增压供水流量配比柔性控制电气系统设计与开发(6)

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图3.1 主控制电路原理图

3.2 数字输入电路

图3.2 数字输入电路原理图

如图3.2所示，KEY1-KEY4分别与PE2-PE5这四个IO口相连。当按钮未被摁

下时，这四个IO口都是高电平；当某个按钮被摁下时，相应的IO口才呈现出低电平，MCU收到这个开关量之后可以根据程序进行处理，然后做出反应。

3.3 模拟输入电路

压力传感器测量得到的是微弱的电压信号(0-100mV)，这个信号需要通过

4-20mA电流环的方式传输给控制器，控制器需要先将这个电流信号转变成电压

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信号，然后再送给MCU进行处理。常见的I/V转换电路有三种形式：(1)在信号输入端串150?电阻接地，从而将4-20mA的电流信号转化为0.6-3V的电压信号，0.6V表示0刻度，3V表示满刻度，这与常规的情况可能会有所不同(通常使用0V来表示0刻度，5V表示满刻度)，但是我们可以在软件中进行转换处理；(2)使用LM324运放将电流信号转换成电压信号；(3)使用精密的I/V转换集成电路来进行信号转换。第一种方式最为简单实用，而且只要电阻精度足够(我们采用150?精度1%的电阻)，就可以获得足够的精度，所以我们选用第一种方式来进行I/V信号转换，如图3.3所示，其中ADC1_IN10、ADC1_IN11分别与主控制芯片的PC0、PC1引脚相连，分别对应ADC1的通道10和通道11。

图3.3 模拟输入电路原理图

3.4 RS485通讯电路

RS485通讯电路的设计主要由RS485收发器芯片选择、DE控制端设计、RS485

输出电路设计和地址拨码电路设计四部分组成。 3.4.1 RS485收发器芯片选择

RS485是异步串行通信的一种接口标准，由于RS485所规定的逻辑电平是差分电平，和目前大多数处理器的TTL/CMOS电平不同，所以两者之间必须经过专门的电平转换芯片进行转换。这样的电平转换芯片有多个型号，为了提高抗干扰能力，在这里选用具有瞬变电压抑制功能的RS485收发器芯片SN75LBC184。SN75LBC184采用单一电源，电压在+3V到+5.5V范围内都能正常工作。与普通的RS485转换芯片相比，它不但能抗雷电的冲击而且能承受高达8KV的静电放电冲击，片内集成4个瞬时过压保护管，可以承受400V的瞬态脉冲电压。因此，它

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能显著提高防止雷电或电网浪涌损坏器件的可靠性，对一些环境比较恶劣的场合，可直接与传输线相连而不需要外加保护器件。该芯片还有一个独特的设计，当输入端开路时，其输出为高电平，这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。另外，它的输入阻抗是RS485标准输入阻抗的2倍(?24K?)，故可以在总线上连接多达64个收发器。芯片内部设置了限斜率驱动，使输出信号边沿不会过陡，使传输线上不会产生过多的高频分量，从而有效遏制电磁干扰。

3.4.2 RS485的DE控制端设计

在RS485总线构筑的半双工通信系统中，在整个网络中任一时刻只能有一个

节点处于发送状态并向总线发送数据，其他所有节点都必须处于接收状态。如果有2个或2个以上节点同时向总线发送数据，将会导致所有发送方的数据发送失败。因此，在系统各个节点的硬件设计中，应首先力求避免因异常情况引起本节点向总线发送数据而导致总线数据冲突。STM32F103VET6在系统复位时各个IO口输出高电平，如果把IO口直接与RS485收发器芯片的驱动器使能端相连，会在CPU复位期间使DE端为高，从而使本节点处于发送状态。如果此时总线上有其他节点正在发送数据，则此次数据传输将被打断而告失败，甚至引起整个总线因某一节点的故障而通信阻塞，继而影响整个系统的正常运行。考虑到通信的稳定性和可靠性，在RS485通讯电路的设计中加上一块74LS04非门芯片将控制RS485总线接口芯片DE口的引脚设计成DE的反逻辑，即当控制引脚为逻辑“1”时，DE为逻辑“0”，控制引脚为逻辑“0”时，DE为逻辑“1”。如图3.4所示。其中485CTRL与主控制芯片的PA8引脚相连，R/D与SN75LBC184芯片的2、3引脚相连。

图3.4 RS485通讯电路DE端设计原理图

3.4.3 RS485输出部分电路的设计

在SN75LBC184的信号输出端串联了两个20?的电阻R6和R7，这样本机的

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硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。同时由于RS485的通信载体是双绞线，它的特性阻抗为120?左右，所以线路设计时，应该在RS485网络传输线的始端和末端各接一个120?的电阻（如图3.5中所示R4），以减少线路上传输信号的反射。电路原理图如图3.5所示，RS485总线占用了主控制芯片的串口1，所以US1_RX与主控制芯片的PA10(USART1_RX)引脚相连，US1_TX与主控制芯片的PA9(USART1_TX)引脚相连。

图3.5 RS485通讯接口电路原理图

3.4.4 RS485节点地址拨码电路

在RS485总线通讯中，每一个增压流量配比柔性控制单元都有属于自己的一

个唯一地址。这个地址应该由安装调试人员在现场进行设置，那么就要有一个人机接口便于操作人员去设置或更改。这样的电路常见的有拨码电路，如图3.6所示，其中D0-D7分别与STM32F103VET6的8个IO口（PD0-PD7）相连，手动设置拨码开关的状态就确定了该流量配比控制单元的地址，然后就可以由主控制芯片来读取了。

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图3.6 RS485节点地址拨码电路原理图

3.5 无刷电机控制电路

无刷电机控制电路由两部分组成，一是6路PWM驱动与逆变电路，二是HALL

传感器转子位置检测电路。 3.5.1 6路PWM驱动与逆变电路

图3.7 6路PWM驱动与逆变电路原理图

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