【《船舶电力推进自动控制系统设计的硬件方案案例分析》6100字】

船舶电力推进自动控制系统设计的硬件方案案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u12618船舶电力推进自动控制系统设计案例分析 [17]。（2）关断模式：关断模式主要时用于系统待机状态，这种模式一是为了降低功耗，二是为了提高芯片使用寿命，避免芯片长时间处于强度模式，在此模式下会官邸高阻输出，切断内核电路供电。（3）在本次设计中为了降低系统设计成本，本设计选取锂电池供电的方式给系统进行供电，同时设置了USB接口给电池充电以及系统供电，整个过程由电源管理芯片完成，再次过程中为了减小电源线接入时的压降，一般在0.1V左右，为了降低线损的影响，在电源端口可以增加10uF电解电容，另外为了降低电源纹波，可以增加10nF滤波电容，本文主要供电系统如下图所示图：图3-2：供电系统STM32单片机芯片供电电压为3.3V，系统供电电压为5V，因此需要二级DC/DC降压电压，本电源系统采用AMS-1117-3.3，把输入5V电源转换为额定的3.3V，该芯片具有输入电压宽，量程为4.5~5.5V，因此在单片机控制系统得到广泛应用，另外该电源芯片属于低功耗，具有一定的过载能力。当使用电流超过芯片供电范围，则芯片会增加发热，达到一定的程度，电源芯片自动保护。图3-3：STM32F103系列芯片供电方案输入与输出信号电路设计直流电机驱动电路双H电桥是SGS公司推出的产品，采用8脚的Multilateral封装形式，双H电桥内部嵌入2路逻辑电路通道，可以驱动一路直流电机或者一个单相步进电机。在条件允许情况下，最高输出电压能达到12V。数字控制器MCU的I/O口能够当作信号源来使用，使得电路设计很简便。下图是双H电桥的管脚图。图3-4：直流电机驱动电路从上图可知，双H电桥芯片工作电压是5V，直接接入电源电压，不需要额外增加电源转换电路。它有两路输入和两路输出，本次设计硬件电路输入接入单片机PA9和PA8两路引脚，输出引脚OUTA和OUTB接入直流电机引脚。当PA6引脚输出高电平，PA7输出低电平，则直流电机正转；当PA6引脚输出低电平，PA7输出高电平，则直流电机反转。霍尔传感器模块为了满足系统对电机测速的要求，本文中将使用A3144型号霍尔传感器对电机进行测速。使用霍尔测速是目前比较常用的测速方法，该模块的工作原理是通过磁场的变化来收集输入信号，由电机转动磁钢来改变磁场变化。当传感器检测部分检测到南磁极（S极）时，模块输出低电平，当传感器检测部分检测到北磁极（N极）时，模块输出高电平，在通过内部转化为电信号至单片机处理器中。下图为霍尔传感器内部电路原理图。图3-5:霍尔传感器内部原理图本文选用的霍尔测速模块共有四个管脚，分别是VCC（电源正极）、GND（接地端）、模拟数据输出端和数字量数据输出端。此模块工作电压是5V，由系统电源直接供电，设计了下图硬件连线图。图3-6:A3144霍尔传感器接口原理图无线WIFI模块通讯电路在本次船舶电力推进自动控制系统中将采用无线WIFI控制的方式来操控，WIFI模块一般用在手机与家居产品产品中较为常见，相比红外线具有通讯距离远、可穿墙、通讯质量高等特性；本次使用到的模块是ESP8266系列，ESP8266系列用于遥控电子设备有着成本低、通讯协议简单、丢包率低、讯通距离短等特点。从系统设计的成本与通讯距离的方向考虑，本系统采用ESP8266的WIFI作为系统通讯媒介。WIFI模块的通讯频率是2.4GHZ，2.4GHZ是国际通讯联合组免费频率使用频段，WIFI模块型号的不同，频率不同，ESP8266系列频率的选择范围在2.4.12~2.4.84之间，驱动电压在3.3V左右，串口传输率为110至921600bps之间。本课题选择的WIFI模块型号为WIFI_ESP8266，通讯频率是2.4.6GHZ。此款WIFI有绑定模式和指令模式两种通讯方式。绑定模式工作下，确定主备设备后不可再更改，无法在配对其他设备；指令模式工作下，搜索配对来确定主从机。本系统采用的是指令模式，上位机与WIFI模块匹对成功后，上位为主，下位为从，主机发送指令给从机也可接收从机发送的数据，数据传输模式如下所示：图3-7：WIFI模块数据传输模式图LCD1602液晶屏显示电路本次控制系统中显示监控模块使用的是LCD1602液晶屏，这款液晶屏是非常常用显示模块，它具有功耗低、成本低、超高性价比，显示较清晰等特点，而LCD1602通过数字量控制，若和传统的LED数码管来比较，控制精度更高，显示的内容也非常丰富，LCD1602由主显示晶元、处理单元和存储器这三个部分组成。驱动电压在4.5至5.5V左右，最合适5V电压工作这样显示效果最好；LCD1602的储存器由DDRAM、CGRAM与CDROM三类存储组成，存储不同的数据信息，其中DDRAM存储控制单元发送的数据，CGROM存储处理单元输出数据，CDROM存储液晶屏的底层程序。在本系统中主要用于显示电机的转速和检控电压。LCD1602液晶屏的电路原理图如下：图3-8：LCD1602液晶显示电路原理图锂电池充电管理电路本次在船舶控制系统加入例如电池管理模块，整个船舶电力推进控制系统使用的是单节锂电池供电的方案，锂电池是可重复充电的，且电池电压为3.7V，使用到的电源管理模块是TP4046管理电器，这款电源管理芯片在众多电子产品中都有使用到，例如充电宝这一类充放电设备。TP4056芯片在使用时他可以保护电池在充电时发生过充或发生馈电状态，输入的电压在4~8V的范围，最大可以输出1000mA，在底部还带有散热片。这款TP4056芯片的优点是价格低廉、结构简单、可靠性强等特点，这款电源管理芯片在众多电子产品中都有使用到，例如充电宝这一类充放电便携式设备应用的理想选择。图3-9：TP4056锂电池充电模块接口原理图另外由于STM32F103单片机芯片系统需要的电压为5V，但是电池电压只有3.7V，达不到系统所要求的电压驱动，所以在此增加了一个USB-5V的升压模块，这款升压芯片是HX3001，这款芯片也是比较常见的，转换率最最高可以到94%，有着输出稳定、效率高等特点，同时可以提供5V/3.3V输出，在本次系统设计中，不仅可以给系统供给，甚至还可以给外部设备输出。图3-10：USB-5V升压模块接口原理图蜂鸣器与控制电路在本次设计中使用到了蜂鸣器，蜂鸣器的作用主要起到电压报警的功能，可以通过软件设施阈值，电压超过设置的阈值时就通过蜂鸣器报警。蜂鸣器分为有源和无源两种类型。有源蜂鸣器的报警声音大可通过PWM波控制输出动态音量，外部电压在5V±0.5V，蜂鸣器的工作电压和船舶电力控制系统输入电压一致，我们可以不用在增加电源模块。所以选用有源蜂鸣器作为报警模块。由于蜂鸣器的启动功率为0.3W，单片机的GPIO输出功率为0.2W小于蜂鸣器的启动功耗，需通添加三极管来过提高单片机的GPIO管脚带载能力，设计电路的二极管工作在放大区，采用的三极管型号为8050，放大倍数默认为100，蜂鸣器驱动与控制电路如下图：图3-11：蜂鸣器驱动与控制电路从电路图中看出如果三极管处于断开的时候，蜂鸣器的电源则断开，蜂鸣器此时就会不导通状态。如果三极管导通，系统就正常供电，蜂鸣器通电工作进行报警。图中电阻R2是电路限流电阻，防止三极管突然短路而造成烧毁单片机GPIO口。一般情况下GPIO口PA11处于高电平，三极管在关闭状态。当PA11电平从高电平跳变成低电平，三极管8050导通，蜂鸣器启动。原理图设计注意事项在设计系统原理图时我们要规范