基于雙處理器的投影機升降控制設計方案

摘 要： 提出了一種基于Atmega8 和Stm32F101 雙處理器的投影機升降控制設計方案，介紹了其電路組成、功能以及軟件流程。其中Atmega8 負責數據采集，Stm32F101 實(shí)現對電機的控制，處理器間通過(guò)I2C 總線(xiàn)進(jìn)行通訊。系統采用了紅外遙控或外部按鍵輸入裝置控制，也可以用PC 機聯(lián)機控制。試驗驗證設計方案正確、有效，定點(diǎn)精度符合實(shí)用要求。

　　1 引言

　　投影機升降控制系統由Atmega8 數據采集電路、Stm32F101 控制電路、電動(dòng)機旋轉圈數檢測模塊、紅外遙控接收發(fā)模塊、外部按鍵模塊以及外接抗干擾等電路構成。目標是對投影機等多媒體設備的升降控制。方案中能隨時(shí)設置投影機到達的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的上限值，設置完畢后無(wú)論投影機在哪個(gè)位置，當按上升鍵時(shí)能到達設置的最高點(diǎn)，按下降鍵時(shí)能到達設置的最低點(diǎn)，按停止鍵時(shí)停止運動(dòng)。采用粗調與微調相結合的操作方式，長(cháng)按操作鍵3 秒時(shí)投影機連續升或降，松手時(shí)停止，主要用于粗調；短按操作鍵時(shí)投影機升或降一定距離后自動(dòng)停止，用于微調。當設置完后，用保存鍵保存設置，倘若沒(méi)有保存設置，則設置點(diǎn)無(wú)效。紅外遙控器既可設置運行參數，也可升降控制。

　　2 基本控制方法

　　控制系統的關(guān)鍵在于可以控制投影機升降到任意位置，升降過(guò)程是靠電動(dòng)機實(shí)現的，升降的直線(xiàn)距離與電動(dòng)機旋轉圈數相對應，實(shí)現了對電動(dòng)機旋轉圈數的控制也就實(shí)現了升降直線(xiàn)距離的控制。本方案的技術(shù)突破點(diǎn)在于將精確直線(xiàn)距離控制轉化為對電動(dòng)機旋轉圈數的控制，電動(dòng)機旋轉一圈對應升降直線(xiàn)距離一毫米，本方案的直線(xiàn)距離控制準確度為一毫米，即實(shí)現對電動(dòng)機旋轉一圈的數字控制。電動(dòng)機控制模塊中采用2 個(gè)紅外傳感器實(shí)現電動(dòng)機旋轉圈數與旋轉方向的采集，由Atmega8 兩根I/O 引腳采集傳感器輸出的信號，引腳的電平組合信號變化狀態(tài)為00,10,11,01（順時(shí)針?lè )较颍┗蛘?0,01,11,10（逆時(shí)針?lè )较颍?。本文利用motor _state 結構體表示電機的狀態(tài)，結構體中每個(gè)元素的含義如下：

　　通過(guò)結構體前兩個(gè)元素值比較可以知道電機是否轉動(dòng)；通過(guò)3,4 元素比較可以精確定位投影位置，當相等時(shí)產(chǎn)生中斷，命令電機停止轉動(dòng)；在后2 個(gè)元素中，當兩引腳由00 到10 時(shí)，motor _ bit _ L 第0位置一，10 到11 時(shí)，第1 位置一，11 到01 時(shí)，第2 位置一，01 到00 時(shí)，第3 位置一，所以當低4位全為1 時(shí)表示電機逆時(shí)針轉動(dòng)一圈，順時(shí)針轉動(dòng)一圈則由motor _ bit _ R 表示。

　　3 控制系統硬件設計

　　控制系統總體上分為信號采集與電動(dòng)機控制兩大部分。

　　如系統框圖右側Atmega8 主要用作紅外傳感器信號電平采集，當Stm32F101 控制電機升降時(shí)，電機圈數檢測電路會(huì )通過(guò)紅外傳感器向Atmega8 輸入信號，從而判斷出電機的運行情況。左側為Stm32F101 控制電機的升降部分。命令可以分別由紅外遙控或者與PC 機聯(lián)機后的按鍵方式輸入。當Atmega8 采集紅外傳感器信號電平時(shí)，可以通過(guò)I2C總線(xiàn)與Stm32F101 傳遞信息，在投影機到達目的點(diǎn)時(shí)發(fā)出中斷信號使Stm32F101 產(chǎn)生中斷，處理相關(guān)的操作。圖中所示，通過(guò)串口可以方便讀寫(xiě)2 個(gè)E2PROM 的內部數據。掉電保存模塊采用的是CAT24WC16,即使在運行中突然停電，也能自動(dòng)保存電機停電時(shí)刻的狀態(tài)參數，即保存motor _state結構體變量。

圖1 控制器系統硬件結構圖

　　3.1 電機圈數檢測單元

　　此單元在整個(gè)系統中處于重要地位，在電機轉軸一端套著(zhù)半圓鐵片，置于紅外傳感器發(fā)射端和接收端之間，當電機轉動(dòng)時(shí)鐵片跟著(zhù)旋轉。圈數檢測單元中有兩個(gè)紅外傳感器，其中每個(gè)紅外傳感器由發(fā)射端和接收端組成。發(fā)射端和接收端之間被半圓鐵片擋住時(shí)輸出信號為低電平0,沒(méi)有擋住時(shí)輸出信號為高電平1.由于是半圓鐵片，隨著(zhù)電機的不斷旋轉，Atmega8兩個(gè)引腳接收紅外傳感器信號，不斷循環(huán)地檢測兩引腳的輸入電平。當兩引腳的輸入電平?jīng)]有變化時(shí)代表電機沒(méi)有轉動(dòng)，當變化狀態(tài)為00,10,11,01 或者00,01,11,10 時(shí)，表明電機轉動(dòng)。狀態(tài)順序反映出電機順時(shí)針或者逆時(shí)針?lè )较蛐D。

　　3.2 電機控制模塊

　　圖2 是Stm32F101 對電機控制的硬件原理圖。

圖2 電機控制硬件結構圖。

　　圖中ULN2803A 是達林頓驅動(dòng)器件， 受控于Stm32F101,MOTO_UD,MOTO_ON,SPK 直接與Stm32F101 連接，它們的作用分別是控制電機升降，控制電機工作還是停止，控制蜂鳴器響停。繼電器RL303 工作時(shí)，電機工作在220V 交流下，反之則停止工作。而繼電器RL302 常開(kāi)時(shí)，從圖中知道是控制電機升操作，反之常閉是對電機降操作。為了提高電機的安全性，還采取了升降保護，如圖中連接有兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)，分別是升、降限位保護，即當到達極限點(diǎn)時(shí)限位開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，導致電機停止工作，起到保護電路的作用。

4.2 Stm32F101 軟件流程

　　上電復位后進(jìn)行系統初始化，主函數循環(huán)執行3個(gè)子函數，等待著(zhù)外部控制命令輸入。當接收到任意一種外部命令時(shí)，Stm32F101 使Atmega8 產(chǎn)生I2C 中斷，傳遞相關(guān)數據，Atmega8 響應正常后Stm 32F101才執行控制電機的操作，程序流程圖如圖6 所示。

圖6 Stm32F101 軟件流程圖。

　　5 實(shí)驗結果分析

　　首先設置投影機的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)分別為20.00cm、120.00cm,實(shí)驗中總是在投影機下降過(guò)程中斷電片刻后上電，反復記錄投影機所到達的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)，實(shí)驗數據見(jiàn)表1.由測試結果可知，測量誤差在1mm 以?xún)?，并且隨著(zhù)實(shí)驗次數的增加測試數據會(huì )向下偏移。同樣可以試驗，在投影機上升過(guò)程中斷電時(shí)，隨著(zhù)實(shí)驗次數的增加測試數據會(huì )向上偏移，故而在實(shí)際應用當中，投影機所到達設置點(diǎn)的誤差能確保在1mm 以?xún)取?/font>

表1 實(shí)驗測試數據 cm

　　6 結論

　　本方案的技術(shù)突破點(diǎn)在于：

　　首先，Atmega8 采集紅外傳感器信號電平兩種變化狀態(tài)00,10,11,01 和00,01,11,10 及其相關(guān)算法處理，正確并且快速地獲取電機的轉動(dòng)狀態(tài)和轉動(dòng)圈數，實(shí)現了精確直線(xiàn)距離控制轉化為對電動(dòng)機旋轉圈數的控制。

　　其次，采用雙處理器，Atmega8 負責信號采集分析，Stm32F101 負責電機控制，使得實(shí)時(shí)性更高，響應速度更快，從而穩定性和精度性都有了明顯的提高，完全滿(mǎn)足投影機等多媒體設備的定位需求。

3.3 外部輸入模塊

　　圖3 是外部按鍵輸入模塊，圖中key_1,key_2,key_3 與Stm32F101 引腳分別相連，鍵按下時(shí)該鍵輸入為0,當多于一個(gè)鍵同時(shí)按下時(shí)視為無(wú)效。則有效模式分別對應110,101,011 三種狀態(tài)。當按下其中任意一鍵時(shí)，發(fā)光二極管導通，發(fā)出光信號作為三極管的基極輸入，三極管導通，對應Stm32F101引腳低電平，從而作出相應處理。采用光電耦合，增強了抗干擾能力。

圖3 外部按鍵結構圖。

　　圖4 為紅外遙控解碼模塊接口圖，D0,D1,D2,D3連到Stm32F101.紅外遙控模塊采用了解碼電路（BM2272）與編碼電路（BM2262）配合使用的一塊解碼專(zhuān)用集成電路。圖4 中BM2272 模塊接收BM2262紅外線(xiàn)傳輸方式發(fā)送來(lái)的一系列地址和數據，通過(guò)地址位進(jìn)行2 次連續比較，如果發(fā)現沒(méi)有錯誤的碼字和不匹配的字，輸入的數據被解碼并傳送給相應的數據腳輸出，同時(shí)VT 腳輸出一個(gè)高低平的脈沖來(lái)表明一個(gè)有效地發(fā)射。