蔡小偉，　黃桂萍，　范宜標(biāo)

(龍巖學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 福建 龍巖　364012)

?

直流電機(jī)卷簾門控制器

蔡小偉，黃桂萍，范宜標(biāo)

(龍巖學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 福建 龍巖364012)

摘要：以STM8為主控的直流電機(jī)卷簾門控制器由繼電器控制輸出電路、過流檢測(cè)電路、電池充電電路、無線接收電路、電源控制電路及主控電路組成,并對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：STM8； 直流電機(jī)； 卷簾門； 控制器

0引言

目前市場(chǎng)上的卷簾門電機(jī)主要采用交流電機(jī)[1-2]，其主控核心大多采用80C51系列單片機(jī)[1,3]，而且整個(gè)控制器采用交流供電。當(dāng)出現(xiàn)意外停電時(shí)往往只能采取手動(dòng)鏈條控制，而且只能是內(nèi)部側(cè)的控制。當(dāng)安裝于封閉式的房間如車庫、商店等，若出現(xiàn)停電就會(huì)給出行、工作及生活帶來極大不便，甚至引發(fā)人身安全及財(cái)產(chǎn)損失。因此，根據(jù)市場(chǎng)需求設(shè)計(jì)了一種以STM8為核心主控的直流電機(jī)卷簾門控制器。STM8較其80C51有更高的性價(jià)比[4]。主控制器供電電壓采用直流24 V，并以直流電機(jī)替代交流電機(jī)，直流24 V為市電經(jīng)環(huán)型變壓器降壓和鉛酸電池供電。鉛酸電池供電解決了交流電機(jī)停電不能工作及外置儲(chǔ)備電源引用昂貴等缺陷，根據(jù)鉛酸電池充電技術(shù)[5]，以及開發(fā)成本與開發(fā)周期直接采用電池充電管理芯片。本控制器設(shè)計(jì)可適用于600 kg及以下直流電機(jī)使用。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的控制器以STM8系列單片機(jī)為核心主控芯片，具體型號(hào)采用STM8S103K3T6C，系統(tǒng)主頻為16 M，高達(dá)8 KB閃存，10位ADC，3個(gè)定時(shí)器等外設(shè)。電機(jī)控制模塊采用兩個(gè)T90-30-24VDC大功率繼電器組成互斥輸出電路；過流檢測(cè)采用具有Rail-to-Rail輸出的運(yùn)算放大器TLC2262，構(gòu)成同相放大電路輸出至主控ADC進(jìn)行采樣；無線接收模塊采用無線射頻遙控接收芯片SYN470R與解碼芯片HT-12D組合，工作頻率為433 MHz；電源模塊采用大功率環(huán)形變壓器降壓輸出；蓄電池采用兩組12 V 4.5 AH鉛酸電池串聯(lián)；根據(jù)鉛酸電池的特性采用具有恒流、恒壓的充電控制芯片CN3717組成充電模塊，以保證鉛酸電池能長(zhǎng)久使用。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1電機(jī)控制電路

圖1　系統(tǒng)框圖

控制器電機(jī)控制電路如圖2所示。

圖2　電機(jī)控制電路

P1為控制板與電機(jī)的接線端子口，標(biāo)號(hào)UP_L與DOWN_L為外部鏈?zhǔn)骄砗熼T電機(jī)自帶的開門與關(guān)門限位開關(guān)輸出，兩限位開關(guān)的公共端分別接+12 V，正常工作時(shí)兩個(gè)限位開關(guān)輸出+12 V，經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)分壓后輸入到單片機(jī)，當(dāng)產(chǎn)生限位信號(hào)時(shí)由高電平到低電平產(chǎn)生下降沿，接單片機(jī)外部中斷產(chǎn)生限位中斷以便停止運(yùn)行電機(jī)；圖中標(biāo)號(hào)A與B為直流電機(jī)的電源接口；二極管D2、D3、D7與D8用于吸收反向電壓；繼電器Relay_1與Relay_2組成互斥電路；電阻R11與R11_1為電流取樣電阻，將取樣電壓值經(jīng)過同相放大電路至主控ADC輸入；主控輸出控制引腳分別為K1與K2，由兩個(gè)NPN三極管組成繼電器驅(qū)動(dòng)電路。

2.2無線接收模塊電路

根據(jù)目前使用非常廣泛的200 m四鍵遙控發(fā)射器，文中設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)單實(shí)用的無線接收模塊，具體電路如圖3所示。

圖3　無線接收模塊電路圖

無線接收部分采用法國SYNOXO公司單片無線ASK/OOK接收芯片SYN470R。該芯片工作在433 MHz時(shí)，其靈敏度可達(dá)-107 dBm，大大增加了接收距離。SYN470R可工作于固定模式(FIXED MODE)與掃頻模式(SWP MODE)，其根據(jù)SEL0與SEL1引腳電平?jīng)Q定，本設(shè)計(jì)工作于固定模式。文中設(shè)計(jì)接收頻率為443 MHz，根據(jù)SYN470R數(shù)據(jù)手冊(cè)選擇晶振頻率為6.745 8 MHz。圖3中ANT為外置天線，可在PCB設(shè)計(jì)時(shí)使用引線,將天線引出至控制器外殼以增強(qiáng)接收信號(hào)。在解碼上為減少開發(fā)周期直接采用Holtek公司的專用解碼芯片HT-12D，外部只需在OSC1與OSC2連接一個(gè)電阻即可，A0～A7為外部地址編碼引腳，用于接高電平與低電平實(shí)現(xiàn)不同的地址。解碼部分也可利用單片機(jī)外部觸發(fā)中斷方式實(shí)現(xiàn)解碼[6-8]。無線接收SYN470R芯片輸出DO以單一線方式與解碼芯片HT-12D的DIN相連接。HT-12D輸出引腳D8～D11用于連接主控器以實(shí)現(xiàn)上行、下行、停止與鎖定信號(hào)。

2.3充電電路

控制器為使停電時(shí)能正常工作，在停電時(shí)采用蓄電池供電，蓄電池可采用兩個(gè)12 V 4.5 AH鉛酸電池串聯(lián)。鉛酸電池作為供電源正迅猛發(fā)展，然而蓄電池要能夠有較長(zhǎng)的使用壽命,在很大程度上取決于充電方式。廖金華[6]對(duì)各充電技術(shù)作了對(duì)比，在幾種技術(shù)當(dāng)中并不能完全解決蓄電池充電存在的問題，而且具有實(shí)現(xiàn)難度大、成本高等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)考慮到開發(fā)周期與成本問題，且本控制器電池只有在停電時(shí)才使用，使用頻率較低等特點(diǎn)，直接采用專用鉛酸充電芯片控制方式。

CN3717是PWM輸出的降壓模式專用鉛酸電池充電芯片，具有涓流、恒流過充電和浮充電模式，過充和浮充電模式下，充電電壓只由外部電阻分壓組成，恒流充電模式也只由一個(gè)外部電阻設(shè)置。CN3717具體充電電路如圖4所示。

圖4　蓄電池充電電路

根據(jù)CN3717數(shù)據(jù)手冊(cè),其VCC引腳電壓在于低壓鎖在閾值，且在大于電池電壓時(shí)，充電器正常工作，一般情況應(yīng)使電池電壓高2 V；輸出電壓Vbat=3.69×(1+R34/R39)+IB×R39，其中,IB是FB管腳的偏置電流，典型值為40 nA，當(dāng)R34取390 kΩ，R49取68 kΩ時(shí)，Vbat=3.69×(1+390/68)+0.04×0.390=24.87；恒流充電電流Ich=175 mV/Rcs1=175 mV/0.12 Ω=1.458 A；過充結(jié)束電流設(shè)置為恒流充電電流的18%時(shí)充電結(jié)束，則EOC引腳連接電阻取10 kΩ；電容C22=8×(R39/R34)=0.14 pF；電感L3根據(jù)充電電流大小與輸入電壓范圍選取，這里取40 μH；引腳TEMP與NPN三極管的集電極相連接，控制信號(hào)由主控輸出，當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)Q6導(dǎo)通，TEMP引腳為低電平，此時(shí)禁止充電，同理可開啟充電，以便靈活控制充電間隔。

2.4主控電路及其它電路

控制器主控采用意法半導(dǎo)體公司的STM8S103K3T6C單片機(jī)。該單片機(jī)工作頻率為16 MHz，4路10位ADC，3個(gè)定時(shí)器，另外，還包含如SPI、UART、IIC等常用外設(shè)。主控外圍基本電路如圖5所示。

控制器的電源由市電經(jīng)過環(huán)形變壓器降壓到26 V，經(jīng)過橋式整流、濾波后作為直流電機(jī)電源、充電電路輸入電源與作為系統(tǒng)芯片供電電源。系統(tǒng)主控STM8、無線接收模塊、過流檢測(cè)電源都統(tǒng)一使用5 V供電，供電電路采用兩個(gè)兩片LM317降壓得到，先降到12 V再降至5 V，具體電路如圖6所示。

過流檢測(cè)電路由TLC2262構(gòu)成同相放大電路，系統(tǒng)設(shè)計(jì)放大倍數(shù)為5倍，輸出端為圖2中的標(biāo)號(hào)ADC_1；過流檢測(cè)電路主要用于當(dāng)出現(xiàn)意外使電堵轉(zhuǎn)產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)，以保護(hù)電機(jī)不被燒毀。蓄電池供電電路采用高功率肖特基整流器STPS20H100C，將蓄電池側(cè)經(jīng)整流器直流串聯(lián)至環(huán)形變壓器整流濾波后電路當(dāng)中?？刂破魍獠窟€應(yīng)設(shè)置手動(dòng)按鍵與指示燈，設(shè)置4個(gè)按鍵分別并聯(lián)于編碼電路與主控的接口上。

圖5　STM8S103K外圍基本電路

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要由硬件初始化、定時(shí)充電事件、按鍵判斷與執(zhí)行事件、電機(jī)過流保護(hù)事件等組成。硬件初始化主要完成I/O端口設(shè)置、中斷初始化、定時(shí)器初始化、ADC初始化及串口初始等。定時(shí)充電事件主要根據(jù)鉛酸電池的特性設(shè)置定時(shí)時(shí)間間隔為一個(gè)月對(duì)電池進(jìn)行一次充電。電機(jī)過流保護(hù)事件為主控STM8的ADC端的輸入電壓采樣，其輸入電壓為圖1中的電流取樣電阻R11與R11_1上網(wǎng)絡(luò)端口ADC_1到GND上電壓，經(jīng)過TLC2262同相放大后的輸出電壓，當(dāng)出現(xiàn)電機(jī)過流即ADC采樣得到電壓過壓時(shí),關(guān)閉所有輸出,電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。按鍵事件分為按鍵鎖定、按鍵上行、按鍵下行、按鍵停止4類；按鍵鎖定事件用于控制鎖定上行與下行按鍵，當(dāng)按鍵鎖定時(shí),將不能控制電機(jī)的上行與下行，需要進(jìn)行解鎖方可，該功能控制實(shí)現(xiàn)為按一次鎖定，再按一次解鎖；按鍵停止事件用于控制電機(jī)停轉(zhuǎn)，此事件為最高優(yōu)先級(jí)事件，即當(dāng)停止事件觸發(fā)時(shí)電機(jī)即停止運(yùn)行；按鍵上行事件用于控制卷閘門的上行，在按鍵按下時(shí)首先判斷是否為鎖定狀態(tài)，如果是則此次按鍵事件無效，否則執(zhí)行上行動(dòng)作，按鍵設(shè)置為單次觸發(fā)，即按鍵按下一次后便執(zhí)行卷閘門上行而無需長(zhǎng)按，只有當(dāng)達(dá)到上限位或者有停止事件發(fā)生時(shí)電機(jī)才結(jié)束運(yùn)行；同理按鍵下行事件跟按鍵上行事件類似。卷閘門工作流程如圖7所示。

圖7　卷閘門工作流程圖

4結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種直流電機(jī)的卷閘門控制器，相比于傳統(tǒng)的交流電機(jī)卷閘門控制器,使用直流24 V電壓有更高的安全性，停電時(shí)使用電池供電控制有更加廣泛的適用性，使用全新的STM8控制器有更強(qiáng)的擴(kuò)展性與實(shí)時(shí)性。在后續(xù)的升級(jí)過程中可采用開關(guān)電源替換現(xiàn)有的環(huán)型變壓器，使之有更寬的輸入電壓；無線通信可采用CC1101模塊，使通信更加安全可靠。文中設(shè)計(jì)的控制器已在某公司生產(chǎn)與銷售，經(jīng)客戶反饋，運(yùn)行效果良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]薛靜瑋.防火卷簾門控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].福建電腦,2014(6):115-117.

[2]楊慧,周伯俊.基于GSM的遠(yuǎn)程卷簾門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技視界,2015,26:16-17.

[3]張建.基于STC89C52單片機(jī)的防火卷閘門控制器設(shè)計(jì)[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2014,30:5-6.

[4]陳國照.STM8系列單片機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用[J].甘肅冶金,2011(2):113-114,118.

[5]梁華為,周旭.用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)HT-12D的解碼功能[J].電子技術(shù),1999(1):40-42.

[6]廖金華,李建黎.鉛酸蓄電池充電技術(shù)綜述[J].蓄電池,2010(3):132-135,139.

[7]劉開緒，付保紅，鄒立君.鋰離子電池組能量均衡控制[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010,31(4):407-411.

[8]梁華為，周旭.用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)HT-12D的解碼功能[J].電子技術(shù),1999(1):40-42.

A DC motor rolling door controller

CAI Xiaowei,HUANG Guiping,FAN Yibiao

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Longyan University， Longyan 364012, China)

Abstract：A STM8-based controller for DC motor rolling door is designed, which is composed of relay control, overcurrent detection, battery charging, radio reception, power control and host control. The software of the controller is analyzed.

Key words：STM8; DC motor; rolling door; controller.

收稿日期：2016-02-25

基金項(xiàng)目：2014年福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目A類(JA14307); 龍巖學(xué)院產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(LC2013004)

作者簡(jiǎn)介：蔡小偉(1986-)，男，漢族，福建龍海人，龍巖學(xué)院助教,碩士，主要從事智能機(jī)器人、嵌入式技術(shù)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)方向研究,E-mail:cxw8604@163.com.

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.2.06

中圖分類號(hào)：TP 273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1374(2016)02-0128-06