单片机原理及应用项目化教程课件项目十一 红外与步进电机

项目十一

红外与步进电机

11.1红外遥控器11.1.1红外光的基本原理

红外线是波长介于微波和可见光之间的电磁波，波长在760纳米到1毫米之间，是波长比红光长的非可见光。

红外发射管很常用，在我们的遥控器上都可以看到，它类似发光二极管，但是它发射出来的是红外光，是我们肉眼所看不到的。红外发射管发射红外线的强度随着电流的增大而增强。

红外接收管内部是一个具有红外光敏感特征的PN节，属于光敏二极管，但是它只对红外光有反应。无红外光时，光敏管不导通，有红外光时，光敏管导通形成光电流，并且在一定范围内电流随着红外光的强度的增强而增大。红外发射管红外接收管11.1.2红外遥控通信原理

我们平时用到的红外遥控器里的红外通信，通常是使用38K左右的载波进行调制的。调制就是用待传送信号去控制某个高频信号的幅度、相位、频率等参量变化的过程，即用一个信号去装载另一个信号。比如我们的红外遥控信号要发送的时候，先经过38K调制。红外发射原理图当信号输出引脚输出高电平时，Q2截止，不管38K载波信号如何控制Q1，右侧的竖向支路都不会导通，红外管L1不会发送任何信息。当信号输出是低电平的时候，那么38K载波就会通过Q1释放出来，在L1上产生38K的载波信号。38K载波，我们可以用455K晶振，经过12分频得到37.91K，也可以由时基电路NE555来产生，或者使用单片机的PWM来产生。

正常的通信来讲，接收端要首先对信号通过监测、放大、滤波、解调等等一系列电路处理，然后输出基带信号。但是红外通信的一体化接收头HS0038B，已经把这些电路全部集成到一起了，我们只需要把这个电路接上去，就可以直接输出我们所要的基带信号了。

由于红外接收头内部放大器的增益很大，很容易引起干扰，因此在接收头供电引脚上必须加上滤波电容，官方手册给的值是4.7uF，我们这里直接用的10uF，手册里还要求在供电引脚和电源之间串联100欧的电阻，进一步降低干扰。

当HS0038B监测到有38K的红外信号时，就会在OUT引脚输出低电平，当没有38K的时候，OUT引脚就会输出高电平。那我们把OUT引脚接到单片机的IO口上，通过编程，就可以获取红外通信发过来的数据了。10.1.3NEC协议红外遥控器

遥控器的基带通信协议很多，大概有几十种，常用的就有ITT协议、NEC协议、Sharp协议、PhilipsRC-5协议、SonySIRC协议等。用的最多的就是NEC协议了。NEC协议的数据格式包括了引导码、用户码、用户码（或者用户码反码）、按键键码和键码反码，最后一个停止位。停止位主要起隔离作用，一般不进行判断，编程时我们也不予理会。其中数据编码总共是4个字节32位，第一个字节是用户码，第二个字节可能也是用户码，或者是用户码的反码，具体由生产商决定，第三个字节就是当前按键的键数据码，而第四个字节是键数据码的反码，可用于对数据的纠错。NEC协议数据格式引导码：9ms的载波+4.5ms的空闲。比特值“0”：560us的载波+560us的空闲。比特值“1”：560us的载波+1.68ms的空闲。

HS0038B这个红外一体化接收头，当收到有载波的信号的时候，会输出一个低电平，空闲的时候会输出高电平，我们用逻辑分析仪抓出来一个红外按键通过HS0038B解码后的图形来了解一下。

从图上可以看出，先是9ms载波加4.5ms空闲的起始码，数据码是低位在前，高位在后，数据码第一个字节是8组560us的载波加560us的空闲，也就是0x00，第二个字节是8组560us的载波加1.68ms的空闲，可以看出来是0xFF，这两个字节就是用户码和用户码的反码。按键的键码二进制是0x0C，反码就是0xF3，最后跟了一个560us载波停止位。对于我们的遥控器来说，不同的按键，就是键码和键码反码的区分，用户码是一样的。这样我们就可以通过单片机的程序，把当前的按键的键码给解析出来。#include<reg52.h>sbitIR_INPUT=P3^3;//红外接收引脚bitirflag=0;//红外接收标志，收到一帧正确数据后置1unsignedcharircode[4];//红外代码接收缓冲区voidInitInfrared(){ IR_INPUT=1; TMOD&=0X0F; TMOD|=0x10; TR1=0; ET1=0; IT1=1; EX1=1;}unsignedintGetHighTime(){ TH1=0; TL1=0; TR1=1; while(IR_INPUT) { if(TH1>0x40) { break; } } TR1=0; return(TH1*256+TL1);} unsignedintGetLowTime(){ TH1=0; TL1=0; TR1=1; while(!IR_INPUT) { if(TH1>0x40) { break; } } TR1=0; return(TH1*256+TL1);}voidEXINT1_ISR()interrupt2{ unsignedchari,j; unsignedinttime; unsignedcharbyt; time=GetLowTime(); if((time<7833)||(time>8755)) { IE1=0; return; }

time=GetHighTime(); if((time<3686)||(time>4608)) { IE1=0; return; } for(i=0;i<4;i++) { for(j=0;j<8;j++) { time=GetLowTime(); if((time<313)||(time>718)) { IE1=0; return; }

time=GetHighTime(); if((time>313)&&(time<718)) {byt>>=1; } elseif((time>1345)&&(time<1751)) {byt>>=1; byt|=0x80; } else {

IE1=0; return;} }ircode[i]=byt; } irflag=1; IE1=0;}11.228BYJ-48型步进电机详解11.2.1电机的分类

电机的分类方式有很多，从用途角度可划分为驱动类电机和控制类电机。直流电机属于驱动类电机，这种电机是将电能转换成机械能，主要应用在电钻、小车轮子、电风扇、洗衣机等设备上。步进电机属于控制类电机，它是将脉冲信号转换成一个转动角度的电机，在非超载的情况下，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，主要应用在自动化仪表、机器人、自动生产流水线、空调扇叶转动等设备。步进电机又分为反应式、永磁式和混合式三种。

反应式步进电机：结构简单成本低，但是动态性能差、效率低、发热大、可靠性难以保证，所以现在基本已经被淘汰了。

永磁式步进电机：动态性能好、输出力矩较大，但误差相对来说大一些，因其价格低而广泛应用于消费性产品。

混合式步进电机：综合了反应式和永磁式的优点，力矩大、动态性能好、步距角小，精度高，但是结构相对来说复杂，价格也相对高，主要应用于工业。我们本章内容主要讲解28BYJ-48这款步进电机，先介绍型号中包含的具体含义：28——步进电机的有效最大外径是28毫米B——表示是步进电机Y——表示是永磁式J——表示是减速型48——表示四相八拍10.2.2让电机转起来

步进电机一共有5根引线，其中红色的是公共端，连接到5V电源，接下来的橙、黄、粉、蓝就对应了A、B、C、D相；那么如果要导通A相绕组，就只需将橙色线接地即可，B相则黄色接地，依此类推；可以得出下面的绕组控制顺序表

12345678P1-红VCCVCCVCCVCCVCCVCCVCCVCCP2-橙GNDGND

GNDP3-黄

GNDGNDGND

P4-粉

GNDGNDGND

P5-蓝

GNDGNDGND

我们板子上控制步进电机部分是和板子上的显示控制的74HC138译码器部分复用的P1.0～P1.3，通过调整跳线帽的位置可以让P1.0～P1.3控制步进电机的四个绕组，如下图所示。如果要使用电机的话，需要把4个跳线帽都调到跳线组的左侧（开发板上的实际位置），即左侧针和中间针连通（对应原理图中的中间和下边的针），就可以使用P1.0到P1.3控制步进电机了。步进电机的控制电路如下图所示

单片机的IO口可以直接输出0V和5V的电压，但是电流驱动能力，也就是带载能力非常有限，所以我们在每相的控制线上都增加一个三极管来提高驱动能力。由图中可以看出，若要使A相导通，则必须是Q2导通，此时A相也就是橙色线就相当于接地了，于是A相绕组导通，此时单片机P1口低4位应输出0b1110，即0xE；如要A、B相同时导通，那么就是Q2、Q3导通，P1口低4位应输出0b1100，即0xC，依此类推，我们可以得到下面的八拍节拍的IO控制代码数组：unsignedcharcodeBeatCode[8]={0xE,0xC,0xD,0x9,0xB,0x3,0x7,0x6};

循环将这个数组内的值送到P1口就行了。但是还有个问题：多长时间送一次数据，也就是说一个节拍要持续多长时间合适呢？这个时间是由步进电机的启动频率决定的。启动频率，就是步进电机在空载情况下能够正常启动的最高脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机就不能正常启动。下表就是由厂家提供的步进电机参数表。供电电压相数相电阻Ω步进角度

减速比启动频率P.P.S转矩g.cm噪声dB绝缘介电强度5V450±10%

5.625/64

1:64

≥550

≥300

≤35

600VAC

表中给出的参数是≥550，单位是P.P.S，即每秒脉冲数，这里的意思就是说：电机保证在每秒给出550个步进脉冲的情况下，可以正常启动。那么换算成单节拍持续时间就是1s/550=1.8ms，为了让电机能够启