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[摘 要]本文采用单片机系统和红外收发电路，实现脉宽调制（PWM）的结合设计，进而研究得出了红外遥控小车自动控制系统。文章首先介绍结构模块等并设计分析总体结构。经过分析和对比得出H桥PWM可逆驱动电路图作为自动控制的应用电路。并编写相应程序得到了自动控制软件实现了自动控制系统的研究设计。
[关键词]SPCE061A单片机 红外遥控小车 自动控制系统研究
中图分类号：U467.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0242-01
1、引言
随着各种家电的普及，红外遥控自动控制方式已经成为一种非常有效的方式，而基于单片机的红外控制具有很多优点[2]：比如体积小、重量轻、功耗低等。单片机的红外遥控自动控制系统是有由两部分组成[2-4]：发射和接收，本文所研究的红外遥控小车自动控制系统参照足球机器人系统的控制系统和通讯子系统设计开发。既为足球机器人系统的进一步开发奠定技术基础又超越比赛目的。也可提高生活领域自动化水平。
2、红外遥控小车结构模块与总体设计分析
2.1 自动控制系统的结构模块及功能实现
红外遥控小车自动控制系统分为红外遥控装置、单片机自动控制系统、电机驱动电路和行走系统等环节，各环节功能模块关系如图1所示。
工作原理为：通过红外发送端发送红外控制信号，接收端接收信号并将其转化为单片机接口信号，单片机系统经过分析收到的信号，发送相应的自动控制指令，驱动左、右车轮按照指令运行，驱动小车实现所要求的运动。用脉宽调制（PWM）方式控制直流电机。
2.2 总体设计分析
作为机器人最底端的执行机构，小车应该具备高度的机动性和灵活性，能够快速实现前进、后退、转角、停车等基本运动。因此实现了以下车体结构如图2所示设计方案。小车系统由左、右轮驱动系统、车体、导向辅助轮等组成。系统在主计算机控制下，接收无线控制信号，依靠双电机驱动左右车轮准确前进、倒退、左右转弯、急停等动作实现位姿改变和调整。
3、自动运动控制系统研究与实现
3.1 小车系统运动的自动控制和实现
由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能远远地超过了发电机-电动机调速系统。直流电动机的转速和其他参量的关系可表示为：
（3）
：电枢供电电压（V）；：电枢电流（A）；：励磁磁通（Wb）；：电枢回路电阻（Ω）；：电势系数，，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。采用晶闸管变流器供电的调速系统中直流电动机脉宽调制（PWM）调速控制。PWM基本原理是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到自动控制要求的一种电压调整方法。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。
3.2 自动控制信号的生成与实现
本设计利用了SPCE061A单片机的I/O口IOB8、IOB9的功能，在其开发环境IDE下，通过编程，在IOB8、IOB9输出端口可以得到输出频率为8kHz、幅值为5.0V、脉宽比在1/16到14/16范围内受控变化的PWM信号。脉宽比可以通过编程实现从1/16到14/16范围内的调节，从而实现直流电机的速度控制。
在本系统电机自动控制模块中，利用单片机系统内置的两个16位的定时/计数器：TimerA和TimerB（TimerA为通用计数器；TimerB为多功能计数器），来产生PWM控制信号。
本设计应用了LM9901/9902红外遥控收发电路，遥控装置的硬件连接框图如图9所示。LM9901主要参数：工作电压Vdd为2.5～5V；输出电流I > 5mA；发射频率为38kHz；发射距离>8m，其应用电路如图10所示。LM9902的应用电路如图11所示，主要参数：工作电压Vdd为3～9V；输出电流Io>2mA；静态功耗<100μA。
LM9901发射的六种独立信号与LM9902红外遥控接收电路配对使用达到控制器对用电器自动控制目的。
3.3 小车系统控制软件设计
红外遥控小车自动控制系统利用红外装置遥控小车的自动运行，使用SPCE061A作为CPU，接收遥控信号并且对其处理，产生相应的PWM信号，通过I/O口送入电机驱动电路，之后控制电机转速，来改变小车运行状态。设计时，采用了多重分支方式和子程序递归调用的结构。
小车运动控制中前进、倒退、左、右转弯和停止等子程序的设计，坚持了相互兼顾、互不影响的原则。在一个子程序运行时，加入循环判断的编程结构，不断判断是否要改变当前运行状态，根据判断结果实行跳转，之后，进入循环判断，不断检测输入信号，判断是否改变当前状态。如果是，则跳转执行相应程序。
程序开始部分，应用伪指令DEFINE给常量符号赋值，简化程序的编写。主程序中，对I/O口初始化设置，通过设置[P_IOB_DIR]、[P_IOB_ATTRI]和[P_IOB_DATA]单元将IOB8、IOB9设为PWM信号输出口、IOB11～IOB15设为控制信号输入口，并且进入停车等待状态，不断循环查询是否有遥控信号输入，并且根据接受到的控制信号，进入执行相应子程序。
在循环判断接收信号时，用到了CMP、JE指令。各运动控制子程序中，通过设置[P_TimerA_Data]、[P_TimerB_Data]、[P_TimerA_Ctrl] 、[P_TimerB_Ctrl]单元来设定IOB8、IOB9的输出PWM信号的频率，分别控制两个电机的转速，以实现前进、倒车、左、右转弯、停车的运动。
4、结论
利用凌阳SPCE061A单片机系统和LM9901/LM9902红外收发电路，实现脉宽调制（PWM），是本设计的核心。脉宽调制技术，可以应用到电机调速、定位等很多的机电控制中去，如果再加入本设计中的红外遥控自动控制技术，将会极大地扩展PWM的使用领域，提高自动化水平。通过试验的验证，该设计稳定可靠。
参考文献
[1] 王学慧，柳林.足球机器人小车总体设计思想及其单片机选型.机器人技术与应用.2001年第五期.
[2] 曹卫华，吴敏，桂卫华.Mirosot足球机器人小车控制器设计与开发.哈尔滨工业大学学报.2004年7月第36卷第7期.
作者简介
周慧（1981.01—）、女、汉、河北唐山人、河北能源职业技术学院助理电子实验师、研究方向：电子应用。
[关键词]SPCE061A单片机 红外遥控小车 自动控制系统研究
中图分类号：U467.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0242-01
1、引言
随着各种家电的普及，红外遥控自动控制方式已经成为一种非常有效的方式，而基于单片机的红外控制具有很多优点[2]：比如体积小、重量轻、功耗低等。单片机的红外遥控自动控制系统是有由两部分组成[2-4]：发射和接收，本文所研究的红外遥控小车自动控制系统参照足球机器人系统的控制系统和通讯子系统设计开发。既为足球机器人系统的进一步开发奠定技术基础又超越比赛目的。也可提高生活领域自动化水平。
2、红外遥控小车结构模块与总体设计分析
2.1 自动控制系统的结构模块及功能实现
红外遥控小车自动控制系统分为红外遥控装置、单片机自动控制系统、电机驱动电路和行走系统等环节，各环节功能模块关系如图1所示。
工作原理为：通过红外发送端发送红外控制信号，接收端接收信号并将其转化为单片机接口信号，单片机系统经过分析收到的信号，发送相应的自动控制指令，驱动左、右车轮按照指令运行，驱动小车实现所要求的运动。用脉宽调制（PWM）方式控制直流电机。
2.2 总体设计分析
作为机器人最底端的执行机构，小车应该具备高度的机动性和灵活性，能够快速实现前进、后退、转角、停车等基本运动。因此实现了以下车体结构如图2所示设计方案。小车系统由左、右轮驱动系统、车体、导向辅助轮等组成。系统在主计算机控制下，接收无线控制信号，依靠双电机驱动左右车轮准确前进、倒退、左右转弯、急停等动作实现位姿改变和调整。
3、自动运动控制系统研究与实现
3.1 小车系统运动的自动控制和实现
由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能远远地超过了发电机-电动机调速系统。直流电动机的转速和其他参量的关系可表示为：
（3）
：电枢供电电压（V）；：电枢电流（A）；：励磁磁通（Wb）；：电枢回路电阻（Ω）；：电势系数，，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。采用晶闸管变流器供电的调速系统中直流电动机脉宽调制（PWM）调速控制。PWM基本原理是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到自动控制要求的一种电压调整方法。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。
3.2 自动控制信号的生成与实现
本设计利用了SPCE061A单片机的I/O口IOB8、IOB9的功能，在其开发环境IDE下，通过编程，在IOB8、IOB9输出端口可以得到输出频率为8kHz、幅值为5.0V、脉宽比在1/16到14/16范围内受控变化的PWM信号。脉宽比可以通过编程实现从1/16到14/16范围内的调节，从而实现直流电机的速度控制。
在本系统电机自动控制模块中，利用单片机系统内置的两个16位的定时/计数器：TimerA和TimerB（TimerA为通用计数器；TimerB为多功能计数器），来产生PWM控制信号。
本设计应用了LM9901/9902红外遥控收发电路，遥控装置的硬件连接框图如图9所示。LM9901主要参数：工作电压Vdd为2.5～5V；输出电流I > 5mA；发射频率为38kHz；发射距离>8m，其应用电路如图10所示。LM9902的应用电路如图11所示，主要参数：工作电压Vdd为3～9V；输出电流Io>2mA；静态功耗<100μA。
LM9901发射的六种独立信号与LM9902红外遥控接收电路配对使用达到控制器对用电器自动控制目的。
3.3 小车系统控制软件设计
红外遥控小车自动控制系统利用红外装置遥控小车的自动运行，使用SPCE061A作为CPU，接收遥控信号并且对其处理，产生相应的PWM信号，通过I/O口送入电机驱动电路，之后控制电机转速，来改变小车运行状态。设计时，采用了多重分支方式和子程序递归调用的结构。
小车运动控制中前进、倒退、左、右转弯和停止等子程序的设计，坚持了相互兼顾、互不影响的原则。在一个子程序运行时，加入循环判断的编程结构，不断判断是否要改变当前运行状态，根据判断结果实行跳转，之后，进入循环判断，不断检测输入信号，判断是否改变当前状态。如果是，则跳转执行相应程序。
程序开始部分，应用伪指令DEFINE给常量符号赋值，简化程序的编写。主程序中，对I/O口初始化设置，通过设置[P_IOB_DIR]、[P_IOB_ATTRI]和[P_IOB_DATA]单元将IOB8、IOB9设为PWM信号输出口、IOB11～IOB15设为控制信号输入口，并且进入停车等待状态，不断循环查询是否有遥控信号输入，并且根据接受到的控制信号，进入执行相应子程序。
在循环判断接收信号时，用到了CMP、JE指令。各运动控制子程序中，通过设置[P_TimerA_Data]、[P_TimerB_Data]、[P_TimerA_Ctrl] 、[P_TimerB_Ctrl]单元来设定IOB8、IOB9的输出PWM信号的频率，分别控制两个电机的转速，以实现前进、倒车、左、右转弯、停车的运动。
4、结论
利用凌阳SPCE061A单片机系统和LM9901/LM9902红外收发电路，实现脉宽调制（PWM），是本设计的核心。脉宽调制技术，可以应用到电机调速、定位等很多的机电控制中去，如果再加入本设计中的红外遥控自动控制技术，将会极大地扩展PWM的使用领域，提高自动化水平。通过试验的验证，该设计稳定可靠。
参考文献
[1] 王学慧，柳林.足球机器人小车总体设计思想及其单片机选型.机器人技术与应用.2001年第五期.
[2] 曹卫华，吴敏，桂卫华.Mirosot足球机器人小车控制器设计与开发.哈尔滨工业大学学报.2004年7月第36卷第7期.
作者简介
周慧（1981.01—）、女、汉、河北唐山人、河北能源职业技术学院助理电子实验师、研究方向：电子应用。