全自动糖画机设计——红外遥控模块设计

全自动糖画机设计——红外遥控模块设计
前 言
现在这代人的生活水平和质量在不断的提高，因此这代人的生活方式也不断地越来越智能化，智能化也将成为未来人们生活的主流，从而糖画机也就符合了当下的潮流，不仅如此，糖画机勾勒出的糖画小到小孩，大到老年人都喜欢吃，所以有着许多的潜在顾客，因此智能糖画机是一种不错的生意选择。
全自动糖画机设计红外遥控模块主要是利用红外线来远距离控制糖画机的图案，用频率和波长，以及控制芯片来实现各种图案的输出。目前市场上还没有利用红外遥控来实现对糖画机的远距离控制，为了更能方便的控制糖画的输出，，将遥控器的简单原理引入到糖画机的运行中，从而来实现对糖画机的图案的统一管理。这次毕业设计，引入红外遥控，是对糖画机功能更深一步的研究，这也更加的符合现在这一代人的需求。
毕业设计课题“全自动糖画机设计”由黄孟俊、郭振栋、陈康堆、王培四人共同完成，其中本人王培，主要负责全自动糖画机设计中红外遥控模块设计。
1. 系统设计说明
通俗一点的来说，糖画机遥控器的红外遥控技术就是通过人眼不可见的红外线（也称红外光）发射出糖画机将要运行图案的信号，以此来实现对糖画机图案的远距离操控。具体一点的来说，说白了是通过遥控器的按键，相当于红外线发射器发出波长、频率一定的红外指示信号，然后由糖画机红外接收模块的接收器的接收电路开始处理和识别，再然后利用与之对应的单片机控制芯片，找到与红外发射器波长、频率相同的对象，最后，熔糖器就会按照预先设定的与这个波长，频率一致的图案运行，这样就实现了通过糖画机的遥控器远距离地控制不同的糖画图案的[7]。糖画机的遥控器红外线发射器内部由用于发射图案信号的按键电路、用于指示的指示灯电路、用于改变频率的频率调制电路、用于发射信号的红外发射电路以及用于接收信号的红外线发射器件等组成。
1.1 系统设计思路
核心为单片机STC12C5A60S2控制芯片的整个糖画机的遥控器红外遥控系统，当内部运行的程序开始后，首先是系统的初始化，初始化结束了以后，再对所有的按键有一个第一次的扫描，如果扫描成功则糖画机遥控器所控制的图案信号就会发出去，图案指令发出去之后，再下一次的扫描按键；如果扫描不成功，则糖画机遥控器就会再一次的扫描，扫描所有的糖画机图案。主程序的流程图如图1-1所示。
1.2 红外遥控系统功能说明
糖画机遥控器红外遥控模块的设计，是通过遥控器来控制糖画机所输出的图案，通过相应的芯片，使糖画机的喷头

按照遥控器所指定的图案运行。利用遥控器红外遥控实现了对喷头图案的快捷控制，达到了智能糖画机的快捷性；利用遥控器的红外遥控可以远距离的对喷头控制，达到了智能糖画机的智能化；利用遥控器红外遥控实现了人工有效的和控制对象的交流，通过人工发射需要的控制指令，达到了智能糖画机的合理性。
遥控器红外遥控设计中的常用功能具体如下：
（1）按键控制功能：智能糖画机所运行的图案可以由按键指令控制，这样可以远距离的实现对糖画机可以运行出的图案的控制，从而可以有效地对图案进行统一管理，避免了对图案的逐一操作。
（2）手动遥控功能：糖画机的图案不仅可以通过遥控器红外遥控实现，也可以通过开关和按钮实现，从而可以有效地运行糖画机，避免了遥控器在使用过程中出现问题而导致不能操作糖画机。
（3）预先设置：首先需要设置程序，并且将喷头可以运行的图案预先设置在程序中，通过遥控器红外遥控输入相应的数字，按下遥控器，通过与数字对应的控制芯片处理，从而糖画机的喷头运行出遥控器所发指令图案，这样就实现了一个按键来控制一个图案。
糖画机运行图案可以利用遥控器红外遥控来控制，达到了糖画机绘制糖画的快捷性，合理性和实用性的目的。
2. 全自动糖画机设计——红外遥控模块设计
2.1 系统结构
糖画机红外线遥控模块是通过遥控的按键的方式来控制糖画机的图案，红外遥控由指示灯电路，发出指令的红外发射电路，接收指令的红外接收电路等器件为外围部件，智能糖画机红外遥控模块设计选取部分外围部件，利用指示灯闪烁来判断红外遥控的效果。首先遥控器按键，电源电路为整个糖画机红外线遥控模块提供5V的电源，通电之后，糖画机遥控器按键发射所要运行图案后，将图案的信号传送给红外接收电路处理，此时状态指示电路和红外接收装置将处理后的电信号传给STC12C5A60S2控制器，经过控制器的转换，找到与之对应的频率相同的图案，传给糖画机模块，与其他的硬件和软件配合，糖画机可以输出遥控器所指定的图案[8]。糖画机红外遥控系统框图如图2-1所示[3]。
2.2 糖画机遥控器红外线简单的发射接收原理
糖画机遥控器红外线的发射电路处理所指定的图案信号后，再经过特殊的红外发射二极管将糖画的图案信号发出，如图2-2（a）所示；图案的信号经过特殊的发光二极管，将红外线信号换成电信号，再经过接收电路，经过放大处理，如图2-2（b）所示[4]；红外线控制的简单发射以及接收原理如图2-4所示。
2.3 硬件电路设计
全自动糖画机设计中的红外遥控模块设计使用的是

单片机STC12C5A60S2控制芯片，这种芯片体积小，耗能少，1000次擦除周期，可以用做常规编程器。单片机STC12C5A60S2控制芯片的时钟频率最高是80MHz，工作频率是0-35 MHz，工作电压是3.4V-5.5V ，是一种可擦除的只读程序存储器，芯片内有8位中央处理器，内部有2个16位的定时器/计时器，32个可编程I/O接口线。单片机AT89C51控制芯片工作温度范围:0 -75℃/ -40 -+85℃，具有6个中断源，内部还有一个模拟比较放大器[10]。单片机STC12C5A60S2控制芯片引脚图如图2-3。
2.4 糖画机遥控器红外线遥控电路设计
糖画机这次所使用的遥控器是在日常生活中经常能够使用的万能遥控器，所有这次的遥控器采用脉宽是0.565ms，间隔是0.56ms，周期是1.125ms，频率是888.9Hz的组合以此可以用来表示二进制的“0”；采用脉宽是0.565ms，间隔是1.675ms，周期是2.25ms，频率是444.4Hz的组合以此可以用来表示二进制的“1”。可以通过 “0”和“1”可以实现32位的二进制码，能够在很短的时间内将信号发射出去，再通过一定的频率来提高遥控器的发射速度，还可以降低电源的功率损耗，波形图如图2-4所示。
当按下糖画机遥控器按键超过36ms的时候，根据遥控器的波形设置，就会周期性的发出相同的由“0”和“1”组成的32位二进制编码，而每一个周期大概是108ms，其中包括一个大概9ms的起始码，一个大概4.5ms的结束码，还有18ms～36ms的高和低地址码，以及18ms～36ms的数据码和反电平数据码。在这一组编码的持续时间是根据所包含的二进制“0”和“1”的数量的不同而有所的不同，总共的时间大概是在45～63ms；当按下糖画机遥控器按键超过108ms的时候，遥控器发射的信号也只有起始码和结束码[5]。遥控器遥控信号的一个周期的波形图如图2-5所示[9]。
载波信号和发射信号可以利用PWM技术得到，得到载波信号和发射信号之后，将两种信号进行“与”运算，重新得到后的信号给发射电路，经过处理之后，才能够进行红外线信号的传送发射，糖画机遥控器的红外遥控选择38KHz的晶振产生的载波信号，利用三极管驱动到发射用的二极管上面。本次糖画机的红外遥控设计，采用P3.4输出，当单片机P3.4输出为“0”时，糖画机的遥控器就不会发射出频率是38KHz的红外线；当单片机P3.4输出为“1”时，遥控器就会发射出频率是38KHz经过调制的红外线；具体的发射波形如图2-6所示。
红外发光二极管会将红外线发射出去，红外发射二极管是一种比较特殊的发光二极管，内部的使用材料和普通的二极管不同[2]。在发光二极管两端加电压时，它发出的是一种不可见的红外线，目前，普遍使用的是红外线波长为940nm的红外发光

二极管，红外发光二极管的外形与普通的二极管的外形相同，就是体积比较小的元件。
2.5 红外线信号接收电路
本次设计所使用的红外线接收头是普通的1838接头，这种接头有三个引脚，分别是提供5V电压的电源脚，用于安全的接地脚和用于将糖画机图案信号输入的输入脚。外部的结构看着比较简单，但是内部是利用电平的高低，以及各种的电路设计将糖画机遥控器发出到的图案信号进行处理。红外线信号接收电路如图2-7所示。
如图2-4，本次糖画机红外遥控接收模块，选用1838接收头，这种接头有三个引脚分别定义为1、2、3，引脚1为输入端，也就是信号脚连接在单片机的P30引脚，当1838红外接头接到第一个糖画机遥控器发射的红外线脉冲时，就会触发地址锁存允许信号ALE/PROG，将输入的高电平信号锁存在地址中，当遇到相应的MOVX或者MOVC程序时就会执行，从而进入工作状态；引脚2为接地脚，将引脚2直接接地就可以；引脚3为电源脚，电源脚为红外遥控模块提供5V的电源，此外，为了减少输入到单片机中的电流，同时也是为了给EA端口一个低电平，所以使用4.7千欧的电阻来减少电源电流。
2.6 独立式按键电路
为了可以避免糖画机遥控器的红外遥控模块出现问题，所以本次糖画机红外遥控模块设计还增加了独立式按键电路，独立式按键电路是根据编码的不同，每一种图案对应一个编码，当按下某个按键的时候随着整体的编码改变，输入对应的图案。利用按键来控制糖画机的图案输出。本次糖画机是用单片机来完成，所以使用的电源比较的小，为了减小电流，需要再在每一个输入端口与电源之间加一个4.7千欧的电阻来减少电流，防止电流过大而烧毁元件。
独立式按键电路是利用了手动遥控的功能，是指能够很直接的使用单片机的I/O线组成单独的按键电路，这样每一根的I/O线也可以相互不影响，这样设计，虽然结构简单，但是却浪费了很多的I/O，手动遥控功能是利用一个按键控制一个图案，本次毕业设计，总用了8个按键来实现糖画机的8种图案的输出。将8个按键接头连接在P2口，按下按键后，则将图案的信号传给了控制芯片，经过控制芯片处理后，控制糖画机的输出图案，手动遥控功能原理图如图2-8所示。
如图2-9，当没有按下糖画机上的按键时，此时每一个按键都是断开的，此时P2.0到P2.7均是高电平，没有图案的编码输入；当按下某一个按键的时候，则某一个端口的电平就会从高电平变成低电平，这时就会出现新的编码，而出现的新的编码就对应了一种预先设定的糖画机的图案，糖画机图案的编码利用单片机传给程序，预先设置的程序就会根

据图案的编码调用相应的子程序。
2.7 糖画机设计电路实物图
全自动糖画机电路实物如图2-9所示。
2.8 糖画机实物图
糖画机实物如图2-10所示。
如图2-10是本次设计的实物图，糖画机的图案绘制由X轴和Y轴共同来控制的，所以采用导轨来完成，利用亚克力透明板将导轨连接在一起，并且用亚克力透明板来实现对电机的固定。本次糖画机的组装中，还用了没有闭合的同步带，所以我们采用了比较简单的方法，没有用卡套，直接将同步带的两端压在亚克力透明板上。
2.9 调试以及问题
在硬件调试方面，在整个糖画机组装完成后，在老师指导下，连接电源，等到熔糖器中的原料糖，达到可以融化为糖稀的温度时，显示屏就会显示到原先设定的温度且还可以保持温度，此时报警装置发出声音，表示熔糖器可以运行了，这时有两个选择，第一个就是按下遥控的某一个按键，指示灯闪烁，如果在电机的驱动下，熔糖罐能按照所选择的图案运行，则表示红外遥控系统没有问题。第二个，还可以选择利用糖画机上的按键，如果按下某一个键后，糖画机能按照按键给出的图案运行，则说明独立按键电路没有问题。
在软件调试方面，可以利用字模软件将图案与程序结合，之后通过USB接口下载到单片机中，根据事先设置好的程序，看糖画机能够运行出来的图案，观察糖画机运行出来的图案是不是遥控器或者糖画机按键指定的图案。
在设计和使用的过程中，由于技术和单片机容量的问题，实际应用中，经常会出现情况，主要的不足有以下几点：
第一：在我们预想的红外遥控中，一个按键可以控制一个图案，我们可以多多的去设置几个按键，这样我们就可以增加控制的图案，但是由于我们的技术以及单片机的容量，我们只能够控制一些简单的图案运行，而且受控制的图案的个数也不多。
第二：糖画机的图案应该是用CAD画出来的，我们预想的想法是可以画出很多的图形，但是我们之前没有涉及过关于将CAD与程序结合起来的字模转换软件，而且还因为软件编写有问题，所以这次只能够加单的画出一个四方形，预想的这些功能在以后的设计中会慢慢的得到实现。
第三：由于我们对元件的认知有限，所以在选择红外接头的时候，我们选择的是最为常见的1838红外接头，不能很好的判别这个接头是不是时时刻刻都可以用，所以在调制的过程中，有时候红外遥控就不会起到作用。
3. 总结和展望
3.1 总结
糖画机遥控器红外遥控系统设计是依据常见的遥控器红外遥控原理来设计的，结合在学校学习的单片机以及电路知识进行了系统的功能分析[1]。通过指示灯电路、红外线