摘 要： 提出了一種基于Atmega8 和Stm32F101 雙處理器的投影機(jī)升降控制設(shè)計(jì)方案，介紹了其電路組成、功能以及軟件流程。其中Atmega8 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，Stm32F101 實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，處理器間通過(guò)I2C 總線(xiàn)進(jìn)行通訊。系統(tǒng)采用了紅外遙控或外部按鍵輸入裝置控制，也可以用PC 機(jī)聯(lián)機(jī)控制。試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案正確、有效，定點(diǎn)精度符合實(shí)用要求。

　　1 引言

　　投影機(jī)升降控制系統(tǒng)由Atmega8 數(shù)據(jù)采集電路、Stm32F101 控制電路、電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)檢測(cè)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(gòu)成。目標(biāo)是對(duì)投影機(jī)等多媒體設(shè)備的升降控制。方案中能隨時(shí)設(shè)置投影機(jī)到達(dá)的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的上限值，設(shè)置完畢后無(wú)論投影機(jī)在哪個(gè)位置，當(dāng)按上升鍵時(shí)能到達(dá)設(shè)置的最高點(diǎn)，按下降鍵時(shí)能到達(dá)設(shè)置的最低點(diǎn)，按停止鍵時(shí)停止運(yùn)動(dòng)。采用粗調(diào)與微調(diào)相結(jié)合的操作方式，長(zhǎng)按操作鍵3 秒時(shí)投影機(jī)連續(xù)升或降，松手時(shí)停止，主要用于粗調(diào)；短按操作鍵時(shí)投影機(jī)升或降一定距離后自動(dòng)停止，用于微調(diào)。當(dāng)設(shè)置完后，用保存鍵保存設(shè)置，倘若沒(méi)有保存設(shè)置，則設(shè)置點(diǎn)無(wú)效。紅外遙控器既可設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，也可升降控制。

　　2 基本控制方法

　　控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于可以控制投影機(jī)升降到任意位置，升降過(guò)程是靠電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的，升降的直線(xiàn)距離與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)相對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的控制也就實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)化為對(duì)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的控制，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈對(duì)應(yīng)升降直線(xiàn)距離一毫米，本方案的直線(xiàn)距離控制準(zhǔn)確度為一毫米，即實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈的數(shù)字控制。電動(dòng)機(jī)控制模塊中采用2 個(gè)紅外傳感器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)與旋轉(zhuǎn)方向的采集，由Atmega8 兩根I/O 引腳采集傳感器輸出的信號(hào)，引腳的電平組合信號(hào)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１疚睦胢otor _state 結(jié)構(gòu)體表示電機(jī)的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)體中每個(gè)元素的含義如下：

　　通過(guò)結(jié)構(gòu)體前兩個(gè)元素值比較可以知道電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)；通過(guò)3,4 元素比較可以精確定位投影位置，當(dāng)相等時(shí)產(chǎn)生中斷，命令電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；在后2 個(gè)元素中，當(dāng)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(dāng)?shù)?位全為1 時(shí)表示電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一圈則由motor _ bit _ R 表示。

　　3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)總體上分為信號(hào)采集與電動(dòng)機(jī)控制兩大部分。

　　如系統(tǒng)框圖右側(cè)Atmega8 主要用作紅外傳感器信號(hào)電平采集，當(dāng)Stm32F101 控制電機(jī)升降時(shí)，電機(jī)圈數(shù)檢測(cè)電路會(huì)通過(guò)紅外傳感器向Atmega8 輸入信號(hào)，從而判斷出電機(jī)的運(yùn)行情況。左側(cè)為Stm32F101 控制電機(jī)的升降部分。命令可以分別由紅外遙控或者與PC 機(jī)聯(lián)機(jī)后的按鍵方式輸入。當(dāng)Atmega8 采集紅外傳感器信號(hào)電平時(shí)，可以通過(guò)I2C總線(xiàn)與Stm32F101 傳遞信息，在投影機(jī)到達(dá)目的點(diǎn)時(shí)發(fā)出中斷信號(hào)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(nèi)部數(shù)據(jù)。掉電保存模塊采用的是CAT24WC16,即使在運(yùn)行中突然停電，也能自動(dòng)保存電機(jī)停電時(shí)刻的狀態(tài)參數(shù)，即保存motor _state結(jié)構(gòu)體變量。

圖1 控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　3.1 電機(jī)圈數(shù)檢測(cè)單元

　　此單元在整個(gè)系統(tǒng)中處于重要地位，在電機(jī)轉(zhuǎn)軸一端套著半圓鐵片，置于紅外傳感器發(fā)射端和接收端之間，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)鐵片跟著旋轉(zhuǎn)。圈數(shù)檢測(cè)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(hào)為低電平0,沒(méi)有擋住時(shí)輸出信號(hào)為高電平1.由于是半圓鐵片，隨著電機(jī)的不斷旋轉(zhuǎn)，Atmega8兩個(gè)引腳接收紅外傳感器信號(hào)，不斷循環(huán)地檢測(cè)兩引腳的輸入電平。當(dāng)兩引腳的輸入電平?jīng)]有變化時(shí)代表電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)變化狀態(tài)為00,10,11,01 或者00,01,11,10 時(shí)，表明電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。狀態(tài)順序反映出電機(jī)順時(shí)針或者逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。

　　3.2 電機(jī)控制模塊

　　圖2 是Stm32F101 對(duì)電機(jī)控制的硬件原理圖。

圖2 電機(jī)控制硬件結(jié)構(gòu)圖。

　　圖中ULN2803A 是達(dá)林頓驅(qū)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(jī)升降，控制電機(jī)工作還是停止，控制蜂鳴器響停。繼電器RL303 工作時(shí)，電機(jī)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(jī)升操作，反之常閉是對(duì)電機(jī)降操作。為了提高電機(jī)的安全性，還采取了升降保護(hù)，如圖中連接有兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)，分別是升、降限位保護(hù)，即當(dāng)?shù)竭_(dá)極限點(diǎn)時(shí)限位開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，導(dǎo)致電機(jī)停止工作，起到保護(hù)電路的作用。

4.2 Stm32F101 軟件流程

　　上電復(fù)位后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，主函數(shù)循環(huán)執(zhí)行3個(gè)子函數(shù)，等待著外部控制命令輸入。當(dāng)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(shù)據(jù)，Atmega8 響應(yīng)正常后Stm 32F101才執(zhí)行控制電機(jī)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(yàn)結(jié)果分析

　　首先設(shè)置投影機(jī)的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)分別為20.00cm、120.00cm,實(shí)驗(yàn)中總是在投影機(jī)下降過(guò)程中斷電片刻后上電，反復(fù)記錄投影機(jī)所到達(dá)的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.由測(cè)試結(jié)果可知，測(cè)量誤差在1mm 以?xún)?nèi)，并且隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加測(cè)試數(shù)據(jù)會(huì)向下偏移。同樣可以試驗(yàn)，在投影機(jī)上升過(guò)程中斷電時(shí)，隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加測(cè)試數(shù)據(jù)會(huì)向上偏移，故而在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，投影機(jī)所到達(dá)設(shè)置點(diǎn)的誤差能確保在1mm 以?xún)?nèi)。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù) cm

　　6 結(jié)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(hào)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)和轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，實(shí)現(xiàn)了精確直線(xiàn)距離控制轉(zhuǎn)化為對(duì)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的控制。

　　其次，采用雙處理器，Atmega8 負(fù)責(zé)信號(hào)采集分析，Stm32F101 負(fù)責(zé)電機(jī)控制，使得實(shí)時(shí)性更高，響應(yīng)速度更快，從而穩(wěn)定性和精度性都有了明顯的提高，完全滿(mǎn)足投影機(jī)等多媒體設(shè)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(dāng)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(duì)應(yīng)110,101,011 三種狀態(tài)。當(dāng)按下其中任意一鍵時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通，發(fā)出光信號(hào)作為三極管的基極輸入，三極管導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)Stm32F101引腳低電平，從而作出相應(yīng)處理。采用光電耦合，增強(qiáng)了抗干擾能力。

圖3 外部按鍵結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)，通過(guò)地址位進(jìn)行2 次連續(xù)比較，如果發(fā)現(xiàn)沒(méi)有錯(cuò)誤的碼字和不匹配的字，輸入的數(shù)據(jù)被解碼并傳送給相應(yīng)的數(shù)據(jù)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。

圖4 紅外模塊遙控解碼模塊接口圖。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件總體設(shè)計(jì)分為Atmega 8 軟件設(shè)計(jì)和Stm32F101 軟件設(shè)計(jì)。Stm32F101 收到命令后進(jìn)入相關(guān)的處理函數(shù)，根據(jù)命令執(zhí)行不同的操作，同時(shí)通過(guò)I2C 總線(xiàn)與Atmega8 通訊。

　　4.1 Atmega8 軟件流程

　　開(kāi)始后首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化，其中包括初始化定時(shí)器，串口，I2C 等，然后從E2PROM 中讀取掉電時(shí)刻保存的電機(jī)參數(shù)，完全還原電機(jī)掉電時(shí)的狀態(tài)。進(jìn)入主函數(shù)后循環(huán)執(zhí)行各個(gè)子函數(shù)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)采集的電平信號(hào)更新結(jié)構(gòu)體變量，轉(zhuǎn)過(guò)一圈motor_ data 元素加1 或者減1,當(dāng)motor _ data 與motor_ over 相等時(shí)產(chǎn)生外部中斷信號(hào)使Stm32F101 發(fā)生中斷，在中斷函數(shù)體內(nèi)執(zhí)行程序使電機(jī)停止下來(lái)。

　　無(wú)論何時(shí)掉電，都會(huì)立即進(jìn)入掉電保存程序，將重要參數(shù)寫(xiě)進(jìn)E2PROM,下次上電時(shí)完全還原電機(jī)掉電時(shí)刻的參數(shù)。由于Stm32F101 是主I2C,當(dāng)Atmege8 接收到I2C 數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生I2C 中斷，保存數(shù)據(jù)到相應(yīng)數(shù)組，同時(shí)置位相關(guān)標(biāo)志位，當(dāng)循環(huán)到I2C中斷標(biāo)志為1 時(shí)，馬上進(jìn)入處理命令函數(shù)，滿(mǎn)足條件時(shí)中斷Stm32F101,程序流程圖如圖5 所示。

圖5 Atmega8 軟件流程圖。