无线比例遥控原理与设计

无线比例遥控电路的原理与设计第1页共10页无线比例遥控电路的原理与设计李灵（安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆246011）指导教师：徐晓锋摘要：本文以对带A/D转换的单片机STC12C2052AD设计实现的比例遥控系统简要介绍了无线比例遥控系统的设计方法。其中，发射机电路采用多个电位器(即可变电阻)分压作为比例控制信号,通过对发射端单片机的软件编程实现对输出的多路经过A/D转换后的数字信号进行编码并由串行口送到发射模块发射；接收机电路的任务则是把接收到的信号进行适当放大并从中解调出编码信号，然后通过对接收端单片机的软件程序设计将该信号转换成相应的电动机驱动控制信号，从而完成对模型的方向和速度的控制。其设计思路简单新颖，能达到工业控制的基本要求，在工业控制中有着广泛的应用。关键字：单片机，比例遥控，A/D转换1.引言远程控制技术又称为遥控技术，是指实现对被控目标的遥远控制，在工业控制、家用电器、无线电运动以及儿童玩具等领域都有非常广泛的应用。遥控技术可以分为单通道遥控和多通道遥控，或分为开关型遥控和比例型遥控。所谓比例遥控，是指受控模型的动作幅度（或速度）与操纵者扳（转）动发射机操纵杆的动作成比例关系。例如，在遥控机器人模型中，当我们把发射机上的速度控制操纵杆由中立位置向某一方向偏移一定角度时，与该动作相对应的机器人行走的速度也同时改变相应的大小，机器人行走速度与发射机端的操纵杆偏移角度成比例。所谓通道，简单地说就是指控制模型的一路相关机能。例如前进和后退是一路；左右转向是一路。但是，各个通道应该可以同时独立工作，不能互相干扰。事实上，比例遥控玩具的可玩性大大优于一般的开关型遥控玩具，这是因为后者只能对被控对象的电源通断进行控制。即使加上相应的机械装置，也只能工作在两个极限位置，要么全开，要么全关，而无法按照操控者的意愿动作或者精确定位（例如控制模型的前进距离或速度）。因此，在一般的应用中为了使模型能够实现更多功能控制，往往需要使用多通道比例遥控器。在本设计中,主要介绍了使用到单片机的部分控制电路，包括发射机电路和接收机电路。发射机采用电位器分压作为比例控制信号,由四路A/D转换为数字信号,各个通道数字信号连同两路开关量由单片机进行多通道编码，编码信号由串行口送出，最后由发射模块发射。接收机主要负责把收到的信号放大并从中解调出编码信号，最后由伺服机把接收机收到的电信号转换成相应的机械动作，借此完成方向和速度的控制。外观上，在遥控器的发射端应该有带旋钮的比例表盘，把5V电压平均分成360°，每一个小的度量单位就代表一定的电压值，当转动旋钮一定角度时，也就是输入给发射单片机一定的电压值，与此同时，发射单片机一直以一定的时间间隔去查询当前的速度并读入到单片机内部，然后根据单片机内部的计算公式，计算出模型应该前进的距离或者当前应该的速度并根据此值设置相应的计数/定时器的初值，然后由系统外部驱动电路（伺服机）把接收单片机收到的电信号转换成相应的机械动作，即：前进一定距离或者加减速；当定时器溢出产生中断以后，外部相应的驱动电路也几乎同时的发出控制信号控制模型停止任何动作。而发射单片机则继续检测查询外界是否有新的控制指令，如此循环下去。比例输出理论上分析可以达到0V到＋Vcc，然而实际中只能尽量逼近且在一个很小的范围内的变动都必须视为0，无线比例遥控电路的原理与设计第2页共10页这是因为普通的线性电位器由于精度和性能的限制导致其旋转角度是270°，表现在表盘上的剩下90°在实际操作中并没有意义。另外，使用比例遥控的优点有很多。例如：控制灵活；可以调整遥控的距离而且可以调整的最大距离比一般遥控远；可以根据使用者的意愿实现模型的速度改变；线路简单，抗干扰能力强；伺服机构（包括齿轮箱和伺服马达）简单等等。2.比例遥控设备的基本原理一般比例遥控系统的组成框图以及各部分的功能如下：图1发射机框图键盘产生发射端控制信号。编码器对控制信号进行编码。显示器标明受控对象及其受控状态类别。发射机将操纵指令转换为带有控制信息的无线电信号并将此信号进行功率放大[1]，使天线上获得满足要求的发射功率。（发射机组成示意图如上图所示）图2接收机框图系统硬件设计解码器将编码信号译成控制信号。控制器对受控对象实施控制。接收机接收发射机发出的无线电信号，同时将接收到的信号放大并从中解调出编码信号，一般和发射机配套使用。由于接收机是装在模型上的，一般都应该尽量做到小巧，同时还应具有很高的灵敏度，能接收较远距离发射来的无线电信号。除了上述基本的组成以外，一套遥控[2]设备还包括伺服机和电子调速器。伺服机用以把接收机收到的电信号转换成相应的机械动作，借此完成方向和速度的控制。本设计中所使用的电动机驱动电路联合单片机的软件编程能够完成伺服机的功能，而且能够对速度进行比例控制。天线编码器显示器发射机键盘天线接收机解码器控制器显示器被控对象（接收部分）控…无线比例遥控电路的原理与设计第3页共10页遥控设备的基本工作原理是：操纵者通过手中的遥控发射机（拨动发射机上的旋钮或者摇杆）将控制模型前进、后退、加速或减速的指令变成电信号并将其发射到空中；模型上装载的遥控接收机收到这些电信号后再由伺服舵机转换成相应的机械运动，从而实现对模型的遥控。3.单片机比例遥控系统的具体设计无线比例遥控系统主要由发射和接收两个部分组成，发射部分完成对遥控指令的发射，接收部分完成对指令的实施。在设计时可将其分开设计。3.1比例量模块的设计Vcc20ADC7/P1.719ADC6/P1.618ADC5/P1.517ADC4/P1.416ADC3/P1.315ADC2/P1.214ADC1/P1.113ADC0/P1.012PWM0/P3.711RST1P3.0/RXD2P3.1/TXD3XTAL24XTAL15P3.2/INT06P3.3/INT17P3.4/T08P3.5/T19GND10STC12C2052ADY112MHzR210KR110KS1S2+5VW010KW210KW110KW310KVCC(+5V)transmitmodule图3比例遥控电路发射机的主电路图3为使用STC12C2052AD单片机设计的比例遥控电路发射机的主电路。由于使用了单片机，使整个电路变得非常简洁。P1口为比例遥控信号的输入端,在本设计中,发射机采用电位器分压作为比例控制信号,由四路A/D转换为数字信号,各个通道数字信号连同两路开关量由单片机进行多通道编码，编码信号由串行口送出，最后由发射模块发射。如果需要设计更多通道的比例遥控系统时，可以合理利用其余没有使用到的P1端口，外接电位器进行相应的功能扩展。当没有控制信号时，P1口均为高电平。由软件控制将P1口的控制信号（低电平）有效送到单片机内部然后进行相关处理。STC12C2052AD是20脚封装的单时钟/机器周期的兼容8051RISC型CPU内核的单片机[3],它是本设计的核心器件，其速度比普通的8051快12倍;功耗低;片上集成256字节的RAM;15个通用可编程I/O口,可以设置成四种模式:准双向口/弱上拉,推挽/强上拉,仅为输入/高阻,开漏,其中复位后为准双向口/弱上拉模式;片内有EEPROM功能;共有2个16位定时器/计数器;内部还集成了RC振荡器,在精度要求不高时可以省略外部晶体;具有较宽的操作电压范围以及独立的片内看门狗定时器;P1.7-P1.0共8路8位高精度的高速电压输入型A/D转换器，速度可以达到100KHz,可用于温度检测、电池电压检测、频谱检测等等,上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需要作为A/D使用的端口可以继续作为I/O口使用,需作为A/D使用的端口需要先将其设置为高阻输入模式或者开漏模式。本设计中的单片机还可以由其它同类型的20脚封装的51系列单片机代替，设计方法多种多样。无线比例遥控电路的原理与设计第4页共10页3.2发射电路设计对于发射模块的设计，本系统直接采用315M超外差式无线发射模块，其优点是：①容易得到足够大而且比较稳定的放大量。②具有较高的选择性和较好的频率特性。③容易调整。现将该模块的有关参数说明如下：工作频率：315MHz工作电压：DC（3~6.5V）工作电流：9.5~10mA调制方式：ASK接收灵敏度：-110dbm接收带宽：±120~±1000KHz接收开启时间：10ms外形尺寸：13X31X6mm[宽×长×厚]工作温度：-40C~+85C其电路原理图如下图4所示：图4发射机电路图3.2接收电路设计接收电路主要作用是将发射机发射出的已调的编码指令信号接收下来，并进行放大后送到解调电路，解调电路将已经调制的指令编码信号解调出来，还原为编码信号。指令译码器将编码指令信号进行译码，最后由驱动电路来驱动执行电路实现各种指令的操作控制。图3为接收机主电路图，发射机传来的信号由P3.0输入后送至P1口,由软件控制P1的相应端口输出控制信号用于控制。P1口的4位A/D端口可以接到不同的控制端。由于是比例遥控，所以应将输出口的控制信号送到下一级比例遥控专用的伺服电路。整个系统的执行部分，是由直流电动机驱动电路来完成的，主要控制模型的行进方向和速度[4]。单片机STC12C2052AD既是协调整个接收机工作的控制器，又是数据处理器和运算器，由于它直接有PWM功能，因此不需要占用单片机资源，可以直接产生占空比可变的脉冲信号，对桥式双向电路驱动电动机无线比例遥控电路的原理与设计第5页共10页进行电压控制，从而完成对电动机驱动、转速控制和前进或后退的控制，并能够实现脉宽精确调速。图5发射电路图如图5所示，与单片机左边相连的部分为电动机驱动电路。该电路是由2对三极管组成一个桥式互补对称电路，其中包含了电动机。电动机是一种将电脉冲信号转换成阶跃型的角位移或者直线位移的变换器，它的旋转是以固定的角度（步距角）运行的。当四个三极管均为低电平时（由芯片控制），这四个三极管的集电极和发射极均不能被导通，此时电动机端a和b均为0V，电动机不能转动。当P3.0和P3.2为高电平，P3.1和P3.3为低电平时，三极管T1和T3均被导通，此时a端得到高电平，而b端与地相通，所以电动机开始转动。除去三极管T1和T3的压降，那么电动机的两端大概可以得到4.5V的电压。同样道理，当P3.1和P3.3为高电平，P3.0和P3.2为低电平时，b端得到高电平，而a端与地相通，则电动机反转。通过该桥式电路，并控制P3.0和P3.2、P3.1和P3.3端口的电平状态（注意：这四个端口不能全部为高电平）便可以实现电动机的正转、反转和停转，即实现了模型的前进或后退。为了消除电动机的电弧干扰，应在电动机两侧加一个小电容，其值为0.1uF。另外，设计中还要求能够对模型进行速度的控制。控制电动机的运行速度,实际上就是控制系统发出时钟脉冲的频率或着是换相的周期,即在升速过程中,使脉冲的输出频率逐渐增加;在减速过程中,使脉冲的输出频率逐渐减少。脉冲信号的频率可以用软件延时和硬件中断两种方法来确定。（1）采用软件延时,一般是根据所需的时间常数来设计一个子程序,该程序包含一定的指令,设计者要对这些指令的执行时间进行精确的计算,以便确定延时时间。在每次确定前进方向之后调用一个延时子程序，待延时结束以后再执行换向，这样周而复始就可以发出一定频率的CP脉冲或换向周期。延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和，就是CP脉冲的周期。该方法简单，占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序就可以实现不同速度的运行，但是，若占用CPU的时间过长，就不能在运行时处理其他的工作，因此它比较适合简单的控制过程。（2）使用单片机中的定时器直接对系统时钟脉冲或某一固定频率的时钟脉冲进行计数,计数值则由编程决定[5]。当定时器启动后，定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数，当定时器溢出时，定时器产生中断，系统转去执行定时中断子程序，将电机换向子程无线比例遥控电路的原理与设计第6页共10页序放在定时中断服务程序中，定时中断一次，电机换向一次，