基于单片机的红外镜头盖电机控制电路

华中光电技术研究所——武汉光电国家实验室　赵思聪



基于单片机的红外镜头盖电机控制电路

华中光电技术研究所——武汉光电国家实验室赵思聪

【摘要】本文从红外系统的镜头盖的状态出发，设计了一个基于单片机的电机控制电路。电路由电源电路、位置检测电路、电机驱动电路、接口电路以及单片机控制电路组成，充分考虑逻辑的完整性和程序的可行性，可实现对红外镜头盖运行状态的识别以及实现对镜头盖状态的控制。

【关键词】红外；镜头盖；电机

1　概述

镜头盖被广泛应用于红外光电设备中，用以保护光学玻璃。随着技术的进步和经济的发展，光电设备被应用于国防、消防、安全监测等各个领域。镜头盖的控制电路决定了其具体的工作方式，因此控制电路应该对镜头盖的工作方式有较好的优化；同时，控制电路的好坏对镜头盖的工作寿命以及维修的便捷性有较大的影响，较好地控制电路设计能够降低对机械部件精度的高要求，以及提高镜头盖维修的便捷性。

2　工作原理组成

由于外接电压与电路工作所需电压不一致，电路需要将将外接电压转换为电路所需的电压。而各个部分的驱动电压，位置检测电路将限位开关上的位置信息反馈回控制电路，而控制电路将反馈的位置信息以及镜头盖的运行的位置对应起来。电机驱动电路为镜头盖旋转电机提供驱动电源，单片机通过接口电路来接收控制信息，通过位置检测电路以及电机驱动电路来控制电机的转动以及转向，达到控制镜头盖的目的。

镜头盖控制电路由以下几部分组成：通信接口电路、电源电路、位置检测电路、电机驱动电路、控制电路。如图1所示：

图1　电路系统框图

电路需要接收上位机的控制命令，同时当镜头盖动作完成后电路需要向上位机返回运行状态。在控制电路中要有单片机与上位机的通信接口。同时，外界提供给控制电路的外接电源为+24V，电机的驱动电压为6V，MCU单片机在3.3V的电压下能够正常工作，因此控制电路的电源部分需要将外界电压转换为电路工作所需电压。电机驱动电路为电机转动提供驱动。位置检测电路将镜头盖的位置信息反馈到单片机中。

3　各部分电路组成

3.1电源电路

电压转换电路将外接电源转换为控制电路各部分所需的电压。对进入电路板的+24V电源来说，为了保证硬件电路电源不被这些因素所干扰，在电源入口采用滤波电容加滤波器的方式来对入口电源进行滤波，用以减小外界对电源的干扰，电容选择为额定电压值为35V额定容量为220uF的有极性的电解电容，采用容值较大的电容能够保证控制电路电压不会发生较大的突变。在电源入口处串接二极管的方式来防止电源反接，当外电源反接时，二极管不导通而处于高阻值状态。在电源入口选用自恢复保险丝对其进行限流。为了防止静电和浪涌电压对电路的伤害，在镜头盖控制电路中选用瞬态抑制管（TVS）对浪涌电压进行释放。

通过接口电路后电路的电压依然是24V电压，控制电路需要3.3V的工作电压，需要将其转换为3.3V电压。从24V 到3.3V由于电压压差较大，为了提高电源的利用效率，选用DC-DC来进行电压转换。选用小体积的PDS03-2405的电压转换模块来进行电压转换，先将电压转换为5V，再用LDO芯片NCP1117将电压转换为3.3V，为控制电路供电。

3.2位置检测电路

在镜头盖运行的过程中，判断位置的原件为电位器以及限位开关。电位器随着镜头盖的转动阻值发生变化，而当到达位置后限位开关的电平会发生变化。对于电位器，在电位器两端加固定电压通过测量电压的变化以测量电位器阻值的变化，电压变化经过一个电压跟随器反馈到单片机。

限位开关在开关位置后电平会发生变化，将限位开关的与单片机IO口相连即实现对电平变化的检测。

3.3电机驱动电路

镜头盖电机在6V的驱动电源下才能正常工作，外接电源的电压为+24V，在这里涉及到将24V电压转换为6V的问题，对于降压问题，在电路处理中一般采用DCDC降压或LDO来降压。DC-DC能够实现高效率的电压转换，缺点是存在开关噪声的干扰，需要对开关噪声进行滤除。LDO降压电路的特点是纹波噪声较小，只需要并联电容滤波即可获得很好的纹波特性，LDO的缺点是电压转换效率较低，特别是在压差较大的情况下效率极低，发热严重。对于电机驱动来说，选用型号为JYNC6-28S06P的DC-DC来进行电压转换，该模块具有体积小、转换效率高、与接入地隔离等特点，能够满足设计需求，转换后能够为电机提供6V/1A的电源。为了实现在空闲时将镜头盖转动电机的电源关断功能，在DC-DC接入端用一个继电器来控制开关电源的打开和关断，MOTO_EN与控制电路的单片机IO口相连，由程序来控制单片机的IO的电平为高或低，以实现继电器开或关。

电机驱动采用单片机控制驱动桥的方式来控制电机的正、反转，如图2所示。通过控制驱动桥的逻辑来控制电平，当MOTO+处于高电平时电机正转，MOTO-处于高电平时电机反转。

3.4接口电路

系统和电路板之间的串口为422电平，需要将422电平转换为TTL电平。电平转换芯片选用ADM2490EBRWZ，在422芯片接受端加上下拉电阻，以对电平进行箝位。为确保通信电平转换的可靠性以及防止各种地电平之间的干扰，电平转换部分选用一个表贴的隔离DCDC将24V电源转换为5V为电，为转换电路供电，将转换后5V电源地和系统提供的422_GND用0欧电阻连起来，实现共地。选用NUP4202防护芯片对422信号的传输做出保护。

3.5单片机控制电路

控制电路需要通过程序的编写和在其他外围电路的配合下实现以下三部分的功能：（1）为镜头盖电机提供驱动电压。（2）检测与镜头盖的位置。（3）控制镜头盖电机的转动。基于此，控制电路的设计必须实现以上部分的功能（如图2所示）。

图2　电路系统框图

基于以上的功能要求，综合考虑检测精度、电路板空间要求等因数，选用C8051F021单片机。单片机系统采用16M外部晶振构成的时钟电路。F021单片机有7个复位源，选用MONEN引脚直接和VDD相连的上电复位。单片机终端需要将到位时电位器对应的位置信息在上电时加载，断电时存储下来，这需要在单片机外扩展EPROM芯片，选用X5323S8IZ-2.7T1，用于存储位置信息，工作时间。将电源监控芯片INA209AIPW的数据线SDA时钟SCL与单片机IO口P0.6 P0.7相连，以实现检测电机电流。如图2所示。

4　总结

设计了一个基于单片机的电机控制电路。电路由电源电路、位置检测电路、电机驱动电路、接口电路以及单片机控制电路组成，充分考虑电路的完整性和可行性，可实现对红外镜头盖运行状态的识别以及实现对镜头盖状态的控制，减小了外界对电路的干扰。

参考文献

[1]肖洪兵.跟我学用单片机[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002,8.

[2]夏继强.单片机实验与实践教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.