直流電機卷簾門控制器

蔡小偉，　黃桂萍，　范宜標

(龍巖學院 機電工程學院， 福建 龍巖　364012)

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直流電機卷簾門控制器

蔡小偉，黃桂萍，范宜標

(龍巖學院 機電工程學院， 福建 龍巖364012)

摘要：以STM8為主控的直流電機卷簾門控制器由繼電器控制輸出電路、過流檢測電路、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,并對系統(tǒng)軟件進行了分析。

關(guān)鍵詞：STM8； 直流電機； 卷簾門； 控制器

0引言

目前市場上的卷簾門電機主要采用交流電機[1-2]，其主控核心大多采用80C51系列單片機[1,3]，而且整個控制器采用交流供電。當出現(xiàn)意外停電時往往只能采取手動鏈條控制，而且只能是內(nèi)部側(cè)的控制。當安裝于封閉式的房間如車庫、商店等，若出現(xiàn)停電就會給出行、工作及生活帶來極大不便，甚至引發(fā)人身安全及財產(chǎn)損失。因此，根據(jù)市場需求設(shè)計了一種以STM8為核心主控的直流電機卷簾門控制器。STM8較其80C51有更高的性價比[4]。主控制器供電電壓采用直流24 V，并以直流電機替代交流電機，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停電不能工作及外置儲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)計可適用于600 kg及以下直流電機使用。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

本次設(shè)計的控制器以STM8系列單片機為核心主控芯片，具體型號采用STM8S103K3T6C，系統(tǒng)主頻為16 M，高達8 KB閃存，10位ADC，3個定時器等外設(shè)。電機控制模塊采用兩個T90-30-24VDC大功率繼電器組成互斥輸出電路；過流檢測采用具有Rail-to-Rail輸出的運算放大器TLC2262，構(gòu)成同相放大電路輸出至主控ADC進行采樣；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久使用。整個系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2硬件電路設(shè)計

2.1電機控制電路

圖1　系統(tǒng)框圖

控制器電機控制電路如圖2所示。

圖2　電機控制電路

P1為控制板與電機的接線端子口，標號UP_L與DOWN_L為外部鏈式卷簾門電機自帶的開門與關(guān)門限位開關(guān)輸出，兩限位開關(guān)的公共端分別接+12 V，正常工作時兩個限位開關(guān)輸出+12 V，經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)分壓后輸入到單片機，當產(chǎn)生限位信號時由高電平到低電平產(chǎn)生下降沿，接單片機外部中斷產(chǎn)生限位中斷以便停止運行電機；圖中標號A與B為直流電機的電源接口；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NPN三極管組成繼電器驅(qū)動電路。

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)計一款簡單實用的無線接收模塊，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，其靈敏度可達-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)計工作于固定模式。文中設(shè)計接收頻率為443 MHz，根據(jù)SYN470R數(shù)據(jù)手冊選擇晶振頻率為6.745 8 MHz。圖3中ANT為外置天線，可在PCB設(shè)計時使用引線,將天線引出至控制器外殼以增強接收信號。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現(xiàn)不同的地址。解碼部分也可利用單片機外部觸發(fā)中斷方式實現(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現(xiàn)上行、下行、停止與鎖定信號。

2.3充電電路

控制器為使停電時能正常工作，在停電時采用蓄電池供電，蓄電池可采用兩個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的使用壽命,在很大程度上取決于充電方式。廖金華[6]對各充電技術(shù)作了對比，在幾種技術(shù)當中并不能完全解決蓄電池充電存在的問題，而且具有實現(xiàn)難度大、成本高等特點。本設(shè)計考慮到開發(fā)周期與成本問題，且本控制器電池只有在停電時才使用，使用頻率較低等特點，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,其VCC引腳電壓在于低壓鎖在閾值，且在大于電池電壓時，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R34取390 kΩ，R49取68 kΩ時，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，控制信號由主控輸出，當控制信號為高電平時Q6導通，TEMP引腳為低電平，此時禁止充電，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體公司的STM8S103K3T6C單片機。該單片機工作頻率為16 MHz，4路10位ADC，3個定時器，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、過流檢測電源都統(tǒng)一使用5 V供電，供電電路采用兩個兩片LM317降壓得到，先降到12 V再降至5 V，具體電路如圖6所示。

過流檢測電路由TLC2262構(gòu)成同相放大電路，系統(tǒng)設(shè)計放大倍數(shù)為5倍，輸出端為圖2中的標號ADC_1；過流檢測電路主要用于當出現(xiàn)意外使電堵轉(zhuǎn)產(chǎn)生保護信號，以保護電機不被燒毀。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中。控制器外部還應(yīng)設(shè)置手動按鍵與指示燈，設(shè)置4個按鍵分別并聯(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

系統(tǒng)程序主要由硬件初始化、定時充電事件、按鍵判斷與執(zhí)行事件、電機過流保護事件等組成。硬件初始化主要完成I/O端口設(shè)置、中斷初始化、定時器初始化、ADC初始化及串口初始等。定時充電事件主要根據(jù)鉛酸電池的特性設(shè)置定時時間間隔為一個月對電池進行一次充電。電機過流保護事件為主控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，當出現(xiàn)電機過流即ADC采樣得到電壓過壓時,關(guān)閉所有輸出,電機停止運轉(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，當按鍵鎖定時,將不能控制電機的上行與下行，需要進行解鎖方可，該功能控制實現(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停轉(zhuǎn)，此事件為最高優(yōu)先級事件，即當停止事件觸發(fā)時電機即停止運行；按鍵上行事件用于控制卷閘門的上行，在按鍵按下時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按，只有當達到上限位或者有停止事件發(fā)生時電機才結(jié)束運行；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)計了一種直流電機的卷閘門控制器，相比于傳統(tǒng)的交流電機卷閘門控制器,使用直流24 V電壓有更高的安全性，停電時使用電池供電控制有更加廣泛的適用性，使用全新的STM8控制器有更強的擴展性與實時性。在后續(xù)的升級過程中可采用開關(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)計的控制器已在某公司生產(chǎn)與銷售，經(jīng)客戶反饋，運行效果良好。

參考文獻：

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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

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

作者簡介：蔡小偉(1986-)，男，漢族，福建龍海人，龍巖學院助教,碩士，主要從事智能機器人、嵌入式技術(shù)、自動化控制系統(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：TP 273

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1374(2016)02-0128-06