多功能数据采集控制板的设计与实现 - 图文(3)

反转控制，由于电机是感性负载，为了减小感性负载对单片机系统的影响，我们采用光耦TLP521对IO引脚进行隔离，同时对电机驱动电路加上续流二极管保护。为了节约单片机的IO引脚，系统设计采用总线驱动的方式，驱动端口占用单片机的一个外部数据存储单元，这样软件上只需要对一个地址进行读写就可以控制电机正反转，方便好用。对于电压电流检测，我们利用采样电阻采样电流信号，电流信号经过稳压滤波后进行同相比例放大再送入模拟量采集器实现电流信号采集，电压信号通过精密电位器分压得到，经过稳压滤波后送入模拟量采集器实现信号采集，由于调速采用PWM斩波技术，因此由采样电阻和电阻分压得到的信号也是斩波信号，不能很好的表现信号的变化趋势，但是利用电容稳压滤波后经过示波器观察发现波形趋势变化情况良好，这样就保证了得到的电压电流信号能够被模拟量采集器可靠采集到，并以数字量的形式真实再现信号的变化趋势。

测速接口设计，系统采用单片机定时器对测速编码器输出脉冲进行定时计数，并在另一个定时器中断中利用单片机串口定时发送转速数据实现。以下是L298N驱动器的结构框图：

图2-4 L298N驱动器结构图

2.5 液晶显示模块方案

人机交互是测控领域中不可缺少的组成部分，为了了解数据采集控制板的工作状态，我们必须通过一些媒介去观察，液晶显示，是最直接的工作状态显示方式，本次设计采用LCD1602液晶显示模块，该模块采用8位并行数据总线，很容易和51单片机的数据总线匹配连接，并且它的驱动程序实现方便，字符显示发生方便，具有很高的性价比，为了简化液晶的驱动程序编写，我们采用单片机IO引脚直接控制液晶，这样也简

化了硬件设计，降低了制作成本。液晶接口还扩展了一路串行12864液晶显示，方便以后要求更高的状态显示需要。该1602液晶的主要技术参数如下： 1．显示容量：16*2个字符 2．芯片工作电压：4.5~5.5V 3．工作电流: 2.0mA(5.0V) 4．模块最佳工作电压: 5.0V 5．字符尺寸: 2.95*4.35(WXH)mm

2.6 数字量输入输出方案

在产品的研发过程中，经常会遇到需要利用数字量对设备进行测控的需要，因此扩展出数字量接口是十分必要的,为了节约单片机的IO引脚，设计上依然采用总线扩展技术，分配两个外部数据内存单元给数字量控制接口，这样读写内存单元就可以控制接口的数字量输入输出，软件控制上简单易用，接口实现是利用373锁存器进行数据锁存，然后，利用138译码器译码地址，输出数据的锁存由另外一片373实现，数据输入用244芯片缓冲后输入，在输入接口设计上，为了便于编码器编码输入，我们采用上拉电阻上拉输入口，这样输入编码就有256种指令了，同时，利用输入接口还可以进行数字键盘控制，可见输入接口的灵活性，实用性很强。

2.7 模拟量输出控制电路

为了节约单片机IO口，同时为了提高模拟量输出精度，本设计采用10位分辨率单通道0-5V输出串行控制DA芯片TLC5615I,它具有缓冲基准输入，具有输出可调至基准电压两倍的输出电压范围，且DAC是单调变化的，器件使用简单，用单5V电源工作，器件具有上电复位功能以确保可重新启动。在接口实现上芯片用单片机的IO引脚直接控制，这样做简化了驱动程序编写。 TLC5615I功能结构如图：

图2-5 TLC5615I芯片结构

2.8 电源方案

数据采集系统要稳定工作离不开一个稳定的系统电源，考虑到普通实验室一般配备计算机和可调开关电源，我们的电源设计采用这样的结构：信号电源和电机电源独立供电，信号电源采用USB接口5V取电，为了保护计算机，我们用500mA的自恢复保险丝限流，同时为了电池取电方便还采用7805稳压芯片提供5V电压，稳压电源经过电容平波和滤波后输出稳定可靠的5V电压，为了防止稳压输入端电源反接导致芯片烧毁，电路采用二极管加上自恢复保险丝的结构防止反接损坏，对于5V信号电源使用，设计建议是如果不做数据采集，建议用计算机USB接口取电，这样很方便，但是，如果需要数据采集，就用7805稳压输出，这样采集的参考电压就很精确，使采集数据更准确。电机电源因为是直流电机电源，首先考虑电源输入端要并联大容量的电解电容和小容量瓷片电容退耦滤波，其次做好限流保护和反接保护，电路依旧用自恢复保险丝和二极管实现，电机电源的设计工作电压7---24V，采用开关电源供给。

2.9 按键和蜂鸣器方案

测控应用中，往往需要在人机交互过程中利用键盘进行工作模式选择，普通的设计思想是利用单片机IO引脚进行输入按键行列扫描，这样设计不仅需要占用不少的单片机引脚，同时在扫描程序编写上也要花费不少时间，给设计带来不方便。为此，本设计提出利用按键和电阻分压，输出4阶电压，然后利用已有的AD转换接口采集电压信号进行按键识别的构想，这样，既不占用剩下不多的IO口，也不用再去编写键盘扫描程

序，一举两得。蜂鸣器是测控时作为阀值报警的好器件，我们利用一路硬件PWM输出驱动PNP三极管实现蜂鸣器驱动，这样不仅可以节约CPU处理时间，也可以扩展出一路PWM接口外用，使用更方便。

3 整板硬件结构设计

3.1 模拟量采集电路

数据采集器工作在分时采集的状态下，其工作电源可以通过短接帽使能，输入通道分配5V电源作为传感器电源，方便使用，其引脚分配和原理图如图3-2所示。

图3-2 模拟量数据采集器原理图

数据采集器在PCB设计时，要注意模拟量输入通道的连线要短而整齐，注意退耦电容和滤波电容要离芯片电源尽可能的近。

3.2 串口通信电路

串口通信采用单串口扩展为3串口的形式，采用GM8123扩展出COM1,COM2,COM3三个串口，COM3为默认的选通串口，可以进行上位机通信和程序下载以及程序在线调试，COM3还配置监控LED,用于对通信是否成功提供依据和通信状态指示，COM1和COM2是没有电平转换芯片的，直接TTL电平UART通信口，采用USB口做接口，方便和其他单片机通信或者经过电平转换后和485通信设备或PC机通信，GM8123有外置12M晶振，因此同样需要在PCB设计时避免信号走线经过外置晶振，同时晶振周围铺铜接地，具体电路实现和PCB如图3-3、3-4所示。

图3-3 串口1、2原理图

图3-4 串口 3原理图

3.3 直流电机驱动电路

直流电机驱动电路配备电压电流传感器模块，此模块提供电机的单向电压电流测试，不能在测试的时候反转，如果反转，测试的数据是不正确的。由于在一般电机应用中对速度和方向的控制需要比较多，因此，电流传感器和电压传感器是独立的，在使用的时候，需要将传感器输出引线接到模拟量采集通道上，这样设计方便了测控应用中根据需要去改动有限的采集接口，增加了数据采集的灵活性。电机驱动的正反转信号由138译码器选定的外部内存地址输出锁存得到，调速信号由芯片使能端的PWM信号控制，具体原理图如图3.5、3.6、3.7所示：

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