3、12864 液晶 步进电机 红外遥控Design and Implementation of Stepper Motor Control System Based on MCUAbstractStepper motor is a kind of pure digital control motor and brushless dc motor controlled by electric pulse signal type. Stepper motor is the core of the modern orientation drive, widely used in machinery,
4、electric power, textile, electronics, instruments, printing and aerospace, ships, weapons, and other areas of the defense industry, etc. The characteristics of the stepping motor control system based on single chip microcomputer include high stability, low cost, convenient control and wide applicati
5、on , etc.The stepper motor control system consists of core processor using the single chip processor, command input control module using IR remote control , display module using 12864 LCD and 28BYJ48 stepping motor module which using ULN2003 as driver.The infrared remote control with carrier for 38
6、KHZ is used as the control end of the user, which can convert the users commands into the infrared signal. The TL1838 can receive the infrared signal and convert it into electrical signal, which input to tSTC89C52.The MCU can obtain instructions of users by processing the incoming signal and control
7、 stepping motor of the 28BYJ48 type, the current status can be shown by 12864 LCD. Users could control acceleration, deceleration, forward, inversion for the stepping motor. The features of the control system of stepper motor includes high precision, stable running, convenient control and simple mai
8、ntenance and wide application, etc.Key word: MCU; 12864 LCD; Stepper Motor; Infrared remote control目 录1 引言 .12 总体设计方案 .22.1 系统设计原理 .22.2 总体设计框图 .23 系统硬件模块的组成 33.1 单片机控制模块 33.1.1 STC89C52 主要结构 .33.1.2 STC89C52 功能特性描述 .33.1.3 时钟电路 .63.1.4 复位电路 63.2 步进电机模块 .73.2.1 步进电机简介 .73.2.2 步进电机的结构 83.2.3 28BYJ-48
9、 步进电机工作原理 .83.3 ULN2003 芯片概述与特点 .93.4 红外线发射接收模块 .103.4.1 红外线遥控的介绍 .103.4.2 红外通信基本原理 103.4.3 红外遥控发射系统 .123.4.4 红外遥控接收系统 .123.4.5 TL1838 与单片机的接口 143.5 12864 显示模块 .143.5.1 12864 液晶的特点 .143.5.2 12864 液晶的引脚说明 .153.5.3 12864 液晶的读写操作 .173.5.4 12864 液晶的控制指令 .173.5.5 12864 液晶接口电路 .203.6 蜂鸣器模块 .203.6.1 蜂鸣器介绍
10、.203.6.2 蜂鸣器的接口电路 .214 软件设计与调试 .224.1 主程序流程图 .224.2 程序设计思路 234.2.1 遥控器的解码 .234.2.2 步进电机的控制 .234.2.3 显示屏的控制 .244.2.4 蜂鸣器的控制 .244.2.5 模块中的通信 .245 编程与下载软件 .255.1 Keil 软件 255.2 STC-ISP 下载软件 266 硬件电路制作 .276.1 原理图的绘制 .276.2 电路实现的基本步骤 .277 结 论 .30谢 辞 .31参考文献 .32附 录 .33唐 山 学 院 毕 业 设 计11 引言步进电机是一种纯粹的数字控制电动机，
11、又称为阶跃电机或脉冲电机 1。是一种转动速率与转动步数可以由脉冲数量与频率控制的直流电机，也就是说这是一种转动速度与脉冲频率相一致的同步电机。它是一种将电脉冲能量转换为机械能的机制，这种方式使它转动的每一个角度，每个角度占用的时间都由用户掌控。随着科学技术的迅猛发展，步进电机的研究也到达了新的水准。定位驱动系统已完全由步进系统所主宰。在过去，人们认为步进系统在很多方面都不及伺服系统，但是由于技术的不断革新，材料的不断升级优化以及计算机技术的不断成熟，使得步进控制系统在技术层面上迎来了崭新的一页。定位驱动系统是处于不断发展状态的，经历了步进系统、直流伺服系统、交流伺服系统等过程的发展与过度，现在
12、又回到了步进控制系统。定位驱动装置之所以再一次回到步进系统，是因为它可以将系统简化，维护非常简单，它所构成的开环控制系统是无需反馈的，同时又能保持非常高的精度。所以现如今的定位驱动装置大多是采用步进系统的，这在将来的几十年都不会改变，这种由脉冲去控制转动方位，脉冲频率决定转动速度的定位方式一定会在很大程度上决定着工业与生活中的定位装置的发展趋势。步进电机的上述特点使得它广泛应用于冶金、机械、电力、纺织、电子、轻工、重工、电子、医疗、印刷以及航空航天等国防工业等领域。举一个典型的例子，数控机床在机械行业中有着举足轻重的地位，而数控机床的正常运转又是依赖步进电机的，它核心就是步进电机系统。这种无需
13、反馈的开环系统决定了数控机床的工作可靠、性能稳定、维护方便、加工迅捷的特点，也使数控机床成为如今机床发展的主要方向。在其他的许多行业中，步进控制系统也发挥着举足轻重的作用。比如我们在生活中常见的有钟表、广告牌、绘图仪等，在生产中常见的有印刷机器、纺织机、包装机械等。本设计主要是基于单片机的步进电机控制系统，可以通过遥控器的键盘设置期望的步进电机转动状态，通过红外发射装置及接收装置，使单片机接收到用户需要的控制命令，进行相应的处理，使步进电机改变运动状态并在 LCD 显示屏显示出来。本设计虽然是理论上的步进系统，并没有广泛应用于工业中的定位装置与生产当中。但是随着步进电机技术的不断革新和电机身上
14、所固有的脉冲与角位移严格成正比的特点，以及红外遥控的准确、迅捷、易于控制的优势，步进电机对步进电机稳定、高效、准确的控制，都决定了基于单片机的红外控制步进电机系统将在生活生产中迎来广阔的市场。为了表现步进电机的在生活生产中的应用广泛性，本设计的一些功能的设定有一定的针对性，可以具体的表现出红外控制唐 山 学 院 毕 业 设 计2的步进系统的优越性能。2 总体设计方案2.1 系统设计原理单片机 STC89C52 是整个系统关键部分，通过对遥控器上键盘的命令输入，经遥控器编码后发出红外信号，TL1838 接收到信号并在单片机中解码。本文提出的采用 38KHZ 的遥控器为核心控制器件的步进电机控制系
15、统， 根据输出信号的不同可以控制步进电机的转动状态，其中采用了 28BYJ-48 的步进电机，以ULN2003 为驱动芯片，并通过单片机程序控制和处理， 从而实现了步进电机的状态控制及相应状态显示。本系统采用 STC89C52 单片机为核心处理器，遥控器为命令输入模块，由ULN2003 及 28BYJ-48 步进电机组成的转动模块、 12864 液晶的输出模块共同组成的基于单片机的步进电机控制系统。2.2 总体设计框图本设计采用 STC89C52 单片机为核心处理器，利用载波为 38KHZ 的遥控器为输入模块键盘输入模块，控制步进电机的正转和反转，并以三种不同的速度进行转动，并且转动状态在 1
16、2864 液晶上显示。系统构成如图 2-1 所示。图 2-1 系统框图由系统框图可知，遥控器和 TL1838 为输入装置，步进电机、12864 液晶、蜂鸣器为输出装置，单片机为中心处理装置，ULN2003 为驱动器。遥控器 TL1838单片机ULN2003步进电机 12864 液晶 蜂鸣器唐 山 学 院 毕 业 设 计33 系统硬件模块的组成3.1 单片机控制模块主控电路中，以单片机为主体，通过分析遥控输入的指令，改变步进电机的运行参数和显示参数。它是系统的大脑。单片机（Micro Controller，又称微控制器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型机算计，这些部件包括中央处理器 CPU、数
17、据存贮器 RAM、程序存贮器ROM、定时器 /计数器和多种 I/O 接口电路 3。3.1.1 STC89C52 主要结构STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，内置 4KB EEPROM，MAX810 复位电路，三个 16 位定时器/ 计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口
18、4。3.1.2 STC89C52 功能特性描述STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用宏晶公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。STC89C52具有以下标准功能：8k 字节 Flash、256 字节 RAM、32 位 I/O 口线、看门狗定时器、2 个数据指针、三个 16 位定时
19、器/计数器、一个 6 向量 2 级中断结构、全双工串行口、片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下个中断或硬件复位为止 5。STC89C52 的引脚结构如图 3-1 所示。唐 山 学 院 毕 业 设 计4图 3-1 STC89C52 单片机引脚图 GND：接地。VCC：供电电压。P0 口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8个 TTL
20、逻辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下，P0 具有内部上拉电阻。在 flash 编程时， P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。此外，P1.0 和 P1.2 分别作定时器/计数器 2 的外部计数
21、输入（P1.0/T2）和时器/计数器 2 的触发输入（P1.1/T2EX ） ，在 flash 编程和校验时，P1 口接收低 8 位地址字节。 P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向I/O 口， P2 输出缓冲器。能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输P.0TEX3567RS9xDINWALVCU唐 山 学 院 毕 业 设 计5出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故
22、。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL门电流。当 P3 口写入“1 ”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如表 3-1 所示。表 3-
23、1 P3 口的第二功能信道位 第二功能 说明P3.0 RXD 串行口的输出P3.1 TXD 串行口的输入P3.2 Error! 外部中断 0 的中断请求输入P3.3 Error! 外部中断 1 的中断请求输入P3.4 T0 计数器 0 的计数输入P3.5 T1 计数器 1 的计数输入P3.6 Error! 外部数据存储器的写选通信号P3.7 Error! 外部数据存储器的读选通信号RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
24、在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机PSEN器周期两次 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 信号将PSEN唐 山 学 院 毕 业 设 计6不出现。/VPP：当 保持
25、低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-EAFFFFH） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时， 将内部锁定为EARESET；当 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP） 。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.3 时钟电路STC89C52 有内部时钟和外部时钟两种连接方式。设计中使用内部时钟，即在RXD 和 TXD 两端并联晶振和适当电容。需要注意的是并不是晶振有定时的作用，而是通过和单片机内部的高增益反相放大器连接，使它可以在一定频率下稳定震动
26、，起到口令的作用。其连接电路如图 3-2 所示。图 3-2 时钟电路 在 RXD 和 TXD 引脚上并联的晶振是系统的定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。 时钟电路中选用的晶振可以在 1.224MHz 之间选择，并联的电容值可在 530pF 之间选择，为单片机提供了有序准确的命令，是单片机正常运行的前提。3.1.4 复位电路AT89C52 的外围电路是必须有复位功能的，一般分为自动复位和按键复位。设计使用的是手动复位，电路原理是在普通 RC 复位电路的基础上接一个有下拉电阻 10K、上拉电容 10f 接 VCC，电源由开关经串接的 1K 限流电阻至复位脚（和上拉电容并联） ，上拉电容支路负责在
27、“上电”瞬间实施复位；开关通过 1K 上拉电阻和 10K 下拉电阻分压器，保证对单片机实施按键电平复位 6。电路图如图 3-3所示。2Y.09M3pFCaSemiXTLGND唐 山 学 院 毕 业 设 计7图 3-3 复位电路复位可以对单片机初始化。其主要功能是把 PC 初始化为 0000H，使单片机从0000H 单元开始执行程序 7。复位一般有两种作用，一种是在进入系统时要正常的初始化，另一种是程序可能会出现错误，运行混乱，是系统处于死锁状态，为了解决这种困境，通常采用复位方式。3.2 步进电机模块3.2.1 步进电机简介人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足各种运动控制系
28、统的要求。为了适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电机。从发展趋向来讲，步进电机已经能与直流电动机，异步电动机，以及同步电动机并列，成为电动机的一种基本类型，步进电机己成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。步进电机是电动脉冲信号为角位移或线位移的开环步进电机控制元件块。步进电机对于其他种类电机的优势是在非超载的情况下,电机的运动状态如电动机转速、停止的位置非常稳定，可以完全在用户的掌控之中的，负载的变化，在恶劣环境下都不会对它产生影响，这取决于它的控制方式的与众不同。步进电机的转动圈数完全取决于给它脉冲的数量，它转动速
29、度又完全取决于脉冲频率。只要给步进电机一个脉冲，就会驱动电机在旋转方向上转动一个固定的角度，称为“步进角” ，旋转角度是固定的一步一步的操作 8。所以它的可操作性非常优越，但是步进电机的转动速度是比较慢的，随着科技的发展，这种缺点也在逐渐改善。步进电机的实物图如图 3-4 所示。10KR5+VufC2SW-PBGNDT唐 山 学 院 毕 业 设 计8图 3-4 28BYJ48 型四相八拍电机本设计选择 28BYJ-48 步进电机作为设计对象，步进电机 28BYJ48 型四相八拍电机，电压为 DC5VDC12V。使步进电机连续转动的方法是不断的供给控制脉冲。每个脉冲都对应步进电机的某一项或两项绕
30、组，当它的通电状态改变时对应的转子就会转过一定角度， 这个角度叫做步距角。通电状态改变一个周期时转子所转的角度成为齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A） ，双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB） ，八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A ） 。3.2.2 步进电机的结构步进电机有转子和定子两部分，在电流作用下的，定子和转子的相互作用，使得电机不停转动。28BYJ-48 步进电机的定子是由硅钢片叠成的，定子上有 8 大磁极，每 2 个相对的磁极（N，S）组成一对，共有 4 对，如图 3-5 所示。定子齿
31、有个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/4 、2/4、3/4（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以 表示） ，即 A 与齿 1相对齐，B 与齿 2 向右错开 1/4，C 与齿 3 向右错开 1/2，D 与齿 4 向右错开3/4。而转子是由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小齿,与定子上的小齿相同，并且小齿的大小相同，间距相同。3.2.3 28BYJ-48 步进电机工作原理步进电机是一种将电脉冲转换为角位移的执行机构，步进电机的转动圈数完全取决于给它脉冲的数量，它转动速度又完全取决于脉冲频率。只要给步进电机一个脉冲，就会驱动电机在旋转方向上转动一个固定的角度,可以通过电脉冲个数
32、来控制角偏移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率，来控唐 山 学 院 毕 业 设 计9制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。本设计选择 28BYJ-48 步进电机作为设计对象，其原理图如 3-5 所示。图 3-5 步进电机接线示意图在图中可以看到附在周围的是定子，在中间的是转子。定子的作用是产生一个电磁场，这个电磁场和转子的磁场可以产生一个扭力 9，使得步进电机转动。但是定子的电磁场是不能和转子磁场在同一直线的。使步进电机不停转动的前提是定子的磁场不停的变换，这个变换是通过一次改变绕组的磁场，始终是定子和转子的磁场产生错位，促使步进电机的稳定转动。而改变磁场切换的时间间
33、隔，就可以控制步进电机的速度了，这就是步进电机的驱动原理。由于单片机的驱动电流较小，不能直接用来驱动步进电机，优势不能充分展现，所以一般都是使用ULN2003 达林顿阵列驱动，可以为步进电机提供较大的扭力，使电机稳定工作。3.3 ULN2003 芯片概述与特点ULN2003 芯片是高耐压、大电流达林顿阵列，由 7 组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动 7 组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路 10。由于步进电机并不是简单的转动，它要带动不同的负载，完成不同的工作，所以需要产生较大的扭力，又由于直接使用三极管驱动的局限和功率电子电路大多要求具有大电流输出
34、能力，所以步进电机的驱动一般使用 ULN2003。ULN2003 芯片高压大电流达林顿晶体管阵列产品属于可控大功率器件功率驱动电路，可控大功率驱动器件驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。具体电路图如图 3-6 所示。唐 山 学 院 毕 业 设 计10图 3-6 ULN2003 接线示意图ULN2003实际上只是一个放大电路，用来放大电流，对于实际的逻辑控制没有任何作用。如果没有这个芯片电机也会转动，只是转动的扭力会受很大影响，制约步进电机的性能。3.4 红外线发射接收模块3.4.1 红外线遥控的介绍红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，在太阳光中就包含着红外线。由德国科学家霍
35、胥尔于 1800 年发现，又称为红外热辐射。很多人不知道红外线与紫外线等不可见光线或者红光等可见光线的产生区别，它们最大的区别是波长不同，波长是震荡频率的结果。人眼能够识别的可见光的种类为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，波长是从长到短排列的。其中红光的波长范围为 0.620.76um ；紫光的波长范围为 0.380.46。比紫光的波长还要短的光叫紫外线，比红光的波长还要长的光叫红外线。红外线遥控技术就是利用波长为 0.761.5m 之间的近红外线来传送控制信号的。红外线是我们最常用的一种不可见光线，家用电器的遥控器基本上都是使用红外线。有一个很有趣的特点，当按下遥控器的键盘时，我们看不到红外发射头
36、发出的光线，但是如果我们用照相机来对着红外发射头，按下键盘时，在相机中我们可以观察到它发出了亮光。红外遥控的特点是造价较低，适合市场的推广，各类家庭用户的使用。编解码较容易，不会因为程序电路的复杂性而经常出现故障。它由 32 位码长，4 段码，通过用户码的不同区别开了不同产品的不同遥控，以免互相干扰，不影响周边环境、不干扰其它电器设备。还有一个重要原因，红外线不会对人体造成伤害，发射接收距离较长，方便用户使用。一般在 10 米以内可以灵敏接收的。3.4.2 红外通信基本原理 唐 山 学 院 毕 业 设 计11通信控制系统大多是由发射与接收两部分组成的，红外通信也不例外。发射系统对一个红外辐射源
37、进行调制后发射红外信号，而接收系统用红外一体化接收头进行接收，两者联合构成了红外通信系统。红外通信的基本原理是：发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号（载波信号） ，通过红外发射管发射红外信号。红外信号由接收端转换成电信号，并对其进行放大、滤波等处理，还原成二进制数字信号，并将其输出。由于各遥控产品的不同，还有很多不同的遥控厂商，必须有一个通信协议来保障不同种类的红外产品获得最佳的通信效果。红外线的波长在 750nm 至 1mm 之间，红外通信一般采用红外波段内的近红外线，波长在 0.75um 至 25um 之间。红外数据协会将红外通信协议定为波长限定在 850nm900nm 范围之间
38、。红外线的调制方法常用的有两种，一种是通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制（PWM） ，另一种是通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉冲调制（PPM） 13 。本设计采用脉冲调制方法，即二进制信息由两个脉冲的时间间隔来表示，首先产生一个同步头，然后产生 2 个 8 位用户码，接着 8 位数据码和 8 位数据反码，如图 3-7 所示 。图3-7 PPM调制波形图红外遥控的一个数据帧是由引导码、用户码、数据码和数据反码组成的。每个品牌的用户码一般都是不同的，数据码同种种类的遥控器一般差异不大。每段码都为 8 位，2 段用户码，数据码及其反码只有 1 段。每帧数据由一个起始位、2段 8 个用户码
39、位 8 个数据码和数据反码构成，如图 3-8 所示。每帧传送 1 个字节的数据。图 3-8 数据帧结构示意图由于红外光存在反射,在全双工的方式下发送的信号也可能会被本身接收，因0.56ms 0.56ms1.125ms 2.25ms数据 0 数据 14.5ms4.5ms引导码 用户码 用户码 数据码 数据反码数据帧结构8 位 8 位 8 位 8 位唐 山 学 院 毕 业 设 计12此，红外通信应采用异步半双工方式，即通信的某一方发送和接收交替进行。3.4.3 红外遥控发射系统红外遥控系统结构红外遥控系统主要分为调制、发射、接收和解调四部分，如图 3-9 所示。图 3-9 红外遥控系统调制红外遥控
40、发射数据时采用调制的方式，即把数据和一定频率的载波进行“与”操作，这样可以提高发射效率和降低电源功耗。调制载波频率一般在30kHz 到 60kHz 之间，一般红外遥控使用的是 38kHz，占空比 1/3 的方波。如图 3-10 所示。8.8us26.4us图 3-10 载波波形有很多芯片都可以发射红外光，但是对于遥控的芯片选择要考虑使用设备和编码种类的不同。对于家用电器的遥控，必须功率要低，这样电池才可以长时间使用，一般都使用可休眠的的发射芯片，能不按键时遥控处于不工作模式。芯片一般选用的晶振为陶瓷共鸣器，因为其有足够的物理撞击能力，虽然准确性不如石英晶体，但是通常是可以允许一些误差的。经过编
41、码后，要用专用的发射头发射出去。普通的发光二极管是不能担此重任的，因为它只能发射出可见光。红外发射二极管是专门用来发射红外线的，它的内部材料是与普通二极管完全不同的，所以导致了其发出的是红外线而不是可见光 12。听上去红外发射二极管价格也很便宜，与普通发光二极管差不多，某些方面也促进了红外通信技术的发展。3.4.4 红外遥控接收系统有发射就要有接收，由于发射的红外线有 38K 的载波，所以一定要先把接收的信号滤波才行，为了得到准确的编码，还要把信号进行放大、积分等。这是一个复杂的过程，也应该有复杂的电路来处理。随着科技的发展，芯片集成能力的不断提高，这个看似复杂的任务只需要一个叫做红外接收头的
42、电子器件就可以完唐 山 学 院 毕 业 设 计13成工作。常用的红外接收头有 HX1838，TL1838 等，它们的性能、结构基本都是一样的，可以把 38K 载波滤掉，并进行一定的处理，使中心处理器件接收到准确的编码，但需要注意的是它处理后的是原来编码的反码。图 3-11 中就是 TL1838一体化红外接收头，其 38 就是接收 38K 载波的意思。图 3-11 TL1838 实物图TL1838 如图 3-11 所示，从左边开始，分别为 1 脚、2 脚、3 脚，分别为信号输出脚、地和电源，其电平与 TTL 兼容。TL1838 系列特性如下：工作电压：2.75.5V工作电流：1.4mA距离：15
43、M频率：38K角度：45波长：940nm当 TL1838 接收到红外光信号时，内部的 PIN 红外接收管将其装换为电信号，又经过放大电路、解调电路的作用，由输出引脚输出与 TTL 电平兼容的电信号，该电信号可以直接送到微处理器中处理。 TL1838 的输出波形如图 3-12 所示。当接收到频带内的红外信号时，TL1838接收器会输出低电平，否则数出高电平，从而“将时断时续”的红外信号解调成原来的连续方波信号。需要注意的一点是，它并没有把红外信号解码，因为它处理后发出的信号不是标准的 1、0 高低电平。不管是 1 还是 0，都包含着高低电平，只是高低电平所持续的时间是不同的，这需要单片机自己通过
44、程序来判断了。唐 山 学 院 毕 业 设 计14图 3-12(a) 已调制红外信号 (b) TL1838 输出信号TL1838 的有效传输距离是 15m，它的工作电压为 2.75.5V，接收稳定，功率小，在各种红外接收场合的可以使用。TL1838 由于它的稳定性能，低廉的价格，是一款性价比很高的红外一体化接收头 13。3.4.5 TL1838 与单片机的接口本设计的红外遥控系统是将普通遥控器解码，把它的 32 位码写进单片机程序中，使得可以通过对遥控器键盘的控制，单片机可以得到相对指令。其连接线电路如图 3-13 所示。图 3-13 遥控的接收头的连线把其输出端接单片机的外部中断 0，每当遥控
45、器发出信号时都会触发单片机外部中断，这时再触发单片机的定时中断对其发出的信号进行鉴定，以检测出其码位。3.5 12864 显示模块3.5.1 12864 液晶的特点现在的字符型液晶模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。12864 型液晶显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。设计中用到的就是这种显示屏。其实物图如图 3-14 所示。低电平高电平GND+5V123UTL8P.唐 山 学 院 毕 业 设 计15图 3-14 12864 实物图12864 型液晶显示屏共有 20 个引脚，其中有 8 位数据总线 D0D7，5 个控制引脚 R/W、E、RS 、PSB 、RST，5 个
46、电源引脚，其中包括背光电源和显示器电源。三个用于调节背景亮度和字符亮度以及供电的引脚。12864 型液晶是利用液晶经过处理后能够改变光线传输方向的特性，达到显示字符或图形的目的。它由点阵字符显示器件和专用的行和列驱动器组成，体积小、功耗极低、显示内容丰富。可以通过对外围电路的调节来控制屏幕亮度，工作电压为 5V。本设计使用的液晶使用 ST7920 控制器，5V 电压驱动，带背光，内置 8192 个16*16 点阵、128 个字符（8*16 点阵）及 64*256 点阵显示 RAM。与外部 CPU 接口采用并行或串行两种控制方式。3.5.2 12864 液晶的引脚说明12864 液晶有多种驱动芯
47、片，虽然驱动芯片有很多种，但原理基本相同。本次设计采用驱动芯片为 ST7920 的 12864 液晶对步进电机工作状态进行显示，其引脚分布图如图 3-15 所示。唐 山 学 院 毕 业 设 计16图 3-15 12864 液晶管脚图12864 液晶管脚及其功能描述，如表 3-2 所示：表 3-2 12864 管脚说明管脚号 管脚名称 电平 管脚功能描述1 VSS 0V 电源地2 VCC 35V 电源正3 V0 对比度（亮度）调整4 RS(CS) H/L RS=“H”，表示 DB7DB0 为显示数据RS=“L”，表示 DB7DB0 为显示指令数据5 R/W(SID) H/L R/W=“H”，E=
48、“H”，数据被读到 DB7DB0R/W=“L”，E=“HL”，DB7DB0 的数据被写到 R 或 DR 6 E(SCLK) H/L 使能信号7 DB0 H/L 三态数据线8 DB1 H/L 三态数据线9 DB2 H/L 三态数据线10 DB3 H/L 三态数据线11 DB4 H/L 三态数据线12 DB5 H/L 三态数据线13 DB6 H/L 三态数据线14 DB7 H/L 三态数据线15 PSB H/L H：8 位或 4 位并口方式，L：串口方式16 NC 空脚17 RESET H/L 复位端，低电平有效18 VOUT LCD 驱动电压输出端19 A VDD 背光源正端VSC0EDBNPK
49、/WTOU唐 山 学 院 毕 业 设 计17在对液晶模块进行操作时，其忙标志位（BF）提供内部工作情况， BF=1 表示模块在进行内部操作，此时模块不接受外部指令和数据。BF=0 时，模块为准备状态，随时可以接受外部指令和数据 14。原则上每次对控制器进行读/写操作之前，都必须进行读 /写检测。实际上，由于单片机的操作速度低于液晶控制器的反应速度，因此可不必进行读/写检测，或只进行简短的延时即可。3.5.3 12864 液晶的读写操作12864 与外部 CPU 接口有并行或串行两种控制方式，由于本设计采用的是并行读写模式，所以主要介绍并行控制方式。读状态的操作时序为RS=L， R/W=H，E=H；读数据操作时序为 RS=H， R/W=H，E=H ；时序图如图 3-16 所示。图 3-16 12864 液晶的读时序20 K VSS 背光源负端唐 山 学 院 毕 业 设 计18写指令的操作指令为 RS=L，R/W=L ，E= 高脉冲脉冲，DB0 DB7= 指令码。写数据的操作指令为 RS=H，R/W=L ，E= 高脉冲， DB0DB
