華中光電技術(shù)研究所——武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室　趙思聰

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基于單片機(jī)的紅外鏡頭蓋電機(jī)控制電路

華中光電技術(shù)研究所——武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室趙思聰

【摘要】本文從紅外系統(tǒng)的鏡頭蓋的狀態(tài)出發(fā)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的電機(jī)控制電路。電路由電源電路、位置檢測(cè)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、接口電路以及單片機(jī)控制電路組成，充分考慮邏輯的完整性和程序的可行性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外鏡頭蓋運(yùn)行狀態(tài)的識(shí)別以及實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡頭蓋狀態(tài)的控制。

【關(guān)鍵詞】紅外；鏡頭蓋；電機(jī)

1　概述

鏡頭蓋被廣泛應(yīng)用于紅外光電設(shè)備中，用以保護(hù)光學(xué)玻璃。隨著技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，光電設(shè)備被應(yīng)用于國防、消防、安全監(jiān)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域。鏡頭蓋的控制電路決定了其具體的工作方式，因此控制電路應(yīng)該對(duì)鏡頭蓋的工作方式有較好的優(yōu)化；同時(shí)，控制電路的好壞對(duì)鏡頭蓋的工作壽命以及維修的便捷性有較大的影響，較好地控制電路設(shè)計(jì)能夠降低對(duì)機(jī)械部件精度的高要求，以及提高鏡頭蓋維修的便捷性。

2　工作原理組成

由于外接電壓與電路工作所需電壓不一致，電路需要將將外接電壓轉(zhuǎn)換為電路所需的電壓。而各個(gè)部分的驅(qū)動(dòng)電壓，位置檢測(cè)電路將限位開關(guān)上的位置信息反饋回控制電路，而控制電路將反饋的位置信息以及鏡頭蓋的運(yùn)行的位置對(duì)應(yīng)起來。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為鏡頭蓋旋轉(zhuǎn)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電源，單片機(jī)通過接口電路來接收控制信息，通過位置檢測(cè)電路以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)向，達(dá)到控制鏡頭蓋的目的。

鏡頭蓋控制電路由以下幾部分組成：通信接口電路、電源電路、位置檢測(cè)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、控制電路。如圖1所示：

圖1　電路系統(tǒng)框圖

電路需要接收上位機(jī)的控制命令，同時(shí)當(dāng)鏡頭蓋動(dòng)作完成后電路需要向上位機(jī)返回運(yùn)行狀態(tài)。在控制電路中要有單片機(jī)與上位機(jī)的通信接口。同時(shí)，外界提供給控制電路的外接電源為+24V，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓為6V，MCU單片機(jī)在3.3V的電壓下能夠正常工作，因此控制電路的電源部分需要將外界電壓轉(zhuǎn)換為電路工作所需電壓。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)。位置檢測(cè)電路將鏡頭蓋的位置信息反饋到單片機(jī)中。

3　各部分電路組成

3.1電源電路

電壓轉(zhuǎn)換電路將外接電源轉(zhuǎn)換為控制電路各部分所需的電壓。對(duì)進(jìn)入電路板的+24V電源來說，為了保證硬件電路電源不被這些因素所干擾，在電源入口采用濾波電容加濾波器的方式來對(duì)入口電源進(jìn)行濾波，用以減小外界對(duì)電源的干擾，電容選擇為額定電壓值為35V額定容量為220uF的有極性的電解電容，采用容值較大的電容能夠保證控制電路電壓不會(huì)發(fā)生較大的突變。在電源入口處串接二極管的方式來防止電源反接，當(dāng)外電源反接時(shí)，二極管不導(dǎo)通而處于高阻值狀態(tài)。在電源入口選用自恢復(fù)保險(xiǎn)絲對(duì)其進(jìn)行限流。為了防止靜電和浪涌電壓對(duì)電路的傷害，在鏡頭蓋控制電路中選用瞬態(tài)抑制管（TVS）對(duì)浪涌電壓進(jìn)行釋放。

通過接口電路后電路的電壓依然是24V電壓，控制電路需要3.3V的工作電壓，需要將其轉(zhuǎn)換為3.3V電壓。從24V 到3.3V由于電壓壓差較大，為了提高電源的利用效率，選用DC-DC來進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。選用小體積的PDS03-2405的電壓轉(zhuǎn)換模塊來進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，先將電壓轉(zhuǎn)換為5V，再用LDO芯片NCP1117將電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，為控制電路供電。

3.2位置檢測(cè)電路

在鏡頭蓋運(yùn)行的過程中，判斷位置的原件為電位器以及限位開關(guān)。電位器隨著鏡頭蓋的轉(zhuǎn)動(dòng)阻值發(fā)生變化，而當(dāng)?shù)竭_(dá)位置后限位開關(guān)的電平會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于電位器，在電位器兩端加固定電壓通過測(cè)量電壓的變化以測(cè)量電位器阻值的變化，電壓變化經(jīng)過一個(gè)電壓跟隨器反饋到單片機(jī)。

限位開關(guān)在開關(guān)位置后電平會(huì)發(fā)生變化，將限位開關(guān)的與單片機(jī)IO口相連即實(shí)現(xiàn)對(duì)電平變化的檢測(cè)。

3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

鏡頭蓋電機(jī)在6V的驅(qū)動(dòng)電源下才能正常工作，外接電源的電壓為+24V，在這里涉及到將24V電壓轉(zhuǎn)換為6V的問題，對(duì)于降壓問題，在電路處理中一般采用DCDC降壓或LDO來降壓。DC-DC能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的電壓轉(zhuǎn)換，缺點(diǎn)是存在開關(guān)噪聲的干擾，需要對(duì)開關(guān)噪聲進(jìn)行濾除。LDO降壓電路的特點(diǎn)是紋波噪聲較小，只需要并聯(lián)電容濾波即可獲得很好的紋波特性，LDO的缺點(diǎn)是電壓轉(zhuǎn)換效率較低，特別是在壓差較大的情況下效率極低，發(fā)熱嚴(yán)重。對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)來說，選用型號(hào)為JYNC6-28S06P的DC-DC來進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，該模塊具有體積小、轉(zhuǎn)換效率高、與接入地隔離等特點(diǎn)，能夠滿足設(shè)計(jì)需求，轉(zhuǎn)換后能夠?yàn)殡姍C(jī)提供6V/1A的電源。為了實(shí)現(xiàn)在空閑時(shí)將鏡頭蓋轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的電源關(guān)斷功能，在DC-DC接入端用一個(gè)繼電器來控制開關(guān)電源的打開和關(guān)斷，MOTO_EN與控制電路的單片機(jī)IO口相連，由程序來控制單片機(jī)的IO的電平為高或低，以實(shí)現(xiàn)繼電器開或關(guān)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)橋的方式來控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，如圖2所示。通過控制驅(qū)動(dòng)橋的邏輯來控制電平，當(dāng)MOTO+處于高電平時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，MOTO-處于高電平時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

3.4接口電路

系統(tǒng)和電路板之間的串口為422電平，需要將422電平轉(zhuǎn)換為TTL電平。電平轉(zhuǎn)換芯片選用ADM2490EBRWZ，在422芯片接受端加上下拉電阻，以對(duì)電平進(jìn)行箝位。為確保通信電平轉(zhuǎn)換的可靠性以及防止各種地電平之間的干擾，電平轉(zhuǎn)換部分選用一個(gè)表貼的隔離DCDC將24V電源轉(zhuǎn)換為5V為電，為轉(zhuǎn)換電路供電，將轉(zhuǎn)換后5V電源地和系統(tǒng)提供的422_GND用0歐電阻連起來，實(shí)現(xiàn)共地。選用NUP4202防護(hù)芯片對(duì)422信號(hào)的傳輸做出保護(hù)。

3.5單片機(jī)控制電路

控制電路需要通過程序的編寫和在其他外圍電路的配合下實(shí)現(xiàn)以下三部分的功能：（1）為鏡頭蓋電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電壓。（2）檢測(cè)與鏡頭蓋的位置。（3）控制鏡頭蓋電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)?；诖?，控制電路的設(shè)計(jì)必須實(shí)現(xiàn)以上部分的功能（如圖2所示）。

圖2　電路系統(tǒng)框圖

基于以上的功能要求，綜合考慮檢測(cè)精度、電路板空間要求等因數(shù)，選用C8051F021單片機(jī)。單片機(jī)系統(tǒng)采用16M外部晶振構(gòu)成的時(shí)鐘電路。F021單片機(jī)有7個(gè)復(fù)位源，選用MONEN引腳直接和VDD相連的上電復(fù)位。單片機(jī)終端需要將到位時(shí)電位器對(duì)應(yīng)的位置信息在上電時(shí)加載，斷電時(shí)存儲(chǔ)下來，這需要在單片機(jī)外擴(kuò)展EPROM芯片，選用X5323S8IZ-2.7T1，用于存儲(chǔ)位置信息，工作時(shí)間。將電源監(jiān)控芯片INA209AIPW的數(shù)據(jù)線SDA時(shí)鐘SCL與單片機(jī)IO口P0.6 P0.7相連，以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)電機(jī)電流。如圖2所示。

4　總結(jié)

設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的電機(jī)控制電路。電路由電源電路、位置檢測(cè)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、接口電路以及單片機(jī)控制電路組成，充分考慮電路的完整性和可行性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外鏡頭蓋運(yùn)行狀態(tài)的識(shí)別以及實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡頭蓋狀態(tài)的控制，減小了外界對(duì)電路的干擾。

參考文獻(xiàn)

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