本實(shí)用新型涉及一種電氣控制系統(tǒng)，尤其涉及一種基于Arduino單片機(jī)控制的電氣控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和電磁閥的控制采用數(shù)控系統(tǒng)或PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的工業(yè)案例較為常見，數(shù)控系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，二在自動(dòng)機(jī)械上PLC控制系統(tǒng)雖然應(yīng)用比較多，但PLC控制直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)成本較高。

例如中國專利文獻(xiàn)CN 103394443A的發(fā)明專利提供了一種點(diǎn)膠機(jī)，包括PLC控制箱，PLC控制箱與打膠機(jī)相連接，打膠機(jī)通過膠管與點(diǎn)膠筆相連接，點(diǎn)膠筆與打膠產(chǎn)品相配合。點(diǎn)膠機(jī)中需用到步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)，該發(fā)明就采用了PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種能有效降低自動(dòng)機(jī)械控制系統(tǒng)成本的基于Arduino單片機(jī)控制的電氣控制系統(tǒng)且能有效提高單片機(jī)的抗干擾性能。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提出的技術(shù)方案為：一種基于Arduino單片機(jī)控制的電氣控制系統(tǒng)，用于控制步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、電磁閥和液晶顯示屏，包括Arduino單片機(jī)、光耦隔離輸入電路、用于驅(qū)動(dòng)電磁閥的光耦加繼電器隔離輸出電路、用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)的直流電機(jī)隔離驅(qū)動(dòng)電路和用于控制液晶顯示屏的顯示電路；所述光耦隔離輸入電路與Arduino單片機(jī)的輸入端電聯(lián)接，所述光耦加繼電器隔離輸出電路、直流電機(jī)隔離驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和顯示電路分別與Arduino單片機(jī)的輸出端電聯(lián)接。

本實(shí)用新型的技術(shù)效果為：通過Arduino單片機(jī)控制替代傳統(tǒng)的PLC控制，大幅降低了電氣控制成本；而且Arduino單片機(jī)與其他電路的聯(lián)接均采用光電耦合的方式連接，通過這種隔離電路設(shè)計(jì)提高了單片機(jī)的抗干擾性能，使其能在工業(yè)干擾環(huán)境下正常工作。

對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為：所述Arduino單片機(jī)的基本工作電路中包含16MHZ晶振、22PF起振電容以及復(fù)位電路，所述Arduino單片機(jī)工作時(shí)采用5V隔離電源。單片機(jī)采用5V隔離電源工作的目的是通過光電耦合器讓單片機(jī)與外部輸入輸出電路、驅(qū)動(dòng)電路完全隔離開。

對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為：所述光耦隔離輸入電路中包括PC817光電耦合器，所述PC817光電耦合器用于將24V控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為5V控制信號(hào)，所述PC817光電耦合器的輸入端還連接有限流電阻。由于PC817光耦的輸入電流一般在20MA以下，所以需要加2K的限流電阻，否則會(huì)因電流過大燒壞光耦。

對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為：所述光耦加繼電器隔離輸出電路中包括PC817光電耦合器、TIP122三極管和繼電器，所述繼電器上還并聯(lián)有一個(gè)反向二極管，所述PC817光電耦合器用于將Arduino單片機(jī)輸出的5V控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為24V控制信號(hào)，所述TIP122三極管用于將PC817光電耦合器的輸出電流放大。由于PC817光耦的最大輸出電流為30MA左右，這個(gè)電流不足以驅(qū)動(dòng)電磁閥或繼電器，所以需要通過TIP122三極管放大驅(qū)動(dòng)電流；此驅(qū)動(dòng)電路主要用于驅(qū)動(dòng)電磁閥，通過電磁閥控制氣缸，而電磁閥和繼電器都屬于電感性負(fù)載，在電磁閥或繼電器斷開的瞬間，會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，由于反向電動(dòng)勢(shì)的電壓一般都比較高，容易擊穿三極管，所以需要在電磁閥或繼電器上并聯(lián)一個(gè)反向二極管，用來吸收斷開瞬間產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)能量。

對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為：所述電氣控制系統(tǒng)采用PWM技術(shù)調(diào)節(jié)直流電機(jī)速度，所述直流電機(jī)隔離驅(qū)動(dòng)電路中包括兩個(gè)PC817光電耦合器和一個(gè)L298N模塊，所述L298N模塊用于實(shí)現(xiàn)PWM技術(shù)對(duì)直流電機(jī)速度的調(diào)節(jié)，所述L298N模塊在與直流電機(jī)連接的連接端設(shè)有四個(gè)1N4007二極管。由于直流電機(jī)屬于感性負(fù)載，為了防止電機(jī)停止時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)擊穿L298N內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路，所以在與直流電機(jī)連接的連接端設(shè)有1N4007二極管。

對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為：所述液晶顯示屏為采用12864液晶屏幕。

對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為：還包括與所述Arduino單片機(jī)的輸出端電聯(lián)接用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中包括TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，所述TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中設(shè)有光電耦合器，Arduino單片機(jī)信號(hào)不需要做隔離處理。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的工作原理圖；

圖2為圖1中Arduino單片機(jī)的基本工作電路圖；

圖3為圖1中光耦加繼電器隔離輸出電路的原理圖；

圖4為圖1中直流電機(jī)隔離驅(qū)動(dòng)電路的原理圖；

圖5為本實(shí)施例中PWM技術(shù)的原理圖；

圖6為圖1中光耦隔離輸入電路的原理圖；

圖7為圖1中顯示電路的原理圖；

圖8為本實(shí)施例中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例

如圖1所示為本實(shí)施例的基于Arduino單片機(jī)控制的電氣控制系統(tǒng)的原理圖，包括Arduino單片機(jī)1、光耦隔離輸入電路4、用于驅(qū)動(dòng)電磁閥的光耦加繼電器隔離輸出電路2、用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)的直流電機(jī)隔離驅(qū)動(dòng)電路3和用于控制液晶顯示屏的顯示電路5；光耦隔離輸入電路與Arduino單片機(jī)的輸入端電聯(lián)接，光耦加繼電器隔離輸出電路、直流電機(jī)隔離驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和顯示電路分別與Arduino單片機(jī)的輸出端電聯(lián)接。

本實(shí)施例中Arduino單片機(jī)基本工作電路、光耦加繼電器隔離輸出電路、直流電機(jī)隔離驅(qū)動(dòng)電路、光耦隔離輸入電路以及液晶顯示電路，電路各部分功能在滿足控制要求的同時(shí)均需要考慮抗電磁干擾，以保證電路的高可靠性。

本實(shí)施例中Arduino單片機(jī)1最小系統(tǒng)的基本工作電路如圖2所示，包含16MHZ晶振，22PF起振電容，以及復(fù)位電路。在本實(shí)施例中，單片機(jī)采用5V隔離電源工作，使用5V隔離電源的目的是接下來能通過光耦讓單片機(jī)與外部輸入輸出電路，驅(qū)動(dòng)電路完全隔離開。

本實(shí)施例中光耦加繼電器隔離輸出電路2如圖3所示，包括PC817光電耦合器、TIP122三極管和繼電器，繼電器上還并聯(lián)有一個(gè)反向二極管，Arduino單片機(jī)1通過PC817光耦實(shí)現(xiàn)5V控制信號(hào)轉(zhuǎn)24V控制信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)控制端與驅(qū)動(dòng)電路之間電氣上完全隔離，驅(qū)動(dòng)電路與單片機(jī)控制信號(hào)之間只有光信號(hào)的交換，但由于PC817最大輸出電流為30MA左右，這個(gè)電流不足以驅(qū)動(dòng)電磁閥或繼電器，所以需要通過TIP122三極管放大驅(qū)動(dòng)電流，最大可達(dá)2A。光耦加繼電器隔離輸出電路2主要用于驅(qū)動(dòng)電磁閥，電磁閥和繼電器都屬于電感性負(fù)載，在電磁閥或繼電器斷開的瞬間，會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，由于反向電動(dòng)勢(shì)的電壓一般都比較高，容易擊穿三極管，所以需要在電磁閥或繼電器上并聯(lián)一個(gè)反向二極管，用來吸收斷開瞬間產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)能量。在本實(shí)施例中，因?yàn)槔^電器的功率比電磁閥的功率小，同時(shí)為了方便驅(qū)動(dòng)電路的維護(hù)，所以采用了先控制中間繼電器再通過中間繼電器觸點(diǎn)控制電磁閥通斷的方式。

本實(shí)施例中直流電機(jī)隔離驅(qū)動(dòng)電路3如圖4所示，包括兩個(gè)PC817光電耦合器和一個(gè)L298N模塊，直流電機(jī)電壓采用24V，本實(shí)施例要求Arduino單片機(jī)1能控制直流電機(jī)的調(diào)速，由于普通的繼電器只能實(shí)現(xiàn)電路的通斷實(shí)現(xiàn)不了調(diào)速，所以在本實(shí)施例中采用了PWM技術(shù)調(diào)節(jié)直流電機(jī)速度。PWM也稱脈寬調(diào)制技術(shù)，就是在同樣的脈沖周期中改變高低電平在周期中的比例。

PWM技術(shù)的工作原理圖如圖5所示，在脈沖周期為10MS即脈沖頻率是100HZ的波形中，第一個(gè)脈沖周期中為4MS的高電平，6MS的低電平；第二個(gè)脈沖周期中為6MS的高電平，4MS的低電平；第三個(gè)脈沖周期中為8MS的高電平，2MS的低電平。這三段脈沖占空比分別是百分之四十，百分之六十，百分之八十。由于PWM需要很高的通斷頻率，所以普通的繼電器無法實(shí)現(xiàn)PWM功能，本實(shí)施例中采用L298N模塊來實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速，L298N內(nèi)部有4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，可以用來驅(qū)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)或兩個(gè)直流電機(jī)。如圖4所示，IN1、IN2、 IN3、 IN4分別對(duì)應(yīng)OUT1、OUT2、OUT3、OUT4，當(dāng)IN引腳為低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的OUT引腳也為低電平；如果IN為高電平，對(duì)應(yīng)OUT引腳也為高電平。不同的是IN端是單片機(jī)控制端，信號(hào)電壓為0~5V，而OUT端則是0~24V電壓，并且最大電流能達(dá)到2A，本質(zhì)上L298N的作用就是將驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大。L29N8由于是電子關(guān)斷，所以頻率可以很高。Arduino單片機(jī)1有6個(gè)引腳可以輸出PWM信號(hào)，分別是D3，D5，D6，D9，D10，D11引腳，在本實(shí)施例中采用D10，D11引腳，采用兩個(gè)PWM輸出引腳的原因是直流電機(jī)需要控制工件正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。圖4中IN1和IN2端口通過下電阻保持低電平，當(dāng)單片機(jī)輸出信號(hào)為高電平狀態(tài)時(shí)，IN端口電平被上拉；輸出為低電平時(shí)光耦關(guān)斷，此時(shí)通過下拉電阻將信號(hào)拉為低電平，斗則IN端口將處于浮動(dòng)狀態(tài)。因?yàn)橹绷麟姍C(jī)屬于感性負(fù)載，為了防止電機(jī)停止時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)擊穿L298內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路，所以電機(jī)的引腳上連接了四個(gè)1N4007二極管。

本實(shí)施例中光耦隔離輸入電路4如圖6所示，包括PC817光電耦合器， PC817光電耦合器的輸入端還連接有限流電阻。由于本實(shí)施例中采用的傳感器為24V NPN型，為了統(tǒng)一輸入信號(hào)的電壓范圍，將所有的開關(guān)按鈕，磁性開關(guān)都設(shè)計(jì)為采用24V電壓，比5V抗干擾性更高。PC817的輸入電流一般在20MA以下，所以需要加2K限流電阻，否則會(huì)電流過大燒壞光耦。單片機(jī)輸入信號(hào)設(shè)計(jì)為低電平有效，當(dāng)光耦關(guān)斷時(shí)，通過上拉電阻確保引腳處于高電平狀態(tài)，沒有上拉電阻單片機(jī)引腳將處于浮動(dòng)狀態(tài)，并容易受周圍電磁場(chǎng)影響，使引腳信號(hào)表現(xiàn)為忽高忽低的狀態(tài)。

本實(shí)施例中顯示電路5如圖7所示，本實(shí)施例中采用12864液晶屏幕，12864數(shù)據(jù)總線采用八位并口或SPI串口方式，12864的R/S引腳接單片機(jī)的D8腳（硬件SPI串口上的CS引腳），屏幕的R/W引腳接單片機(jī)的D9引腳（硬件SPI串口上的SID腳）。屏幕的E引腳接單片機(jī)的D3引腳（硬件SPI串口上的SCLK腳）。12864液晶屏幕可顯示四行八列共32個(gè)16*16點(diǎn)陣的漢字。或者顯示64個(gè)ASCII碼字符。12864液晶屏幕主要用于工作參數(shù)及狀態(tài)顯示。在本實(shí)施例中12864液晶屏幕SPI串口接線方式，相對(duì)于并口接線方式（需要接11根數(shù)據(jù)線到單片機(jī)），將用掉Arduino單片機(jī)一半左右的IO口，而SPI串口控制方式只需要單片機(jī)三根IO，大幅度減少了對(duì)IO的占用。

本實(shí)施例中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式與直流電機(jī)一樣，控制四個(gè)IN口的電平使得步進(jìn)電機(jī)A相繞組跟B相繞組交替得電使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，雖然這種方法最經(jīng)濟(jì)，但是會(huì)用掉單片機(jī)四個(gè)IO點(diǎn)，并且步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分操作全都需要用程序來控制，程序比較繁雜也加大了程序執(zhí)行量。

本實(shí)施例的中驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的另一種實(shí)現(xiàn)方式為在Arduino單片機(jī)1的輸出端電聯(lián)接用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中包括TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，所述TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中設(shè)有光電耦合器，其工作原理如圖8所示，本實(shí)施例中采用兩相四線制的步進(jìn)電機(jī)，并采用脈沖信號(hào)控制，TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器只需要用單片機(jī)兩個(gè)IO，一個(gè)發(fā)出脈沖信號(hào)，一個(gè)發(fā)出方向信號(hào)。假設(shè)步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8度，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)置的細(xì)分為4細(xì)分，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要發(fā)送800個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度靠脈沖發(fā)送的頻率決定，如果脈沖發(fā)送頻率為400HZ，那么電機(jī)的轉(zhuǎn)速則是每秒180度。步進(jìn)的運(yùn)行電流也可通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上的撥碼開關(guān)來設(shè)置，在發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩之間實(shí)現(xiàn)平衡，另外可以設(shè)置步進(jìn)電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下半流模式，此設(shè)置可使步進(jìn)電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下電流減半，進(jìn)一步減少步進(jìn)電機(jī)發(fā)熱量。還由于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部自帶光耦隔離，所以單片機(jī)信號(hào)不需要做隔離處理。

本實(shí)用新型的基于Arduino單片機(jī)控制的電氣控制系統(tǒng)不局限于上述各實(shí)施例，凡采用等同替換方式得到的技術(shù)方案均落在本實(shí)用新型要求保護(hù)的范圍內(nèi)。