一種基于Arduino單片機控制的電氣控制系統的制作方法

本實用新型涉及一種電氣控制系統，尤其涉及一種基于Arduino單片機控制的電氣控制系統。

背景技術：

目前步進電機、直流電機和電磁閥的控制采用數控系統或PLC控制系統實現的工業案例較為常見，數控系統在數控機床領域應用廣泛，二在自動機械上PLC控制系統雖然應用比較多，但PLC控制直流電機和步進電機成本較高。

例如中國專利文獻CN 103394443A的發明專利提供了一種點膠機，包括PLC控制箱，PLC控制箱與打膠機相連接，打膠機通過膠管與點膠筆相連接，點膠筆與打膠產品相配合。點膠機中需用到步進電機和直流電機，該發明就采用了PLC控制系統實現對步進電機和直流電機的驅動，成本較高。

技術實現要素：

本實用新型為了解決現有技術中存在的問題，提供一種能有效降低自動機械控制系統成本的基于Arduino單片機控制的電氣控制系統且能有效提高單片機的抗干擾性能。

為了達到上述目的，本實用新型提出的技術方案為：一種基于Arduino單片機控制的電氣控制系統，用于控制步進電機、直流電機、電磁閥和液晶顯示屏，包括Arduino單片機、光耦隔離輸入電路、用于驅動電磁閥的光耦加繼電器隔離輸出電路、用于驅動直流電機或步進電機的直流電機隔離驅動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單片機的輸入端電聯接，所述光耦加繼電器隔離輸出電路、直流電機隔離驅動電路、步進電機驅動器和顯示電路分別與Arduino單片機的輸出端電聯接。

本實用新型的技術效果為：通過Arduino單片機控制替代傳統的PLC控制，大幅降低了電氣控制成本；而且Arduino單片機與其他電路的聯接均采用光電耦合的方式連接，通過這種隔離電路設計提高了單片機的抗干擾性能，使其能在工業干擾環境下正常工作。

對上述技術方案的進一步改進為：所述Arduino單片機的基本工作電路中包含16MHZ晶振、22PF起振電容以及復位電路，所述Arduino單片機工作時采用5V隔離電源。單片機采用5V隔離電源工作的目的是通過光電耦合器讓單片機與外部輸入輸出電路、驅動電路完全隔離開。

對上述技術方案的進一步改進為：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控制信號轉化為5V控制信號，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，否則會因電流過大燒壞光耦。

對上述技術方案的進一步改進為：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有一個反向二極管，所述PC817光電耦合器用于將Arduino單片機輸出的5V控制信號轉化為24V控制信號，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，這個電流不足以驅動電磁閥或繼電器，所以需要通過TIP122三極管放大驅動電流；此驅動電路主要用于驅動電磁閥，通過電磁閥控制氣缸，而電磁閥和繼電器都屬于電感性負載，在電磁閥或繼電器斷開的瞬間，會產生反向電動勢，由于反向電動勢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一個反向二極管，用來吸收斷開瞬間產生的電動勢能量。

對上述技術方案的進一步改進為：所述電氣控制系統采用PWM技術調節直流電機速度，所述直流電機隔離驅動電路中包括兩個PC817光電耦合器和一個L298N模塊，所述L298N模塊用于實現PWM技術對直流電機速度的調節，所述L298N模塊在與直流電機連接的連接端設有四個1N4007二極管。由于直流電機屬于感性負載，為了防止電機停止時產生的反向電動勢擊穿L298N內部驅動電路，所以在與直流電機連接的連接端設有1N4007二極管。

對上述技術方案的進一步改進為：所述液晶顯示屏為采用12864液晶屏幕。

對上述技術方案的進一步改進為：還包括與所述Arduino單片機的輸出端電聯接用于驅動步進電機的步進電機驅動電路，所述步進電機驅動電路中包括TB6600步進電機驅動器，所述TB6600步進電機驅動器中設有光電耦合器，Arduino單片機信號不需要做隔離處理。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例的工作原理圖；

圖2為圖1中Arduino單片機的基本工作電路圖；

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中直流電機隔離驅動電路的原理圖；

圖5為本實施例中PWM技術的原理圖；

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為本實施例中步進電機驅動電路的原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖以及具體實施例對本實用新型進行詳細說明。

實施例

如圖1所示為本實施例的基于Arduino單片機控制的電氣控制系統的原理圖，包括Arduino單片機1、光耦隔離輸入電路4、用于驅動電磁閥的光耦加繼電器隔離輸出電路2、用于驅動直流電機或步進電機的直流電機隔離驅動電路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單片機的輸入端電聯接，光耦加繼電器隔離輸出電路、直流電機隔離驅動電路、步進電機驅動器和顯示電路分別與Arduino單片機的輸出端電聯接。

本實施例中Arduino單片機基本工作電路、光耦加繼電器隔離輸出電路、直流電機隔離驅動電路、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均需要考慮抗電磁干擾，以保證電路的高可靠性。

本實施例中Arduino單片機1最小系統的基本工作電路如圖2所示，包含16MHZ晶振，22PF起振電容，以及復位電路。在本實施例中，單片機采用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與外部輸入輸出電路，驅動電路完全隔離開。

本實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，繼電器上還并聯有一個反向二極管，Arduino單片機1通過PC817光耦實現5V控制信號轉24V控制信號，同時實現了單片機控制端與驅動電路之間電氣上完全隔離，驅動電路與單片機控制信號之間只有光信號的交換，但由于PC817最大輸出電流為30MA左右，這個電流不足以驅動電磁閥或繼電器，所以需要通過TIP122三極管放大驅動電流，最大可達2A。光耦加繼電器隔離輸出電路2主要用于驅動電磁閥，電磁閥和繼電器都屬于電感性負載，在電磁閥或繼電器斷開的瞬間，會產生反向電動勢，由于反向電動勢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一個反向二極管，用來吸收斷開瞬間產生的電動勢能量。在本實施例中，因為繼電器的功率比電磁閥的功率小，同時為了方便驅動電路的維護，所以采用了先控制中間繼電器再通過中間繼電器觸點控制電磁閥通斷的方式。

本實施例中直流電機隔離驅動電路3如圖4所示，包括兩個PC817光電耦合器和一個L298N模塊，直流電機電壓采用24V，本實施例要求Arduino單片機1能控制直流電機的調速，由于普通的繼電器只能實現電路的通斷實現不了調速，所以在本實施例中采用了PWM技術調節直流電機速度。PWM也稱脈寬調制技術，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，第一個脈沖周期中為4MS的高電平，6MS的低電平；第二個脈沖周期中為6MS的高電平，4MS的低電平；第三個脈沖周期中為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現PWM功能，本實施例中采用L298N模塊來實現PWM調速，L298N內部有4通道邏輯驅動電路，可以用來驅動一個步進電機或兩個直流電機。如圖4所示，IN1、IN2、 IN3、 IN4分別對應OUT1、OUT2、OUT3、OUT4，當IN引腳為低電平時，對應的OUT引腳也為低電平；如果IN為高電平，對應OUT引腳也為高電平。不同的是IN端是單片機控制端，信號電壓為0~5V，而OUT端則是0~24V電壓，并且最大電流能達到2A，本質上L298N的作用就是將驅動信號放大。L29N8由于是電子關斷，所以頻率可以很高。Arduino單片機1有6個引腳可以輸出PWM信號，分別是D3，D5，D6，D9，D10，D11引腳，在本實施例中采用D10，D11引腳，采用兩個PWM輸出引腳的原因是直流電機需要控制工件正反兩個方向旋轉。圖4中IN1和IN2端口通過下電阻保持低電平，當單片機輸出信號為高電平狀態時，IN端口電平被上拉；輸出為低電平時光耦關斷，此時通過下拉電阻將信號拉為低電平，斗則IN端口將處于浮動狀態。因為直流電機屬于感性負載，為了防止電機停止時產生的反向電動勢擊穿L298內部驅動電路，所以電機的引腳上連接了四個1N4007二極管。

本實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。由于本實施例中采用的傳感器為24V NPN型，為了統一輸入信號的電壓范圍，將所有的開關按鈕，磁性開關都設計為采用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，否則會電流過大燒壞光耦。單片機輸入信號設計為低電平有效，當光耦關斷時，通過上拉電阻確保引腳處于高電平狀態，沒有上拉電阻單片機引腳將處于浮動狀態，并容易受周圍電磁場影響，使引腳信號表現為忽高忽低的狀態。

本實施例中顯示電路5如圖7所示，本實施例中采用12864液晶屏幕，12864數據總線采用八位并口或SPI串口方式，12864的R/S引腳接單片機的D8腳（硬件SPI串口上的CS引腳），屏幕的R/W引腳接單片機的D9引腳（硬件SPI串口上的SID腳）。屏幕的E引腳接單片機的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16*16點陣的漢字。或者顯示64個ASCII碼字符。12864液晶屏幕主要用于工作參數及狀態顯示。在本實施例中12864液晶屏幕SPI串口接線方式，相對于并口接線方式（需要接11根數據線到單片機），將用掉Arduino單片機一半左右的IO口，而SPI串口控制方式只需要單片機三根IO，大幅度減少了對IO的占用。

本實施例中步進電機驅動方式與直流電機一樣，控制四個IN口的電平使得步進電機A相繞組跟B相繞組交替得電使電機轉動，雖然這種方法最經濟，但是會用掉單片機四個IO點，并且步進電機的細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行量。

本實施例的中驅動步進電機的另一種實現方式為在Arduino單片機1的輸出端電聯接用于驅動步進電機的步進電機驅動電路，步進電機驅動電路中包括TB6600步進電機驅動器，所述TB6600步進電機驅動器中設有光電耦合器，其工作原理如圖8所示，本實施例中采用兩相四線制的步進電機，并采用脈沖信號控制，TB6600步進電機驅動器只需要用單片機兩個IO，一個發出脈沖信號，一個發出方向信號。假設步進電機的步距角為1.8度，步進電機驅動器設置的細分為4細分，則步進電機轉一圈需要發送800個脈沖，步進電機轉動的速度靠脈沖發送的頻率決定，如果脈沖發送頻率為400HZ，那么電機的轉速則是每秒180度。步進的運行電流也可通過步進電機驅動器上的撥碼開關來設置，在發熱和轉矩之間實現平衡，另外可以設置步進電機靜止狀態下半流模式，此設置可使步進電機靜止狀態下電流減半，進一步減少步進電機發熱量。還由于步進電機驅動器內部自帶光耦隔離，所以單片機信號不需要做隔離處理。

本實用新型的基于Arduino單片機控制的電氣控制系統不局限于上述各實施例，凡采用等同替換方式得到的技術方案均落在本實用新型要求保護的范圍內。