直流电机卷帘门控制器

蔡小伟，　黄桂萍，　范宜标

(龙岩学院 机电工程学院， 福建 龙岩　364012)



直流电机卷帘门控制器

蔡小伟，黄桂萍，范宜标

(龙岩学院 机电工程学院， 福建 龙岩364012)

摘要：以STM8为主控的直流电机卷帘门控制器由继电器控制输出电路、过流检测电路、电池充电电路、无线接收电路、电源控制电路及主控电路组成,并对系统软件进行了分析。

关键词：STM8； 直流电机； 卷帘门； 控制器

0引言

目前市场上的卷帘门电机主要采用交流电机[1-2]，其主控核心大多采用80C51系列单片机[1,3]，而且整个控制器采用交流供电。当出现意外停电时往往只能采取手动链条控制，而且只能是内部侧的控制。当安装于封闭式的房间如车库、商店等，若出现停电就会给出行、工作及生活带来极大不便，甚至引发人身安全及财产损失。因此，根据市场需求设计了一种以STM8为核心主控的直流电机卷帘门控制器。STM8较其80C51有更高的性价比[4]。主控制器供电电压采用直流24 V，并以直流电机替代交流电机，直流24 V为市电经环型变压器降压和铅酸电池供电。铅酸电池供电解决了交流电机停电不能工作及外置储备电源引用昂贵等缺陷，根据铅酸电池充电技术[5]，以及开发成本与开发周期直接采用电池充电管理芯片。本控制器设计可适用于600 kg及以下直流电机使用。

1系统总体设计

本次设计的控制器以STM8系列单片机为核心主控芯片，具体型号采用STM8S103K3T6C，系统主频为16 M，高达8 KB闪存，10位ADC，3个定时器等外设。电机控制模块采用两个T90-30-24VDC大功率继电器组成互斥输出电路；过流检测采用具有Rail-to-Rail输出的运算放大器TLC2262，构成同相放大电路输出至主控ADC进行采样；无线接收模块采用无线射频遥控接收芯片SYN470R与解码芯片HT-12D组合，工作频率为433 MHz；电源模块采用大功率环形变压器降压输出；蓄电池采用两组12 V 4.5 AH铅酸电池串联；根据铅酸电池的特性采用具有恒流、恒压的充电控制芯片CN3717组成充电模块，以保证铅酸电池能长久使用。整个系统框图如图1所示。

2硬件电路设计

2.1电机控制电路

图1　系统框图

控制器电机控制电路如图2所示。

图2　电机控制电路

P1为控制板与电机的接线端子口，标号UP_L与DOWN_L为外部链式卷帘门电机自带的开门与关门限位开关输出，两限位开关的公共端分别接+12 V，正常工作时两个限位开关输出+12 V，经电阻网络分压后输入到单片机，当产生限位信号时由高电平到低电平产生下降沿，接单片机外部中断产生限位中断以便停止运行电机；图中标号A与B为直流电机的电源接口；二极管D2、D3、D7与D8用于吸收反向电压；继电器Relay_1与Relay_2组成互斥电路；电阻R11与R11_1为电流取样电阻，将取样电压值经过同相放大电路至主控ADC输入；主控输出控制引脚分别为K1与K2，由两个NPN三极管组成继电器驱动电路。

2.2无线接收模块电路

根据目前使用非常广泛的200 m四键遥控发射器，文中设计一款简单实用的无线接收模块，具体电路如图3所示。

图3　无线接收模块电路图

无线接收部分采用法国SYNOXO公司单片无线ASK/OOK接收芯片SYN470R。该芯片工作在433 MHz时，其灵敏度可达-107 dBm，大大增加了接收距离。SYN470R可工作于固定模式(FIXED MODE)与扫频模式(SWP MODE)，其根据SEL0与SEL1引脚电平决定，本设计工作于固定模式。文中设计接收频率为443 MHz，根据SYN470R数据手册选择晶振频率为6.745 8 MHz。图3中ANT为外置天线，可在PCB设计时使用引线,将天线引出至控制器外壳以增强接收信号。在解码上为减少开发周期直接采用Holtek公司的专用解码芯片HT-12D，外部只需在OSC1与OSC2连接一个电阻即可，A0～A7为外部地址编码引脚，用于接高电平与低电平实现不同的地址。解码部分也可利用单片机外部触发中断方式实现解码[6-8]。无线接收SYN470R芯片输出DO以单一线方式与解码芯片HT-12D的DIN相连接。HT-12D输出引脚D8～D11用于连接主控器以实现上行、下行、停止与锁定信号。

2.3充电电路

控制器为使停电时能正常工作，在停电时采用蓄电池供电，蓄电池可采用两个12 V 4.5 AH铅酸电池串联。铅酸电池作为供电源正迅猛发展，然而蓄电池要能够有较长的使用寿命,在很大程度上取决于充电方式。廖金华[6]对各充电技术作了对比，在几种技术当中并不能完全解决蓄电池充电存在的问题，而且具有实现难度大、成本高等特点。本设计考虑到开发周期与成本问题，且本控制器电池只有在停电时才使用，使用频率较低等特点，直接采用专用铅酸充电芯片控制方式。

CN3717是PWM输出的降压模式专用铅酸电池充电芯片，具有涓流、恒流过充电和浮充电模式，过充和浮充电模式下，充电电压只由外部电阻分压组成，恒流充电模式也只由一个外部电阻设置。CN3717具体充电电路如图4所示。

图4　蓄电池充电电路

根据CN3717数据手册,其VCC引脚电压在于低压锁在阈值，且在大于电池电压时，充电器正常工作，一般情况应使电池电压高2 V；输出电压Vbat=3.69×(1+R34/R39)+IB×R39，其中,IB是FB管脚的偏置电流，典型值为40 nA，当R34取390 kΩ，R49取68 kΩ时，Vbat=3.69×(1+390/68)+0.04×0.390=24.87；恒流充电电流Ich=175 mV/Rcs1=175 mV/0.12 Ω=1.458 A；过充结束电流设置为恒流充电电流的18%时充电结束，则EOC引脚连接电阻取10 kΩ；电容C22=8×(R39/R34)=0.14 pF；电感L3根据充电电流大小与输入电压范围选取，这里取40 μH；引脚TEMP与NPN三极管的集电极相连接，控制信号由主控输出，当控制信号为高电平时Q6导通，TEMP引脚为低电平，此时禁止充电，同理可开启充电，以便灵活控制充电间隔。

2.4主控电路及其它电路

控制器主控采用意法半导体公司的STM8S103K3T6C单片机。该单片机工作频率为16 MHz，4路10位ADC，3个定时器，另外，还包含如SPI、UART、IIC等常用外设。主控外围基本电路如图5所示。

控制器的电源由市电经过环形变压器降压到26 V，经过桥式整流、滤波后作为直流电机电源、充电电路输入电源与作为系统芯片供电电源。系统主控STM8、无线接收模块、过流检测电源都统一使用5 V供电，供电电路采用两个两片LM317降压得到，先降到12 V再降至5 V，具体电路如图6所示。

过流检测电路由TLC2262构成同相放大电路，系统设计放大倍数为5倍，输出端为图2中的标号ADC_1；过流检测电路主要用于当出现意外使电堵转产生保护信号，以保护电机不被烧毁。蓄电池供电电路采用高功率肖特基整流器STPS20H100C，将蓄电池侧经整流器直流串联至环形变压器整流滤波后电路当中。控制器外部还应设置手动按键与指示灯，设置4个按键分别并联于编码电路与主控的接口上。

图5　STM8S103K外围基本电路

3系统软件设计

系统程序主要由硬件初始化、定时充电事件、按键判断与执行事件、电机过流保护事件等组成。硬件初始化主要完成I/O端口设置、中断初始化、定时器初始化、ADC初始化及串口初始等。定时充电事件主要根据铅酸电池的特性设置定时时间间隔为一个月对电池进行一次充电。电机过流保护事件为主控STM8的ADC端的输入电压采样，其输入电压为图1中的电流取样电阻R11与R11_1上网络端口ADC_1到GND上电压，经过TLC2262同相放大后的输出电压，当出现电机过流即ADC采样得到电压过压时,关闭所有输出,电机停止运转。按键事件分为按键锁定、按键上行、按键下行、按键停止4类；按键锁定事件用于控制锁定上行与下行按键，当按键锁定时,将不能控制电机的上行与下行，需要进行解锁方可，该功能控制实现为按一次锁定，再按一次解锁；按键停止事件用于控制电机停转，此事件为最高优先级事件，即当停止事件触发时电机即停止运行；按键上行事件用于控制卷闸门的上行，在按键按下时首先判断是否为锁定状态，如果是则此次按键事件无效，否则执行上行动作，按键设置为单次触发，即按键按下一次后便执行卷闸门上行而无需长按，只有当达到上限位或者有停止事件发生时电机才结束运行；同理按键下行事件跟按键上行事件类似。卷闸门工作流程如图7所示。

图7　卷闸门工作流程图

4结语

设计了一种直流电机的卷闸门控制器，相比于传统的交流电机卷闸门控制器,使用直流24 V电压有更高的安全性，停电时使用电池供电控制有更加广泛的适用性，使用全新的STM8控制器有更强的扩展性与实时性。在后续的升级过程中可采用开关电源替换现有的环型变压器，使之有更宽的输入电压；无线通信可采用CC1101模块，使通信更加安全可靠。文中设计的控制器已在某公司生产与销售，经客户反馈，运行效果良好。

参考文献：

[1]薛静玮.防火卷帘门控制器设计与实现[J].福建电脑,2014(6):115-117.

[2]杨慧,周伯俊.基于GSM的远程卷帘门控制系统设计[J].科技视界,2015,26:16-17.

[3]张建.基于STC89C52单片机的防火卷闸门控制器设计[J].企业技术开发,2014,30:5-6.

[4]陈国照.STM8系列单片机的开发与应用[J].甘肃冶金,2011(2):113-114,118.

[5]梁华为,周旭.用单片机实现HT-12D的解码功能[J].电子技术,1999(1):40-42.

[6]廖金华,李建黎.铅酸蓄电池充电技术综述[J].蓄电池,2010(3):132-135,139.

[7]刘开绪，付保红，邹立君.锂离子电池组能量均衡控制[J].长春工业大学学报：自然科学版，2010,31(4):407-411.

[8]梁华为，周旭.用单片机实现HT-12D的解码功能[J].电子技术,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

基金项目：2014年福建省中青年教师教育科研项目A类(JA14307); 龙岩学院产学研合作项目(LC2013004)

作者简介：蔡小伟(1986-)，男，汉族，福建龙海人，龙岩学院助教,硕士，主要从事智能机器人、嵌入式技术、自动化控制系统方向研究,E-mail:cxw8604@163.com.

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

中图分类号：TP 273

文献标志码：A

文章编号：1674-1374(2016)02-0128-06