【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(guān)鍵是如何判斷按鍵值。根據(jù)圖 8 所示，如果 口引腳被置為低電平“0” ，那么當(dāng)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(shè)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(dāng)判別到有鍵被按下后，調(diào)用延時子程序，執(zhí)行后再次進(jìn)行判斷。若確定認(rèn)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(dāng)有鍵被按下時，轉(zhuǎn)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(jīng)過三極管 Q2 的基極輸入發(fā)射電路。當(dāng)輸入信號為高電平時，Q2 導(dǎo)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(dāng)輸入信號為低電平時，Q2 截至，使得 Q1 的基極為高電平，Q1導(dǎo)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(fù)雜程度和電路的設(shè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)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(dá) 35m。它能與 TTL、COMS 電路兼容。HS0038 為直立側(cè)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(jìn)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(diào)信號輸出端。由于 HS0038 內(nèi)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jìn)電機的轉(zhuǎn)速、起停以及正反轉(zhuǎn)等步進(jìn)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(shè)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(jù)傳輸方式。提供 5*7 點陣+光標(biāo)和5*10 點陣+光標(biāo)的顯示模式?？梢燥@示兩行每行 8 個字符。提供內(nèi)部自動上電復(fù)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(qū)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(jù)引腳。其中 LCD 驅(qū)動電壓 V0 可通過滑動變阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般 V0為零伏。具體應(yīng)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(biāo)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(guān)控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B5 光標(biāo)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(jù)存貯器地址 0 0 1 顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9 讀忙標(biāo)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(jù)內(nèi)容11 從 CGRAM 或 DDRAM 讀數(shù) 1 1 讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)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(jù) 輸入：RS=H,RW=H,E=H 輸出：D0D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù) 輸入：RS=H,RW=L,D0D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖 輸出：無指令 1：清顯示，指令碼 01H,光標(biāo)復(fù)位到地址 00H 位置 指令 2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址 00H 指令 3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)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(guān)控制。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo) B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍 指令 5：光標(biāo)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(biāo) 指令 6：功能設(shè)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(shè)置基于 51 單片機的紅外遙控電機系統(tǒng)的設(shè)計第 22 頁 （共 76 頁）指令 8： DDRAM 地址設(shè)置 指令 9： 讀忙信號和光標(biāo)地址 BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。指令 10：寫數(shù)據(jù) 指令 11：讀數(shù)據(jù) RAM 地址映射圖如圖 16控制器內(nèi)部帶有 808 位（80 字節(jié)）的 RAM 緩沖區(qū)，對應(yīng)關(guān)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(jìn)電機，小功率同步電機等。本設(shè)計采用步進(jìn)電機 [15]。步進(jìn)電機廣泛應(yīng)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(qū)動器、繪圖儀、機械閥門控制器等。目前，對步進(jìn)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(yīng)性受到限制，同時開發(fā)周期長、需求費用較高。步進(jìn)電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進(jìn)電機可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(VR) 、永磁式步進(jìn)電機(PM)和混合式步進(jìn)電機 (HB)。 步進(jìn)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(jìn)行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。 步進(jìn)電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)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(jìn)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(yán)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(jìn)電機的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)?！?3)控制步進(jìn)電機的速度 如果給步進(jìn)電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機就轉(zhuǎn)得越快。步進(jìn)電機的原理也可以這樣理解：將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移，具體來說，就是當(dāng)步進(jìn)電機的驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時，它就會驅(qū)動步進(jìn)電機按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（成為“步距角” ） ，它的旋轉(zhuǎn)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(dá)到準(zhǔn)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(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。步進(jìn)電機由步距角，輸入電壓等要素組成，故選擇步進(jìn)電機時要參考這些要素，在這里不討論步進(jìn)電機的選擇。本設(shè)計的步進(jìn)電機為四相步進(jìn)電機減速永磁步進(jìn)電動機35BYJ46，其相關(guān)數(shù)據(jù)如圖 17基于 51 單片機的紅外遙控電機系統(tǒng)的設(shè)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(jìn)電動機35BYJ46 相關(guān)參數(shù) 電機驅(qū)動電路選擇好步進(jìn)電機后，下一步就是步進(jìn)電機的驅(qū)動電路 [9]。方案一：使用多個功率放大器件驅(qū)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(dá)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(jìn)電機，就需要對四路信號分別進(jìn)行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當(dāng)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(fù)雜。方案二：使用 L29L298N 芯片組成的步進(jìn)電機驅(qū)動電路SGS 公司的 L297 單片步進(jìn)電機控制集成電路適用于雙極性兩相步進(jìn)電機或四相單極性步進(jìn)電機的控制，與兩片 H 橋式驅(qū)動芯片 L298 組合，組成完整的步進(jìn)電機固定斬波頻率的 PWM 恒流斬波驅(qū)動器。L297 產(chǎn)生四相驅(qū)動信號，用以控制雙極性兩相步進(jìn)電機或四相單極性步進(jìn)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(jìn)電機，并且控制電機的片內(nèi) 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(chǎn)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(shè)計第 26 頁 （共 76 頁）處理器控制及編程的負(fù)擔(dān)。L297 具有 DIP20 和 SO20 兩種封裝形式，可用于控制集成橋式驅(qū)動電路或分立元件組成的驅(qū)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(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 18 所示。圖 18 L297 內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(nèi)部設(shè)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(wǎng)絡(luò)決定，當(dāng)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(zhǔn)電壓 Vref 時，比較器翻轉(zhuǎn)，使觸發(fā)器復(fù)位，功率晶體管關(guān)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(diào)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(dāng)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(wǎng)絡(luò)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(qū)動繼電器、線圈、直流電機和步進(jìn)電機等感性負(fù)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(yīng)的外接線端可用來連接外設(shè)傳感電阻。可安置另一輸入電源，使邏輯能在低電壓下工作。采用 L297 和 L298 實現(xiàn)的步進(jìn)電機驅(qū)動電路見圖 21，該電路為固定斬波頻率的PWM 恒流斬波驅(qū)動方式，適用兩相雙極性步進(jìn)電機，最高電壓 46V，每相電流可達(dá)2A。用兩片 L298 和一片 297 配合使用，可驅(qū)動更大功率的兩相步進(jìn)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(shè)計第 28 頁 （共 76 頁）圖 21 L297 和 L298 的步進(jìn)電機驅(qū)動電路