基于51单片机的红外遥控电机系统的设计 毕业论文

长江大学工程技术学院 毕业设计(论文)

题 目 名 称 题 目 类 型 系 部 专 业 班 级 学 生 姓 名 指 导 教 师 辅 导 教 师 时 间

基于51单片机的红外遥控电机系统的设计

毕 业 设 计 信 息 系 自动化0601班

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 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 ２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

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, [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, [3] 孙传友等编著.感测技术基础. 电子工业出版社.

1999年 2000年

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 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.

[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

①方案的选用与设计

②硬件电路 ③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）

I

长江大学工程技术学院

毕业设计（论文）开题报告

题 目 名 称 题 目 类 型 系 部 专 业 班 级 学 生 姓 名 指 导 教 师 辅 导 教 师 开题报告时间

基于51单片机的红外遥控电机系统的设计

毕 业 设 计 信 息 系 自动化0601班 焦 登 锋 徐爱钧 / 教授 朱嵘涛 / 助教 2010年3月1日

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：

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。

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

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

II

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。

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

II

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 毕业设计 (论文)题目 指导教师 职 称 专业班级 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

III

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 毕业设计 (论文)题目 评阅教师 职 称 专业班级 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 IV

基于51单片机的红外遥控电机系统的设计

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

键盘 复位电路 MCU 晶振电路 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

晶振电路 LCD显示 红外接收 复位电路 MCU 步进电机驱动 第 10 页 （共 76 页）

系统功能分析

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

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基于51单片机的红外遥控电机系统的设计

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]。

AT89S51 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

第 12 页 （共 76 页）

系统功能分析

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：

\为英文\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\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位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为AT89S51是以多工的方式送出地址及数据。平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。

PSEN：

此为\的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。AT89S51可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。

PORT0（P0.0～P0.7）：

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基于51单片机的红外遥控电机系统的设计

端口0是一个8位宽的开路汲极（Open Drain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0～A7）及数据总线（D0～D7）。设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0～A7，再配合端口2所送出的A8～A15合成一完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。

PORT2（P2.0～P2.7）：

端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在AT89S51扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。

PORT1（P1.0～P1.7）：

端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LS TTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。

PORT3（P3.0～P3.7）：

端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。

其引脚分配如下：

P3.0：RXD，串行通信输入。 P3.1：TXD，串行通信输出。 P3.2：INT0，外部中断0输入。 P3.3：INT1，外部中断1输入。

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