【正文】 4X4 矩陣鍵盤的接口電路 矩陣鍵盤的工作原理使用矩陣鍵盤的關鍵是如何判斷按鍵值。根據圖 8 所示，如果 口引腳被置為低電平“0” ，那么當按鍵 K3 被按下時，可以肯定 引腳的信號必定變成低電平“0” ；反之，如果已知引腳 被置為低電平“ 0”， 引腳、 和 引腳被置為高電平，而單片機掃描到 引腳為低電平 “0”，則可以肯定 K3 引腳為低電平“0” ，則可以肯定 K3 鍵被按下。識別按鍵的基本過程如下：（1）首先判斷是否有鍵被按下。將全部的行線（ 引腳、 引腳、引腳、 引腳）置低電平“0” ，全部列線置高電平 “1”，然后檢測列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下；若檢測到所有的列線均為高電基于 51 單片機的紅外遙控電機系統(tǒng)的設計第 18 頁 （共 76 頁）平，則鍵盤中無鍵被按下。（2）按鍵消除抖動。 當判別到有鍵被按下后，調用延時子程序，執(zhí)行后再次進行判斷。若確定認為有鍵被按下，則開始第（3）步的按鍵識別，否則重新開始。（3）按鍵識別。當有鍵被按下時，轉入逐行掃描的方法來確定是哪個鍵被按下。先掃描第一行，即將第一行輸出低電平“0” ，然后讀入列值，哪一列出現(xiàn)低電平“0”，則說明該列與第一行跨接的鍵被按下。若讀入的列值全為“1” ，說明與第一行跨接的按鍵（K0~K4 ）均沒有被按下。接著開始掃描第二行，以此類推，逐行掃描，直到找到被按下的鍵。 紅外發(fā)射電路紅外發(fā)射電路如圖 12 所示。編碼信號經過三極管 Q2 的基極輸入發(fā)射電路。當輸入信號為高電平時，Q2 導通，使得 Q1 的基極為低電平，Q1 截至，紅外管不發(fā)射紅外線信號。當輸入信號為低電平時，Q2 截至，使得 Q1 的基極為高電平，Q1導通，紅外管發(fā)射紅外線信號 [12]。 圖 12 紅外發(fā)射電路 紅外接收電路紅外接收電路如圖 13 所示。一體化的紅外接收裝置將遙控信號的接收、放大、檢波、整形集于一身，并且輸出可以讓單片機識別的 TTL 信號，這樣大大簡化系統(tǒng)功能分析第 19 頁 （共 76 頁）了接收電路的復雜程度和電路的設計工作，方便使用。在本系統(tǒng)中我們采用紅外一體化接收頭 HS0038，其內部結構如圖 14 所示。HS0038 黑色環(huán)氧樹脂封裝，不受日光、熒光燈等光源干擾，內附磁屏蔽，功耗低，靈敏度高。在用小功率發(fā)射管發(fā)射信號情況下，其接收距離可達 35m。它能與 TTL、COMS 電路兼容。HS0038 為直立側面收光型。它接收紅外信號頻率為 38 kHz,周期約 26 μs ，同時能對信號進行放大、檢波、整形，得到 TTL 電平的編碼信號。三個管腳分別是地、＋5 V 電源、解調信號輸出端。由于 HS0038 內部集成了強大的信號處理功能，所以在本系統(tǒng)中使用這個 HS0038 的接收頭的時候我們只需要在外部加上一個濾波電路就可以了，這個 RC 濾波電路是為了濾除電源端的干擾信號 [8]。圖 13 紅外接收電路圖 14 HS0038 內部結構圖 液晶顯示電路在本系統(tǒng)中我們采用 1602 字符型液晶顯示模塊來顯示步進電機的轉速、起停以及正反轉等步進電機的狀態(tài)。字符型液晶顯示模塊是專門用于顯示字母、數(shù)字、符基于 51 單片機的紅外遙控電機系統(tǒng)的設計第 20 頁 （共 76 頁）號等的點陣型液晶顯示模塊。分 4 位和 8 位數(shù)據傳輸方式。提供 5*7 點陣+光標和5*10 點陣+光標的顯示模式?？梢燥@示兩行每行 8 個字符。提供內部自動上電復位電路，+5V 工作電壓。一共有 16 個引腳，其中一對電源引腳、一對 LED 背光電源引腳、LCD 驅動電壓引腳、一個模式選擇引腳、一個讀寫操作引腳、一個使能引腳以及 7 個數(shù)據引腳。其中 LCD 驅動電壓 V0 可通過滑動變阻器進行調節(jié)，一般 V0為零伏。具體應用電路圖如圖 15 所示D714D613D512D41D310D29D18D07E6RW5RS4VS1VD2VE3LCD1LM016LGND+5V31%RV11kRSR / WED0D1D2D3D4D5D6D7圖 15 LCD1602 LCD1602A 顯示原理1602A 引腳說明圖見表 1表 1 1602A 引腳說明圖系統(tǒng)功能分析第 21 頁 （共 76 頁） 1602A 指令表 見表 2表 2 1602A 指令表序號指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D01 清顯示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12 光標返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 *3 置輸入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S4 顯示開/關控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B5 光標或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *6 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * *7 置字符發(fā)生存貯器地 址 0 0 0 1 字符發(fā)生存貯器地址8 置數(shù)據存貯器地址 0 0 1 顯示數(shù)據存貯器地址9 讀忙標志或地址 0 1 BF 計數(shù)器地址10 寫數(shù)到 CGRAM 或DRAM 1 0 要寫的數(shù)據內容11 從 CGRAM 或 DDRAM 讀數(shù) 1 1 讀出的數(shù)據內容 基本操作時序 見表 3表 3 基本操作時序讀狀態(tài) 輸入：RS=L,RW=H,E=H 輸出：D0D7=狀態(tài)字寫指令 輸入：RS=L,RW=L,D0D7=指令 E=高脈沖 輸出：無讀數(shù)據 輸入：RS=H,RW=H,E=H 輸出：D0D7=數(shù)據寫數(shù)據 輸入：RS=H,RW=L,D0D7=數(shù)據，E=高脈沖 輸出：無指令 1：清顯示，指令碼 01H,光標復位到地址 00H 位置 指令 2：光標復位，光標返回到地址 00H 指令 3：光標和顯示模式設置 I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效 指令 4：顯示開關控制。 D：控制整體顯示的開與關，高電平表示開顯示，低電平表示關顯示 C：控制光標的開與關，高電平表示有光標，低電平表示無光標 B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍 指令 5：光標或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標 指令 6：功能設置命令 DL：高電平時為 4 位總線，低電平時為 8 位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示 5x7 的點 陣字符，高電平時顯示 5x10 的點陣字符指令 7： 字符發(fā)生器 RAM 地址設置基于 51 單片機的紅外遙控電機系統(tǒng)的設計第 22 頁 （共 76 頁）指令 8： DDRAM 地址設置 指令 9： 讀忙信號和光標地址 BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據，如果為低電平表示不忙。指令 10：寫數(shù)據 指令 11：讀數(shù)據 RAM 地址映射圖如圖 16控制器內部帶有 808 位（80 字節(jié)）的 RAM 緩沖區(qū)，對應關系如圖 16 所示。圖 16 RAM 地址映射圖 電機常用的電機有很多種，如直流伺服電機，交流伺服電機，步進電機，小功率同步電機等。本設計采用步進電機 [15]。步進電機廣泛應用于對精度要求比較高的運動控制系統(tǒng)中，如機器人、打印機、軟盤驅動器、繪圖儀、機械閥門控制器等。目前，對步進電機的控制主要有由分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器體積比較大，同時由于分散器件的延時，其可靠性大大降低。軟件環(huán)形分配器要占用主機的運行時間，降低了速度 。專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器集成度高、可靠性好，但其適應性受到限制，同時開發(fā)周期長、需求費用較高。步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機可分為反應式步進電機(VR) 、永磁式步進電機(PM)和混合式步進電機 (HB)。 步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。 步進電機的驅動電路根據控制信號工作，控制信號由單片機產生。其基本原理作用如下：系統(tǒng)功能分析第 23 頁 （共 76 頁）　(1)控制換相順序 通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：混合式步進電機的工作方式，其各相通電順序為 ABCD,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制 A、B 、C 、D 相的通斷，這就是所謂脈沖環(huán)形分配器?！?2)控制步進電機的轉向 如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉?！?3)控制步進電機的速度 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。步進電機的原理也可以這樣理解：將電脈沖信號轉換成機械角位移，具體來說，就是當步進電機的驅動器接收到一個脈沖信號時，它就會驅動步進電機按照設定的方向轉動一個固定的角度（成為“步距角” ） ，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。所以，我們可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調節(jié)轉速的目的。步進電機由步距角，輸入電壓等要素組成，故選擇步進電機時要參考這些要素，在這里不討論步進電機的選擇。本設計的步進電機為四相步進電機減速永磁步進電動機35BYJ46，其相關數(shù)據如圖 17基于 51 單片機的紅外遙控電機系統(tǒng)的設計第 24 頁 （共 76 頁）系統(tǒng)功能分析第 25 頁 （共 76 頁）圖 17 減速永磁步進電動機35BYJ46 相關參數(shù) 電機驅動電路選擇好步進電機后，下一步就是步進電機的驅動電路 [9]。方案一：使用多個功率放大器件驅動電機通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，如 ULN2022，可以達到不同的放大的要求，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是四相的步進電機，就需要對四路信號分別進行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當電機的功率較大時運行起來會不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復雜。方案二：使用 L29L298N 芯片組成的步進電機驅動電路SGS 公司的 L297 單片步進電機控制集成電路適用于雙極性兩相步進電機或四相單極性步進電機的控制，與兩片 H 橋式驅動芯片 L298 組合，組成完整的步進電機固定斬波頻率的 PWM 恒流斬波驅動器。L297 產生四相驅動信號，用以控制雙極性兩相步進電機或四相單極性步進電機，可以采用半步、兩相勵磁、單相勵磁三種工作方式控制步進電機，并且控制電機的片內 PWM 斬波電路允許三種工作方式的切換。使用 L297 突出的特點是外部只需時鐘、方向和工作方式三個輸入信號，同時 L297 自動產生電機勵磁相序，減輕了微基于 51 單片機的紅外遙控電機系統(tǒng)的設計第 26 頁 （共 76 頁）處理器控制及編程的負擔。L297 具有 DIP20 和 SO20 兩種封裝形式，可用于控制集成橋式驅動電路或分立元件組成的驅動電路。L297 主要由譯碼器、兩個固定斬波頻率的 PWM 恒流斬波器以及輸出邏輯控制組成，其內部結構圖如圖 18 所示。圖 18 L297 內部結構框圖L297 另一重要組成是 PWM 斬波器控制相繞組電流，實現(xiàn)恒流斬波控制，以獲得良好的轉矩 頻率特性。每個斬波器由一個比較器、一個 RS 觸發(fā)器以及外接采樣電阻組成( 見圖 19)內部設有一公共振蕩器，向兩個斬波器提供觸發(fā)脈沖信號，脈沖頻率是由外接的 RC 網絡決定，當時振蕩器脈沖使觸發(fā)器置“1” ，電機繞組相電流上升，采樣電阻 RS 的電壓上升到基準電壓 Vref 時，比較器翻轉，使觸發(fā)器復位，功率晶體管關斷，電流下降，等待下一個振蕩器脈沖的到來。這樣，觸發(fā)器輸出是恒頻的 PWM 信號，調制 L297 的輸出信號，繞組相電流峰值由 Vref 決定。CONTROL 信號用以選擇斬波信號控制。當它為低電平時，斬波信號作用于兩個禁止信號，高電平時，斬波信號作用于 A、B、C、D 信號。前者適用于單極性工作方式，而對于雙極性工作方式的電機，這兩種控制方式都可以采用。系統(tǒng)功能分析第 27 頁 （共 76 頁）圖 19 斬波器電路利用 L297 的 SYNC 引腳可實現(xiàn)多個 L297 同步工作，其連接方式如圖 20 所示，只將 RC 網絡接于一芯片上，而其余芯片的 OSC 引腳均接地，這樣可避免接地雜波的引入問題。圖 20 多個 L297 同步工作SGS 公司的 L298 芯片是一種高電壓、大電流雙 H 橋功率集成電路，可用來驅動繼電器、線圈、直流電機和步進電機等感性負載。它具有兩抑制輸入來使器件不受輸入信號影響。每橋的三極管的射級是連接在一起的，相應的外接線端可用來連接外設傳感電阻?？砂仓昧硪惠斎腚娫?，使邏輯能在低電壓下工作。采用 L297 和 L298 實現(xiàn)的步進電機驅動電路見圖 21，該電路為固定斬波頻率的PWM 恒流斬波驅動方式，適用兩相雙極性步進電機，最高電壓 46V，每相電流可達2A。用兩片 L298 和一片 297 配合使用，可驅動更大功率的兩相步進電機。L297 的引腳圖如圖 22。L298 的引腳圖如圖 23。L298 的邏輯功能表見表 4基于 51 單片機的紅外遙控電機系統(tǒng)的設計第 28 頁 （共 76 頁）圖 21 L297 和 L298 的步進電機驅動電路