一种科普展品控制单元的设计

刘卫庄，洪先亮，李瑞敏

（合肥通用环境控制技术有限责任公司，安徽合肥 230031）

0 引言

对于全民的科学教育，科技馆已经成为全民学习科普知识的重要场所。但随着科技馆建设的全面展开，科技馆展品厂家越来越多，展品的种类也越来越多，这样就导致了展品的控制单元种类众多，控制方法众多，从后续的维修、维护、升级与可持续性发展来看，无法达到科普展品的通用性要求，急需设计一种能基本适用于科技馆展品的通用控制单元。

1 科技馆科普展品组成

科技馆科普展品一般有机械机构、电气控制、计算机控制和机电设备等组成。通过对这些设备功能和结构的分析，控制单元需具备：①输入量采集功能（传感器、按钮等）；②输出驱动功能（电机、电磁阀、灯光等）；③数据显示功能（显示设备的运行参数及互动数据）；④数据通信功能（和计算机，投影机通信、UPS 通讯、中控系统通信等）。

控制单元主要由STM32F103RC 处理器为核心，展开电子电路设计，组成一个能适用于科技馆展品控制的单元系统，能够根据展项的具体控制功能及要求搭建电气控制系统，使其科技馆展品控制系统实现统一标准，容易设计，为后续的设备管理、维护及扩展奠定好基础。

2 基于STM32F103RC 控制单元的设计

STM32F103RC 单片机属于32 位ARM 微控制器，该芯片是由意法半导体（ST）公司出品，Cortex-M3 内核，最高工作频率为72 MHz，集成了高速存储器和通过APB 总线连接的众多外设输入/输出接口，其中片上存储器Flash 可达到256 kB，SRAM可达48 kB。这么强大的功能，STM32F103RC 处理器可以比较容易的实现较高的指令吞吐量和丰富的系统设计资源[1]。

控制单元选用STM32F103RC 单片机作为CPU，是其STM32F103RC 单片机具有资源丰富、成本低、功能性强，低功耗、抗干扰能力强等特点[1]。针对目前科技馆展品厂家众多，展项众多，控制单元种类繁多，各种各样的设计，非标多且，大相径庭。把科技馆展品的功能及要求进行分析，从系统硬件方面大致可以分为：输入接口采集、输出接口驱动、通信接口的数据传输和IO 口的扩展应用几个方面。控制单元作为展项控制系统的核心设计，需具有很强的逻辑运算能力和扩展功能。根据展品的实际功能需要，结合设计的扩展模块可以灵活组装搭配，可靠便捷的完成展品电路系统的设计及制作。

根据科技馆目前展品的实际功能分析，该设计的控制单元需具备多串口设计、蓝牙设计、无线模块设计、LED 和LCD 显示功能设计、I/O 接口驱动采集单元设计等（图1）。控制单元原理如图2 所示。

（1）串口功能：串口1 可以和计算机投影机设备数据通信，串口2 可以和UPS 设备通信，串口3（RS485）可以和终端设备通信，展项数据可上传到中控系统。

（2）蓝牙功能：通过蓝牙模块CPU 可以和手机、PAD 等数据交互。

（3）无线功能：通过无线数据模块CPU 可以和外接子设备数据交互，对有些不便于布线的设备可以通过数据网连接。

（4）LED 显示功能：LED 显示模块可以显示CPU 的运行情况以及设置参数。

（5）输入功能（X0—X7；X8—X15）：控制单元的输入接口可根据展项的输入设备的数量进行配置，选择相应的输入扩展模块，这样可以节约资源节省成本。

（6）输入功能（Y0—Y7；Y8—Y15）：控制单元的输出接口可根据展项的控制设备进行配置，根据设备的电压、电流配置，选择相应输出控制模块或相应的驱动设备。这样可以节约资源节省成本，更便于维护和保养。

（7）I/O-TTL 功能：此功能可以控制伺服电机、步进电机、LED 数码串行显示、语音控制等扩展功能。

图1 控制单元结构

图2 控制单元原理

3 输入量采集模块的设计

控制单元的扩展输入模块分为数字量输入模块和模拟量输入模块。数字量输入模块是经采集电路后，信号直接送到单片机的I/O 口，单片机对开关量经过逻辑判断或运算产生相应指令[2]。数字量输入模块适用于按钮开关、PNP 及NPN 传感器、旋转编码器等检测对象。模拟量输入模块就是用来采集模拟量，比如说电压电流、热电阻热电偶或者是温度等数值，通过采集电路AD 通道将模拟量信号采集到控制单元中，控制单元根据模拟量数值在一定的范围内所连续变化的取值，表示和数字量是相对立的一个状态，简单的说就是把模拟信号转换成控制单元能处理的数字信号。模拟量输入模块适用于温度传感器、湿度传感器、角度传感器等设备，其模拟信号值为0～5 V或4～20 mA 的范围。

为了增加输入模块的可靠性和宽电压的匹配性，数字输入模块采用TLP521 光电隔离，输入信号和光电隔离的输出信号实现电气隔离，信号单项传播，输出信号对输入信号无影响，抗干扰能力强，传输信号效率高[3]（图3）。

模拟量输入模块是将0～5 V 或者4～20 mA 的模拟信号转化为控制单元能处理的数字量模块，该模块采用PCF8591 低功耗芯片，8－bit COMS 数据器件，PCF8591 具有4 路模拟输入和1 个模拟输出口。在PCF8591 器件上输入输出的地址，控制和数据信号都是通过双线双向I2C 总线以串行的方式进行传输，它转换精度高、使用方便、可靠性好（图4）。

图3 数字量输入模块原理

4 输出驱动模块的设计

本控制单元输出扩展模块分为8 路继电器输出模块和8 路晶体管输出模块。

继电器输出模块：为了继电器动作脉冲的影响，在继电器输出部分使用光耦与控制单元的I/O 口进行隔离，光耦除电气隔离外，还起了电平转换的作用。选用继电器输出功率为10 A 的功率设计，可以直接驱动直流电机、LED 灯板、电磁线圈、交流继电器等设备，使控制系统简洁可靠（图5）。

图5 继电器输出模块原理

晶体管输出模块：为了高频输出的设备控制，如PWM 方式控制LED 灯或者直流电机调速，模块采用达林顿管IRF540 耐高压，大电流驱动芯片，输出端最大允许通过电流500 mA，可以直接用来驱动继电器、LED 灯条、小型直流电机等设备（图6）。

5 显示模块的设计

设计显示模块可以增加展品运行状态数据的可视化，也能增加展品游戏互动的度量化，如规定的游戏时间、正确和错误的次数、软件互动阶段过程的记录等。

控制单元显示展品运行参数和软件设置参数，在此选用LCD—12864 液晶显示屏，此功能可以集成到控制单元核心板上，便于操作。12864 显示模块可以显示字母、数字、中文字和自定义图形，将12864 显示模块接口和控制单元I/O 接口直接相连就可以完成数据传输，通过控制单元上的按键就可以浏览和设定功能参数（图7）。

图6 晶体管输出模块原理

图7 12864 液晶显示模块原理

对于展品游戏互动的度量化显示功能，采用串行控制方式，节省控制单元板I/O 口资源。用74HC595 作为串行数据的功能芯片，具有速度快、功耗小、操作简单的特点。可以很方便的和控制单元的3 个I/O 口连接进行操作（数据口SDA/时钟口SCLK/锁存口SLCK）（图8）。

6 通信模块的设计

数据通信是目前一个比较广泛的通信技术，串行通信口经过多年的应用和发展，能够安全可靠地进行数据交换和信息传递，目前出现了几种比较规范和标准的接口，最为常用的有RS232、RS422 和RS485 标准接口。根据控制单元的设计，通信模块可以分为2 个RS232 数据接口、1 个RS485 数据接口、1 个蓝牙数据接口和1 个无线数据接口。

图8 串行显示模块接口原理

RS232 数据接口是标准的串口接口，是单端输入/输出多用于计算机通信接口，采用DB-9 针的封装型态设计，这样就可以和市场上标准的串口通信线进行连接。用MAX232 作为串口电平转换的通信芯片，此芯片是美信公司专为RS232 标准串口设计的单电源电平转换芯片，功能稳定可靠性强（图9）。

RS485 数据接口和RS232 数据接口一样，都是标准的串行接口，只是传输方式不一样，RS232 采取的是不平衡传输方式，即所谓单端通信，而RS485 采用的是平衡传输，即差分传输方式。两者的传输距离不同，RS232 适合本地之间的通信，传输距离一般不超过20 m，而RS485 的传输距离为几十米到上千米。RS232 是一对一数据通信，而RS485 接口总线允许连接多达128 个收发器，便于总线控制[4]。RS485 接口采用MAX485 芯片作为电平转换桥梁，它传输速度快，数据稳定性高（图10）。

蓝牙技术是一种替代便携或固定电子设备使用的电缆或连线的短距离无线连接技术。通过蓝牙可以形成一点到多点的连接，可以组成一个微网进行数据或语音传输[5]。控制单元设置蓝牙数据通信模块是让我们可用通过手机/PAD 等操作参与和展品之间的互动（图11）。

无线数据传输是指利用无线技术进行数据传输的一种方式，安装方便、灵活性强、性价比高。此无线数据模块采用E30-TTL-100 无线传输模块作为桥梁，实现数据的收发，可应用在展项设备功能扩展、现场不便于铺设线缆的情况（图12）。

7 结语

此中控单元的设计和扩展模块的设计，能基本适用于科技馆自动化展品电气系统控制的应用，根据具体展品控制功能的要求，合理的选择搭配扩展，一个控制单元核心板搭配相应的扩展模块，组成展品控制系统的最便捷最有效的控制方式。该控制单元的设计可以有效的节约成本，提升展品控制的统一化、标准化，便于展品控制系统的维护及扩展，对以后展馆实现智能中控系统垫下基础。

图9 RS232 通信模块原理

图10 RS485 通信模块原理

图11 蓝牙通信模块原理

图12 无线数据模块原理