基于51单片机的红外遥控电机系统的设计 毕业论文.doc

长江大学工程技术学院 毕 业 设 计 (论 文 ) 题 目 名 称 基于 51 单片机的红外遥控电机系统的设计 题 目 类 型 毕 业 设 计 系 部 信 息 系 专 业 班 级 自动化 0601 班 学 生 姓 名 指 导 教 师 辅 导 教 师 时 间 2009 年 11 月 25 至 2010 年 6 月 1 日 目录 毕业设计(论文)任务书 i 毕业设计（论文）开题报告 .ii 毕业论文(设计)指导教师评审意见 iii 毕业论文(设计)评阅教师评语 .iv 毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定 v 中文摘要 .vi 英文摘要 vii 前言 1 绪论 2 1.1 题目来源 2 1.2 研究目的和意义 2 1.3 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向 2 1.4 主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路 3 方案论证 5 2.1 红外遥控系统的工作原理 5 2.1.1 红外线的特性 5 2.1.2 红外遥控系统组成 .5 2.2 方案一的论述 8 2.3 方案二的论述 9 2.4 最终方案的确立 9 3 系统功能的分析 .10 3.1 系统原理图 .10 3.1.1 红外编码及发射系统原理图 10 3.1.2 红外接收及处理系统原理图 .10 3.2 各个模块实现方式的设计分析 11 3.2.1 mcu 11 3.2.2 键盘 .15 3.2.3 红外发射电路 .17 3.2.4 红外接收电路 .17 3.2.5 液晶显示电路 .18 3.2.6 电机 .21 3.2.7 电机驱动电路 .24 4 系统硬件电路设计 .30 4.1 红外编码及发射系统硬件电路设计 .30 4.2 红外接收及处理系统电路设计 .31 5 系统软件设计 .33 5.1 红外通信的编码与解码规则和原理 .33 5.1.1 红外通信原理 .33 5.1.2 红外通信的编码与解码 .34 5.2 红外编码及发射程序设计 .37 5.2.1 红外编码及发射主程序设计 37 5.2.2 红外编码子程序设计 37 5.2.3 键盘扫描子程序设计 .39 5.2.4 定时中断子程序设计 .39 5.3 红外接收解码及处理程序设计 .40 5.3.1 红外接收解码及处理主程序设计 40 5.3.2 红外解码子程序设计 41 5.3.3 lcd1602 显示子程序的设计 43 6 系统测试分析 .44 6.1 硬件电路的测试 .44 6.2 软件测试 .46 6.3 系统的整体测试 .48 7 结束语 .50 参考文献 .50 致谢 .52 附录 a 仿真截图 .53 附录 b 源程序代码 .54 附录 b.1 红外编码及发射源程序代码 .54 附录 b.2 红外接收解码及处理源程序代码 .63 i 长江大学工程技术学院毕业设计(论文)任务书 系 信息系 专业 自动化 班级 0601 班 学 生 姓 名 焦登锋 指导教师/职称 徐爱钧/ 教授、朱嵘涛/助教 1. 毕业设计(论文) 题目： 基于 51 单片机的红外遥控电机系统的设计 2. 毕业设计(论文) 起止时间： 2009 年 11 月 25 日2010 年 6 月 1 日 3毕业设计(论文) 所需资料及原始数据（指导教师选定部分） 1 康华光主编.电子技术基础(模拟部分). 北京:高等教育出版社, 1999年 2 康华光主编.电子技术基础(数字部分). 北京:高等教育出版社, 2000年 3 孙传友等编著.感测技术基础. 电子工业出版社. 2003年 4 孙传友等编著.测控电路及装置. 北京航空航天大学出版社. 2003年 5 孙传友等编著.测控系统原理及设计. 北京航空航天大学出版社. 2003年 6谭浩强mcs-51单片机应用教程.清华大学出版社. 2004年 7张振荣mcs-51单片机及实用教程.人民邮电出版社. 2000年 8康华光电子技术基础.高等教育出版社. 2000年 9 谭维瑜编 电机与电气控制 . 机械工业出版社. 2007年 10 王俊峰 薛鸿德 现代遥控技术及应用 .人民邮电出版社. 2005年 11王 环 张亚宁 单片机程序设计实例.清华大学出版社. 2003年 12 肖景和 赵健红外线热释电与超声波遥控电路.人民邮电出版社. 2003年 13 苏长赞 红外线与超声波遥控 .人民邮电出版社. 2001年 14 陈永甫 红外辐射红外器件与典型应用 .电子工业出版社. 2004年 15 邸敏艳 电机与控制 .电子工业出版社. 2003年 4毕业设计(论文) 应完成的主要内容 方案的选用与设计 硬件电路 软件编程 5毕业设计(论文) 的目标及具体要求 目标：用红外线遥控器对电机系统进行控制。 i 要求： 1、 采用液晶显示。 2、 能控制步进电机的启停、转向、速度。 3、 能实现步进电机的位置控制。 6、完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求 微机一台：cpu 1.5g 以上、内存 256m 以上、硬盘 40g 以上 软件：keil proteus 单片机开发板一块 上机时数要求：大约 148 小时 任 务 书 批 准 日 期 年 月 日 系 主 任 （ 责 任 教 授 ） (签 字 ) 任 务 书 下 达 日 期 年 月 日 指 导 教 师 (签 字 ) 完 成 任 务 日 期 年 月 日 学生（签名） 长江大学工程技术学院 毕业设计（论文）开题报告 题 目 名 称 基于 51 单片机的红外遥控电机系统的设计 题 目 类 型 毕 业 设 计 系 部 信 息 系 专 业 班 级 自动化 0601 班 学 生 姓 名 焦 登 锋 指 导 教 师 徐爱钧 / 教授 辅 导 教 师 朱嵘涛 / 助教 开题报告时间 2010 年 3 月 1 日 ii 基于 51 单片机的红外遥控电机系统的设计 学 生：焦登锋 指导教师：徐爱钧/教授、朱嵘涛/助教 一、题目来源 题目来源于生产/社会实际。 二、研究目的和意义 51 系列单片机是一类很常见并且应用很广泛的单片微型计算机。红外线遥 控是目前使用广泛的一种通信和遥控手段，它不影响周边环境、不干扰其它电 器设备；电路调试简单，只要按给定电路连接无误，一般不需任何调试即可投 入工作；编解码容易，可进行多路遥控。由于红外线遥控装置具有体积小、功 耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响 设备、空调机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。工业设 备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅完全可 靠而且能有效地隔离电气干扰。电动机是机电行业中应用最为广泛的设备之一， 是其它机电设备的动力源泉。因此，在工农业生产中，电动机的转速测控是非 常重要的。本课题红外遥控系统研究利用单片机发射和接收红外线信号对步进 电机进行的控制，主要包括红外线信号的收发、液晶显示、矩阵键盘扫描、电 动机转速及方向控制等几个重要功能模块。经实践证明，本设计的测控原理及 方法不仅适用于步进电动机，还可以对交流及直流电动机进行测控。本课题首 先通过对红外线遥控工作原理的分析，提出基于 51 单片机进行编码、译码， 并将脉冲信号调制在 38khz 的高频载波上发射和接收。编写了红外发射和接收 程序，通过解码控制多个以电动机为代表的动作单元完成特定的动作，巩固了 运用微控制器设计一定的控制系统的专业知识。动作单元还可以是其他的可执 行元件（继电器、电磁阀、电阻丝、晶闸管、plc） ，该设计可以应用在日 常 ii 生活、工业生产实际当中。 三、阅读的主要参考文献及资料名称 1谭浩强mcs-51单片机应用教程清华大学出版社 2004年 2张振荣mcs-51单片机及实用教程 人民邮电出版社 2000年 3康华光电子技术基础 高等教育出版社 2000年 4 谭维瑜编 电机与电气控制 机械工业出版社 2007年 5 王俊峰 薛鸿德 现代遥控技术及应用 人民邮电出版社 2005年 6王 环 张亚宁 单片机程序设计实例 清华大学出版社 2003年 7 肖景和 赵健红外线热释电与超声波遥控电路 人民邮电出版社 2003年 8 苏长赞 红外线与超声波遥控 人民邮电出版社 2001年 9 陈永甫 红外辐射红外器件与典型应用 电子工业出版社 2004年 10 邸敏艳 电机与控制 电子工业出版社 2003 年 11 王东锋 单片机 c 语言应用 100 例 电子工业出版社 2009 年 12 惠仇 手把手教你学单片机 电子工业出版社 2003 年 ii 四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向 随着科技的日益发展，人们对近距离的现场遥控以及无线通信的技术指标 要求越来越高，尤其是在模拟锁相环集成电路和传感器技术的巨大进步下，大 大加速了这个进程。目前无线产品在各个领域中已相当普遍的被使用，但大多 都存在着很大的局限性，如：电路繁杂，计算难度大且多数运用的是模拟电路。 这不仅使其抗干扰能力差、准确度低，也加剧了电路的调试和维护难度。于是 越来越多的遥控系统和数据通信系统引入了不可见的红外线作为传输媒介进行 通信，组成了无线红外遥控系统。红外遥控是一种无线、非接触控制技术，具 有信息传输可靠、抗干扰能力强、安全度高、功耗低、成本低、易实现等显著 优点，是目前应用最为广泛的一种通信和遥控手段。 红外线遥控不具有像无线电遥控那样可以穿过障碍物去控制被控对象的能 力，属运用红外线的发射和接收原理为基础的遥控技术。由于红外线为不可见 光，因此对环境影响很小，再由红外光波的波长远小于无线电波的波长，所以 红外线遥控不会影响其他家用电器，也不会影响临近的无线电设备。所以，在 设计家用电器的红外线遥控器时，不必像无线电遥控器那样，每套(发射器和 接收器)要有不同的遥控频率或编码(否则，就会隔墙控制或干扰邻居的家用电 器)。所以同类产品的红外线遥控器，可以有相同的遥控频率或编码，而不会 出现遥控信号“串门”的情况。这对于大批量生产以及在家用电器上普及红外 线遥控提供了极大的方便。红外遥控系统作为以红外线为传送信息媒介的短距 离无线遥控控制电路系统，具有准确度高、速度快、既方便又实用等诸多的优 点。它可以方便地达到让你随意操纵用电器之目的，因而有很大的推广和使用 价值 基于 51 单片机的红外遥控电机系统就是红外遥控系统的应用之一。本课 题研究如何用 51 单片机进行红外编码及解码并控制多台步进电机联动或者单 独动作，动作方式有同时或者单独的转速或者转向变化。此系统通过适当修改， 可用于各种运动装置的电机控制系统。 ii 五、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路 1 主要研究内容： 如何用 51 单片机进行红外编码及解码并控制多台步进电机联动或者单独 动作，动作方式有同时或者单独的转速或者转向变化。还要控制过程中把电机 的运动状态和转速用 lcd 液晶显示器显示出来。 2 需重点研究的关键问题： 需重点研究 51 单片机的硬件结构和编程方法及最小系统；字符型 lcd 液 晶显示接口技术；led 数码管接口技术；键盘接口技术；红外编码及解码原理； 步进电机的控制原理；器件的选型。 3 解决思路： 温顾所学的 51 单片机知识，查找与最小系统、字符型 lcd 液晶显示接口 技术、led 数码管接口技术、键盘接口技术、红外编码及解码原理、步进电机 的控制原理、器件的选型相关的图书资料。 六、完成毕业设计（论文）所必须具备的工作条件（如工具书、计算机 辅助设计、某类市场调研、实验设备和实验环境条件等）及解决的 办法 1 所必须具备的工作条件： 51 单片机书籍：手把手教你学 51 单片机 、 单片机 c 语言应用 100 例 、 数字电子技术 、 模拟电子技术 实验设备：一台 pc 机器、稳压直流电源、两块 51 单片机实验板、程序下 载线、lcd1602 一块、4*4 键盘、l297 若干、l298 若干、四相五线制步进电机 若干台、万用表一台、示波器一台、电阻、电容、导线、红外线接收解码一体 化芯片 hs0038、红外发射管、共阳极 7 段数码管、发光二极管。 编程及仿真软件：keil c uvision3 、 proteus 7.4 、 程序在线下载 软件 。 2 解决的办法 在校图书馆借阅相关图书资料，向学校实验室借用实验设备与器材。 ii 七、工作的主要阶段、进度与时间安排 主要分为以下几个阶段： 3 月 1 日4 月 1 日 网上查资料、完成文献翻译、开题报告； 4 月 2 日4 月 10 日 查看相关资料及进行方案论证，做好设计计划； 4 月 11 日4 月 20 日 研究 51 单片机的硬件结构和编程方法及最小系统；字符型 lcd 液晶显示接口技术；led 数码管接口技术；键盘接口技 术；红外编码及解码原理；步进电机的控制原理；器件的 选型； 4 月 21 日5 月 1 日 编程、仿真、搭建硬件电路、进行软件硬件调试与系统调 试； 5 月 2 日5 月 10 日 完成毕业论文初稿； 5 月 11 日6 月 10 日 毕业论文及相关文档定稿、审查、评阅； 6 月 11 日6 月 12 日 毕业设计答辩。 八、指导教师审查意见 iii 长江大学工程技术学院毕业论文( 设计)指导教师评审意见 学生姓名 专业班级 毕业设计 (论文)题目 指导教师 职 称 审查日期 审查参考内容：毕业设计(论文 )的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平， 存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题 的能力，毕业设计(论文)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。 审查意见： 指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分 iv iv 长江大学工程技术学院毕业论文( 设计)评阅教师评语 学生姓名 专业班级 毕业设计 (论文)题目 评阅教师 职 称 评阅日期 评阅参考内容：毕业设计(论文 )的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平， 存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业设计(论文) 是否 完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。 评语： 评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分 v vi 长江大学工程技术学院毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定 学生姓名 专业班级 毕业设计 (论文)题目 答辩时间 年 月 日 时 答辩地点 一、答辩小组组成 答辩小组组长： 成 员： 二、答辩记录摘要 答辩小组提问（分条摘要列举） 学生回答情况评判 三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 毕业设计(论文) 最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师 评分、答辩小组评分和学校关于毕业设计(论文)评分的相关规定) 等级(五级制 )：_ 答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日 系答辩委员会主任(签名) ： 系 (盖章) 中文摘要 vii 基于 51 单片机的红外遥控电机系统的设计 学 生：焦登锋，信息系 指导教师：徐爱钧/教授、朱嵘涛/助教 【摘要】51 单片机是嵌入式系统的一种典型的代表，我们现在使用的电子产品如智 能手机、pda 等都是 arm 嵌入式系统。嵌入式系统具有体积小、性能好、便于学习 等优点，受到广大电子爱好者的喜爱和很多电子厂家的关注。我们可以利用嵌入式 系统改善和简化我们的生活，让我们的工作和学习更加有效率，从而实现更大的生 产力。本设计是通过设计一种可以测量和控制电机转速的系统，从而达到了解和掌 握一种对通用的测控系统的设计方法。设计从硬件和软件分别下手去分析和讨论， 这个系统比较简单，容易学习，而且易于操作，是一种比较实用的测控系统。 红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，是目前使用广 泛的一种近距离无线通信和遥控方式。为了满足工农业生产中对电机转速实时测控 要求，本文进行红外遥控电机系统的设计研究，详细地分析了各功能模块的硬件电 路的设计和相关软件程序的编写。本设计主要包括红外线信号的收发、液晶显示、 矩阵键盘扫描、步进电动机转速控制等几个重要功能模块。首先通过对红外线遥控 工作原理的分析，提出基于单片机 at89c51 进行编码、译码，并将脉冲信号调制在 38khz 的高频载波上，抑制红外干扰，设计了红外遥控电路，编写了红外发射和接 收程序,最后介绍了提高系统可扩展性的具体措施。本设计采用两片单片机组成红外 遥控电机系统，结构简单，功能强，运行可靠，可对多台电机进行良好测控。 【关键字】：51 单片机，红外遥控，电机系统,步进电机，lcd 显示 英文摘要 vii the design of infra-red remote control motor system based on 51 mcu student:jiao deng feng teacher:xu ai jun/ professor、 zhu rong tao/ teaching assistant 【abstract】：51 mcu is a typical representative of embedded system, the electronical products belong to embedded system, such as intelligent mobile, pda, and so on. with the advantages of small in size, good performance, the learning of facilitate, the embedded system is more and more familiar with majority of the electronic hobbyist and many electronics manufacturers. we can use the embedded system to improve and simplify our lives, making our work and learning more efficient, so as to achieve greater productivity. this design is by design a new measurement and control the speed of electrical systems to understand and grasp a common tracking control system design. design in hardware and software are down to analyse and discuss the system is simple, easy to learn, and easy operation, is a more practical tracking control system. infrared remote control device has small size, low power consumption, strong function, and low cost, is currently widely used in a short-range wireless communication and remote control. to meet the industrial and agricultural production in the right motor speed real-time measurement and control requirements, this infrared remote control electrical system design studies, detailed analysis of each functional module of the hardware circuit design and preparation of related software programs. this design includes send and receive infrared signals, lcd, matrix keyboard scanning, stepping motor speed control, and several other important functional blocks. first, the infrared remote control works through the analysis of proposed based on at89c51 microcontroller coding, decoding, and pulse modulated high-frequency carrier at 38khz, inhibit infrared interference designed infrared remote control circuit, the preparation of an infrared transmitter and receiver process, finally introduced to improve system scalability specific measures. this design uses two infrared remote control motor system composed of scm, simple structure and function of strong, reliable operation can be well monitoring and control multiple motors. 英文摘要 vii 【keywords】 : 51 microcontroller, infrared remote control, electrical systems, stepper motor, lcd display 长江大学工程技术学院 毕业设计（论文）文献综述 题 目 名 称 基于 51 单片机的红外遥控电机系统的设 计 题 目 类 型 毕 业 设 计 系 部 信 息 系 专 业 班 级 自动化 0601 班 学 生 姓 名 焦 登 锋 指 导 教 师 徐爱钧 / 教授 辅 导 教 师 朱嵘涛 / 助教 完 成 时 间 2010 年 6 月 1 日 前言 第 1 页 （共 76 页） 前言 目前，51 系列单片机在我国已得到大力推广和广泛应用，从工业控制到小型电 子产品都可以见到 51 单片机的身影。红外线遥控是目前使用广泛的一种通信和遥控 手段，它不影响周边环境、不干扰其它电器设备；电路调试简单，只要按给定电路 连接无误，一般不需任何调试即可投入工作；编解码容易，可进行多路遥控。电动 机是机电行业中应用最为广泛的设备之一，是其它机电设备的动力源泉。因此，在 工农业生产中，电动机的转速测控是非常重要的。本设计介绍了一种基于 at89s52 单片机的红外遥控步进电机系统的设计,系统分为红外遥控编码解码、lcd 显示和驱 动步进电机三个模块。设计的系统能通过遥控器来控制步进电机的速度方向，并实 现联动和单独动作，并且步进电机的状态能通过 lcd 液晶模块实时显示出来，使人 们直观的看出步进电机的运行状态。本系统是基于单片机控制的综合系统，单片机 通过对红外信号的解码来实现步进电机的速度控制、方向控制、联动控制及 lcd 实 时显示步进电机的转速。它综合了电子技术和单片机软硬件技术，本设计采用 at89s51 单片机为核心包含红外编码发射电路、接收解码电路、 lcd 显示电路和步 进电机驱动电路。通过红外编码遥控发射不同的码值来控制步进电机的正转反转、 加速减速以及启动停止、多个电机的联动、独个电机的单独动作，并通过 lcd 显示 出步进电机的状态。本课题首先通过对红外线遥控工作原理的分析，提出了基于 51 单片机进行编码、译码，并将脉冲信号调制在 38khz 的高频载波上发射和接收，设 计了红外遥控电路，编写了红外发射和接收程序。通过解码控制多个以电动机为代 表的动作单元完成特定的动作，巩固了运用微控制器设计一定的控制系统的专业知 识。动作单元还可以是其他的可执行元件（继电器、电磁阀、电阻丝、晶闸管、 plc、变频器、伺服驱动器） ，该设计可以应用在日常生活、工业生产实际当中、 比如红外遥控的家用电器、数控机床具有一定的现实意义。 本论文对该系统的工作原理、硬件电路和软件进行了详细介绍。 基于 51 单片机的红外遥控电机系统的设计 第 2 页 （共 76 页） 基于 51 单片机的红外遥控电机系统的设计 绪论 1.1 题目来源 生产/社会实际 1.2 研究目的和意义 51 系列单片机是一类很常见并且应用很广泛的单片微型计算机。红外线遥控是 目前使用广泛的一种通信和遥控手段，它不影响周边环境、不干扰其它电器设备； 电路调试简单，只要按给定电路连接无误，一般不需任何调试即可投入工作；编解 码容易，可进行多路遥控。由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成 本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空调机以及玩具 等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。工业设备中，在高压、辐射、有毒 气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。 电动机是机电行业中应用最为广泛的设备之一，是其它机电设备的动力源泉。因此， 在工农业生产中，电动机的转速测控是非常重要的。本红外遥控系统就是利用单片 机通过红外线进行对步进电机的控制，主要包括红外线信号的收发、液晶显示、矩 阵键盘扫描、电动机转速及方向控制等几个重要功能模块。经实践证明，本设计的 测控原理及方法不仅适用于步进电动机，还可以对交流及直流电动机进行测控。本 课题首先通过对红外线遥控工作原理的分析，提出了基于 51 单片机进行编码、译码， 并将脉冲信号调制在 38khz 的高频载波上发射和接收，设计了红外遥控电路，编写 了红外发射和接收程序。通过解码控制多个以电动机为代表的动作单元完成特定的 动作，巩固了运用微控制器设计一定的控制系统的专业知识。动作单元还可以是其 他的可执行元件（继电器、电磁阀、电阻丝、晶闸管、plc、变频器、伺服驱动 器） ，该设计可以应用在日常生活、工业生产实际当中、比如红外遥控的家用电 器、数控机床具有一定的现实意义。 1.3 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向 随着科技的日益发展，人们对近距离的现场遥控以及无线通信的技术指标要求 绪论 第 3 页 （共 76 页） 越来越高，尤其是在模拟锁相环集成电路和传感器技术的巨大进步下，大大加速了 这个进程。目前无线产品在各个领域中已相当普遍的被使用，但大多都存在着很大 的局限性，如：电路繁杂，计算难度大且多数运用的是模拟电路。这不仅使其抗干 扰能力差、准确度低，也加剧了电路的调试和维护难度。于是越来越多的遥控系统 和数据通信系统引入了不可见的红外线作为传输媒介进行通信，组成了无线红外遥 控系统。红外遥控是一种无线、非接触控制技术，具有信息传输可靠、抗干扰能力 强、安全度高、功耗低、成本低、易实现等显著优点，是目前应用最为广泛的一种 通信和遥控手段 10。 红外线遥控不具有像无线电遥控那样可以穿过障碍物去控制被控对象的能力， 属运用红外线的发射和接收原理为基础的遥控技术。由于红外线为不可见光，因此 对环境影响很小，再由红外光波的波长远小于无线电波的波长，所以红外线遥控不 会影响其他家用电器，也不会影响临近的无线电设备。所以，在设计家用电器的红 外线遥控器时，不必像无线电遥控器那样，每套(发射器和接收器)要有不同的遥控 频率或编码(否则，就会隔墙控制或干扰邻居的家用电器)。所以同类产品的红外线 遥控器，可以有相同的遥控频率或编码，而不会出现遥控信号“串门”的情况。这 对于大批量生产以及在家用电器上普及红外线遥控提供了极大的方便。红外遥控系 统作为以红外线为传送信息媒介的短距离无线遥控控制电路系统，具有准确度高、 速度快、既方便又实用等诸多的优点。它可以方便地达到让你随意操纵用电器之目 的，因而有很大的推广和使用价值。 基于 51 单片机的红外遥控电机系统就是红外遥控系统的应用之一。本课题研究 如何用 51 单片机进行红外编码及解码并控制多台步进电机联动或者单独动作，动作 方式有同时或者单独的转速或者转向变化。此系统通过适当修改，可用于各种运动 装置的电机控制系统。 1.4 主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路 (1) 主要研究内容： 如何用 51 单片机进行红外编码及解码并控制多台步进电机联动或者单独动作， 动作方式有同时或者单独的转速或者转向变化。还要在控制过程中把电机的运动状 态和转速用 lcd 液晶显示器显示出来。 基于 51 单片机的红外遥控电机系统的设计 第 4 页 （共 76 页） (2) 需重点研究的关键问题： 需重点研究 51 单片机的硬件结构和编程方法及最小系统；字符型 lcd 液晶显 示接口技术；led 数码管接口技术；键盘接口技术；红外编码及解码原理；步进电 机的控制原理；器件的选型。 (3) 解决思路： 温顾所学的 51 单片机知识，查找与最小系统；字符型 lcd 液晶显示接口技术； led 数码管接口技术；键盘接口技术；红外编码及解码原理；步进电机的控制原理； 器件的选型相关的图书资料。 设计思路主要是模块思想，即整个系统的设计包括以下两个模块： 硬件模块 主要有 cpu，数据显示模块；键盘控制模块；电动机驱动模块。 软件模块 红外编码模块；红外解码模块；电机驱动模块； 另外，在此次毕业设计中所要养成的思维方法和思考模式对以后自己从事此类 技术的开发尤为重要。还有，这次基于 51 单片机的嵌入式系统的研究和独立开发， 还要培养自己对整个流程的把握，整个思路的掌控，才能在以后遇到问题的时候， 很快的做出反应，找到问题的所在和解决问题的办法。 方案论证 第 5 页 （共 76 页） 方案论证 2.1 红外遥控系统的工作原理 2.1.1 红外线的特性 红外线是介于微波和可见光之间的一种特殊电磁波，其波长为 0.76um1000um，波谱范围宽。红外线通常可分为近红外、中红外和远红外三个区， 它既具可见光的一些特性，又具微波的某些特性。红外线是一种看不见的光线，因 其在整个电磁波谱中处在可见光红光的外侧而得名。借助于红外线具有直线传 播的特性，利用红外传感器具有灵敏度高、响应速度快等性能，同时也利用许多专 用芯片具有结构紧凑、可靠性高、数据处理能力强、速度快、功耗小、成本低的特 点，可以制作灵敏度高、抗干扰性能优良的红外遥控装置。实际上，凡是温度高于 绝对零度的物体，均会片刻不停地发射出红外线，并且其发射红外线的强度与温度 有关，即温度越高，发出的红外线的强度就越强。基于以上红外线的种种特点，再 加上红外线遥控装置电路设计制作容易、成本低，因此像红外线遥控、红外线加热、 红外线通信、红外线摄像、红外线医疗器械等诸多红外产品的应用都十分广泛 13。 2.1.2 红外遥控系统组成 常用的红外遥控系统一般分红外发射部分和红外接收两个大部分。 红外遥控 系统工作原理示意图如图 1 所示 图 1 红外遥控系统工作原理示意图 红外遥控系统的发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波。 红外遥控接收电路由红外接收二极管、三极管或硅光电池组成，它们将红外发射器 发射出的红外光转换为相应的电信号，再送后置电路中。 发射部分的主要元件为红外发光二极管，它实际上是一种比较特殊的发光二极 管，因其内部材料和普通发光二极管材料不同，多用砷化镓或砷铝化镓等半导体材 基于 51 单片机的红外遥控电机系统的设计 第 6 页 （共 76 页） 料制成，所以在红外发光二极管两端施加一定电压时它发出的不是可见光，而是红 外线，并且砷铝化镓材料的红外发光二极管的发光效率要高于砷化镓材料的红外发 光二极管。目前我们生活中所大量使用的红外发光二极管发出的是波长为 940mm 左 右的红外线。大多数的红外发光二极管（如 se303.ph303)的外形与普通发光二极管 led 相似（一般有圆形和方形两种） ，只是在颜色上有所不同，红外发光二极管一 般有黑色、深蓝、透明三种颜色。由于红外发光二极管的发射功率一般都较小 （100mw 左右） ，所以在红外接收二极管接收到的信号比较微弱，因此一般就要增 加高增益放大电路。 常用的红外发光二极管管压降约为 1.4v，工作电流一般小于 20ma。电路回路 中常常串有限流电阻，以适应不同的工作电压。 从红外发射部分发射出的红外线，其所能达到红外接收部分的距离（有效控制 距离）与红外线的发射功率成正比。为了增加红外线的有效控制距离，红外发光二 极管需要工作在脉冲状态。在脉冲状态下，我们只要尽量的去压缩脉冲的宽度 t， 来减小脉冲的占空比（一般家用电器红外遥控装置的占空比是 1/101/3 ） ，就能实 现增加红外光发射距离的目的。 常见的红外发光二极管，其功率分为小功率(1mw10mw)、中功率 （20mw50mw) 和大功率（ 50mw100mw 以上 )三大类。要使红外发光二极管产 生可调制光，只需在驱动管上加上一定频率的脉冲电压。另外，如果想要进一步增 加红外发射电路的作用距离，可以采用双管红外发射电路，以此来提高整体红外发 光二极管的发射功率。常用红外发光二极管如图 2 所示。 图 2 常用红外发光二极管 常用红外发光二极管参数 方案论证 第 7 页 （共 76 页） 最大正向电流 6 ma 最小反向电压 0 v 最大正向压降 10 ma 最大正向压降 1.4 v 最小输出光功率 3 v 最小输出光功率 20 ma 有效控制距离 310 m 而在红外接收部分的红外接收管是一种光敏二极管，这种光敏二极管有一个很 大的特点只对红外光线有敏感作用。另外，要使它在实际应用中正常的工作， 必须在红外接收二极管的两端加反向的偏置电压，更具体的说，也就是红外接收二 极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。 目前，在接收运用了调制原理的红外遥控发射部分发射出的红外信号时，我们 通常采用专用的一体化成品红外线接收头来进行解调。成品红外线接收头的封装大 致有两种：一种采用铁皮屏蔽；一种采用塑料封装。均有三只引脚，即电源正 （vdd ） 、电源负（gnd）和数据输出（vo 或 out） 。一体化红外线接收头将红外 接收二极管、低噪音放大器、限幅器、带通滤波器、解调器以及驱动电路等集成在 一起。具有体积小、灵敏度高、外接元件少、抗干扰能力强、使用方便等诸多优点 5.6。 在使用成品红外线接收头时应注意，成品一体化红外线接收头频率的选择要与 红外发射部分使用的晶振频率匹配。在一般的红外遥控系统中，发射部分所使用的 晶振频率一般为 455khz，再经过发射端时要对晶振进行整数分频（分频系数一般取 12） ，得到的常用的红外线接收头的载波频率为 38khz。常用红外接收头如图 3 所示 14。 基于 51 单片机的红外遥控电机系统的设计 第 8 页 （共 76 页） 图 3 常用红外接收头 常用红外接收头（管）的主要参数 工作电压 4.85.3 v 工作电流 1.72.7 ma 接收频率 38 khz 峰值波长 980 nm 输出低电平 0.4 v 红外发射器件和红外接收器件的配套使用，就组成了一个红外线遥控系统。 为了实现系统整体功能，红外编码和解码部分是核心，红外编码是指将按下的 按键对应的键值通过编码，用红外发射电路发射的过程；红外解码指将遥控发射器 所产射的红外遥控编码脉冲所对应的键值翻译出来的过程。下面将系统方案做一一 论证，通常有硬件编码解码和软件编码解码两种方案。根据实际情况总结出以下两 种设计方案，现分别加以论述，并选出最终应用方案。 2.2 方案一的论述 此方案中，使用专用遥控器作为控制信号发出装置，当按下遥控器的设置键后， 一体化红外接收装置接收到遥控器发出的设置控制信号，然后将信号送到专用的解 码芯片中进行解码，解码后将信号送到单片机，由单片机查表判断这个信号是不是 对应的设置信号，当确认是设置信号后，启动设置的对应子程序，控制对应的电机 产生动作。设计原理图如图 4 所示。 方案论证 第 9 页 （共 76 页） 专用遥控器 遥控信号接收 专用解 码器 微控制 器 lcd 显示模块 电机控制模块 图 4 方案一设计原理图 2.3 方案二的论述 此方案中，我们采用 mcu 编码和发射红外信号，当按下遥控器的设置键后， 红外接收装置接收到遥控器发出的红外线控制信号，然后把这个信号转换成电信号， 传到单片机中，利用单片机对这个信号进行解码，解码完成后判断并确定是不是设 置信号。当这个信号是设置信号后，启动设置子程序，那么以后接收到的红外信号 就是设置的时间信号了，单片机再对这些信号进行解码，判断这个信号是不是对应 的设置信号，当确认是设置信号后，启动设置的对应子程序，控制对应的电机产生 相应的动作。设计原理图如图 5 所示。 微控制器编码发射 遥控信号接收 lcd 显示模块 电机控制模块 微控制 器 图 5 方案二设计原理图 2.4 最终方案的确立 方案一为硬件编码和解码方案，硬件编码和解码需要使用与遥控器相配套的专 用的解码器芯片，而解码芯片一般不易得到，价格也较贵，或者自行开发解码电路， 但电路太复杂，性能欠佳。 基于 51 单片机的红外遥控电机系统的设计 第 10 页 （共 76 页） 方案二为软件编码和解码方案，软件编码发射较容易。软件解码可以不考虑遥 控器的芯片是什么型号的，因为我们只需检测到它的发射编码，然后用软件方式来 对它进行处理，从而得到所要的信息。软件解码具有灵活、硬件精简（仅需集成红 外接收头和一片单片机） 、可靠性高，成本低等特点。经以上的论证，可以采用软件 解码方案，成本低，方便实现，并且系统整体性能和可靠性高。 综上所诉，本设计选择方案二。 系统功能分析 第 11 页 （共 76 页） 3 系统功能的分析 3.1 系统原理图 该部分按照设计思路可分为红外编码、发射模块和红外接收及处理模块，由两部分 共同完成整个系统硬件部分的设计。 3.1.1 红外编码及发射系统原理图 红外编码及发射系统由键盘、mcu、红外发射等电路构成，原理图如图 6 mcu 复位电路 晶振电路 键盘 红外发射电路 红外发射电路 图 6 红外编码及发射系统原理图 3.1.2 红外接收及处理系统原理图 红外接收及解码系统由红外一体化接收头电路、mcu、lcd 显示电路、步进电 机驱动电路构成，原理图如图 7 图 7 红外接收及处理系统原理图 mcu复位电路 晶振电路 红外接收 步进电机驱动 lcd 显示 基于 51 单片机的红外遥控电机系统的设计 第 12 页 （共 76 页） 3.2 各个模块实现方式的设计分析 整个系统包括以下 7 个模块： mcu 键盘 红外发射电路 红外接收电路 lcd 液晶显示电路 电机驱动电路 电机 以下讨论它们的功能和接口电路的设计。 3.2.1 mcu 本系统采用的核心器件是 at89s51 单片机。at89s51 为 atmel 所生产的可 电气烧录清洗的 8051 相容单芯片，其内部程序代码容量为 4kb。 3.2.1.1 at89s51 主要功能列举如下： 1、为一般控制应用的 8 位单芯片 2、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12mhz） 3、内部程式存储器（rom）为 4kb 4、内部数据存储器（ram）为 128b 5、外部程序存储器可扩充至 64kb 6、外部数据存储器可扩充至 64kb 7、32 条双向输入输出线，且每条均可以单独做 i/o 的控制 8、5 个中断向量源，2 个优先级。 9、2 组独立的 16 位定时器 10、1 个全多工串行通信端口 11、8751 及 8752 单芯片具有数据保密的功能 系统功能分析 第 13 页 （共 76 页） 12、单芯片提供位逻辑运算指令 3.2.1.2 at89s51 各引脚功能介绍： at89s52 芯片的引脚图如图 8 所示7。 图 8 at89s52 芯片的引脚图 vcc：at89s51 电源正端输入，接+5v。 vss：电源地端。 xtal1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。 xtal2： 系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在 xtal1 和 xtal2 上接 at89s51 基于 51 单片机的红外遥控电机系统的设计 第 14 页 （共 76 页） 上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一 20pf 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。 reset： at89s51 的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提 升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，at89s51 便能完成系统重置的各项动 作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址 0000h 处开始 读入程序代码而执行程序。 ea/vpp： “ea“为英文“external access“的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作， 也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部 eprom 中） 来执行程序。因此在 8031 及 8032 中，ea 引脚必须接低电平，因为其内部无程序存 储器空间。如果是使用 8751 内部程序空间时，此引脚要接成高电平。此外，在将 程序代码烧录至 8751 内部 eprom 时，可以利用此引脚来输入 21v 的烧录高压 （vpp） 。 ale/prog： ale 是英文“address latch enable“的缩写，表示地址锁存器启用信号。 at89s51 可以利用这支引脚来触发外部的 8