基于單片機的紅外鏡頭蓋電機控制電路

華中光電技術研究所——武漢光電國家實驗室　趙思聰

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基于單片機的紅外鏡頭蓋電機控制電路

華中光電技術研究所——武漢光電國家實驗室趙思聰

【摘要】本文從紅外系統的鏡頭蓋的狀態出發，設計了一個基于單片機的電機控制電路。電路由電源電路、位置檢測電路、電機驅動電路、接口電路以及單片機控制電路組成，充分考慮邏輯的完整性和程序的可行性，可實現對紅外鏡頭蓋運行狀態的識別以及實現對鏡頭蓋狀態的控制。

【關鍵詞】紅外；鏡頭蓋；電機

1　概述

鏡頭蓋被廣泛應用于紅外光電設備中，用以保護光學玻璃。隨著技術的進步和經濟的發展，光電設備被應用于國防、消防、安全監測等各個領域。鏡頭蓋的控制電路決定了其具體的工作方式，因此控制電路應該對鏡頭蓋的工作方式有較好的優化；同時，控制電路的好壞對鏡頭蓋的工作壽命以及維修的便捷性有較大的影響，較好地控制電路設計能夠降低對機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換為電路所需的電壓。而各個部分的驅動電壓，位置檢測電路將限位開關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行的位置對應起來。電機驅動電路為鏡頭蓋旋轉電機提供驅動電源，單片機通過接口電路來接收控制信息，通過位置檢測電路以及電機驅動電路來控制電機的轉動以及轉向，達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、位置檢測電路、電機驅動電路、控制電路。如圖1所示：

圖1　電路系統框圖

電路需要接收上位機的控制命令，同時當鏡頭蓋動作完成后電路需要向上位機返回運行狀態。在控制電路中要有單片機與上位機的通信接口。同時，外界提供給控制電路的外接電源為+24V，電機的驅動電壓為6V，MCU單片機在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換為電路工作所需電壓。電機驅動電路為電機轉動提供驅動。位置檢測電路將鏡頭蓋的位置信息反饋到單片機中。

3　各部分電路組成

3.1電源電路

電壓轉換電路將外接電源轉換為控制電路各部分所需的電壓。對進入電路板的+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入口電源進行濾波，用以減小外界對電源的干擾，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發生較大的突變。在電源入口處串接二極管的方式來防止電源反接，當外電源反接時，二極管不導通而處于高阻值狀態。在電源入口選用自恢復保險絲對其進行限流。為了防止靜電和浪涌電壓對電路的傷害，在鏡頭蓋控制電路中選用瞬態抑制管（TVS）對浪涌電壓進行釋放。

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來進行電壓轉換。選用小體積的PDS03-2405的電壓轉換模塊來進行電壓轉換，先將電壓轉換為5V，再用LDO芯片NCP1117將電壓轉換為3.3V，為控制電路供電。

3.2位置檢測電路

在鏡頭蓋運行的過程中，判斷位置的原件為電位器以及限位開關。電位器隨著鏡頭蓋的轉動阻值發生變化，而當到達位置后限位開關的電平會發生變化。對于電位器，在電位器兩端加固定電壓通過測量電壓的變化以測量電位器阻值的變化，電壓變化經過一個電壓跟隨器反饋到單片機。

限位開關在開關位置后電平會發生變化，將限位開關的與單片機IO口相連即實現對電平變化的檢測。

3.3電機驅動電路

鏡頭蓋電機在6V的驅動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電壓轉換為6V的問題，對于降壓問題，在電路處理中一般采用DCDC降壓或LDO來降壓。DC-DC能夠實現高效率的電壓轉換，缺點是存在開關噪聲的干擾，需要對開關噪聲進行濾除。LDO降壓電路的特點是紋波噪聲較小，只需要并聯電容濾波即可獲得很好的紋波特性，LDO的缺點是電壓轉換效率較低，特別是在壓差較大的情況下效率極低，發熱嚴重。對于電機驅動來說，選用型號為JYNC6-28S06P的DC-DC來進行電壓轉換，該模塊具有體積小、轉換效率高、與接入地隔離等特點，能夠滿足設計需求，轉換后能夠為電機提供6V/1A的電源。為了實現在空閑時將鏡頭蓋轉動電機的電源關斷功能，在DC-DC接入端用一個繼電器來控制開關電源的打開和關斷，MOTO_EN與控制電路的單片機IO口相連，由程序來控制單片機的IO的電平為高或低，以實現繼電器開或關。

電機驅動采用單片機控制驅動橋的方式來控制電機的正、反轉，如圖2所示。通過控制驅動橋的邏輯來控制電平，當MOTO+處于高電平時電機正轉，MOTO-處于高電平時電機反轉。

3.4接口電路

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

3.5單片機控制電路

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現以下三部分的功能：（1）為鏡頭蓋電機提供驅動電壓。（2）檢測與鏡頭蓋的位置。（3）控制鏡頭蓋電機的轉動。基于此，控制電路的設計必須實現以上部分的功能（如圖2所示）。

圖2　電路系統框圖

基于以上的功能要求，綜合考慮檢測精度、電路板空間要求等因數，選用C8051F021單片機。單片機系統采用16M外部晶振構成的時鐘電路。F021單片機有7個復位源，選用MONEN引腳直接和VDD相連的上電復位。單片機終端需要將到位時電位器對應的位置信息在上電時加載，斷電時存儲下來，這需要在單片機外擴展EPROM芯片，選用X5323S8IZ-2.7T1，用于存儲位置信息，工作時間。將電源監控芯片INA209AIPW的數據線SDA時鐘SCL與單片機IO口P0.6 P0.7相連，以實現檢測電機電流。如圖2所示。

4　總結

設計了一個基于單片機的電機控制電路。電路由電源電路、位置檢測電路、電機驅動電路、接口電路以及單片機控制電路組成，充分考慮電路的完整性和可行性，可實現對紅外鏡頭蓋運行狀態的識別以及實現對鏡頭蓋狀態的控制，減小了外界對電路的干擾。

參考文獻

[1]肖洪兵.跟我學用單片機[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002,8.

[2]夏繼強.單片機實驗與實踐教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2001.