一种可调脉冲频率控制器

技术领域

本发明属于智能制造自动化控制技术领域，是一种智能电机驱动控制器。

背景技术

现代工业生产过程中，生产设备一般都具备多流结构，以实现多生产线同时生产加工，提高产能。实现对多流设备的有效控制成为了提高生产效率、节约人力物力消耗的关键点之一。

以方坯连铸生产中的多流结构连铸机为例，在浇注过程中需要向结晶器内的钢水面上不断添加保护渣以达到绝热保温和隔绝空气，防止钢水发生二次氧化等目的。液渣层必须达到合乎实际需求的一定厚度，过厚或过薄都会使钢坯产生裂纹，破坏钢坯的结构。在实际生产过程中添加保护渣时需要满足“勤加、少加、均匀加”的工艺要求。如果每一流配备一套独立的PLC系统，会导致成本升高，也会占用较大的现场空间。而如果多流共用一套PLC系统，则会缺失单流系统的独立性，不易更换，现场电缆如何铺设也会成为重大问题。

钢铁行业连铸区工况复杂，结晶器附近环境常年保持近50摄氏度的高温。为了更好地实现对生产设备的控制，需要选择稳定性强的控制器和设计更稳定的电子电路结构。

发明内容

本发明旨在提供一种克服上述问题的具有多通道频率输出的可调脉冲频率控制器。该控制器具有双通道脉冲输出，且脉冲宽度可调，结构简单、新颖，体积小，操作简单直观，成本低，稳定性好。通过加装该控制器，每套加渣系统能具备独立性，可以完全替代小型PLC系统，适用于自动加渣系统的驱动控制等多系统集中协同控制领域。

实现上述方案的技术方案如下：

一种可调脉冲频率控制器，包括MCU主控板和显示板两块PCB板以及焊接在板上的PIC16F877A单片机主芯片、整流滤波、EEPROM存储、PWM输出、外部连接、排针及接口、LED数码显示和按键控制显示模块，两块PCB板通过20引脚的排针和对应接口连接；所述MCU主控板包括PIC16F877A单片机主芯片、整流滤波、EEPROM存储、PWM输出模块；所述PIC16F877A单片机主芯片焊接在MCU主控板上，具有44个引脚；所述整流滤波、EEPROM存储、PWM输出、LED数码显示和按键控制显示模块均通过引脚与主芯片相连接；所述外部连接模块为12引脚结构，其中三个引脚分别连接至单片机主芯片的RB2、RB1与RB0引脚作为外部远程I/O控制的接入点接入外部控制电路。进一步地，所述整流滤波模块包括变压芯片7812和7805、滤波电容、电感和TVS管（瞬态抑制二极管），24VDC电压通过PCB板上的电源接口连接到整流滤波电路后输入所述7812芯片的1-VIN端，经变压后由3-VOUT端输出15V的电压，该电压再输入所述7805芯片的1-VIN端，并由7805芯片变压自3-VOUT端输出稳定的5V主芯片电源电压，所述7812芯片和7805芯片的2-GND端均接地，所述24VDC的输入端以及7812芯片和7805芯片的3-VOUT端与地端直接均并联有两个电容，7805芯片的3-VOUT端与TVS管的负极并联，TVS管的正极接地，TVS管的正、负极分别与两个电感L1、L2相连，L1的另一端与L2的另一端之间并联两个电容并通过L2接地。

进一步地，所述EEPROM存储模块包括24C02芯片、电阻R6、R7，所述24C02芯片具有六个外接端口，1-A0、2-A1、3-A2、4-VSS、7-WP端口并联接地，5-SDA、6-SCL分别与单片机主芯片的RB4和RB3引脚相连，并通过电阻R6与R7连接到5V电压，8-VCC端口与5V电压相连，通过自带的2KB存储，实现对按键输入参数的存储，防止掉电丢失。

进一步地，所述PWM输出为主芯片内部集成，通过PIC16F877A单片机主芯片的RD6与RD7引脚引出，分别与电阻R9、R10串联后构成两路脉冲频率输出，通过外部连接模块连接电机实现驱动，并通过并联电容接地。

进一步地，所述外部连接模块为12引脚结构，1、2号引脚接入外部24VDC，3、4号引脚分别连接至单片机主芯片的RE1与RE0引脚，5、9与11号引脚作为COM端接地， 10-PUL2+与12-PUL1+号引脚为外接电机实现控制器频率输出驱动电机运行的输出端口，6-SB3、7-SB2和8-SB1号引脚分别连接至单片机主芯片的RB2、RB1与RB0引脚，作为外部远程I/O控制的接入点，接入外部控制电路可实现远程 I/O通讯控制。

进一步地，所述显示板包括LED数码显示和按键控制显示等模块。

进一步地，所述LED数码显示模块包括：74HC595寄存器、四位数数码显示管LED-SR-20521,电阻。所述编号U7的74HC595寄存器控制数码管每一位的数字显示，15-Q0、1-Q1、2-Q2、3-Q3、4-Q4、5-Q5、6-Q6、7-Q7号引脚通过串联电阻后接入数码管的11-a、7-b、4-c、2-d、1-e、10-f、5-g和3-DP端，8-GND与13号引脚接地，16、10号引脚接入5V电压，14-DS、12-ST_CP与11-SH_CP号引脚分别与单片机主芯片的RC5、RC2和RC3引脚相连，9-Q7’号引脚连接至编号U8的74HC595寄存器的14-DS号引脚。所述编号U8的74HC595寄存器控制数码管的位数显示，5-Q0、1-Q1、2-Q2、3-Q3号引脚分别连接数码管的12-D1、9-D2、8-D3、6-D4端，16、10号引脚接入5V电压，12-ST_CP与11-SH_CP号引脚分别与单片机主芯片的RC2和RC3引脚相连，9-Q7’号引脚悬空，8-GND与13号引脚接地。

进一步地，所述按键控制显示包括LED发光二极管、电阻、按键元件。所述四个按键元件的一个端口分别连接至单片机主芯片的RC6、RC7、RD4和RD5引脚，并各自串联一个电阻接入5V电压，另一端口并联后接地；所述四个LED发光二极管的正极各自串联一个电阻后接入5V电压，负极分别连接至单片机主芯片的RD0、RD1、RD2和RD3引脚。

进一步地，所述排针及接口为2x10结构，排针焊接在位于MCU主控板上，接口焊接在显示板上，两板通过排针与接口进行连接；述排针的1、2号引脚接地，3、4号引脚分别为IO4与IO3端，5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15和16号引脚分别连接至单片机主芯片的RC2、RC3、RD0、RD1、RD2、RD3、RC4、RC5、RC6、RC7、RD4和RD5引脚，17、18号引脚分别为RA2与RA1端，19和20号引脚接入5V电压。所述接口的1、2号引脚接地，3、4号引脚分别为IO4与IO3端，5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15和16号引脚分别连接至单片机主芯片的RC2、RC3、RD0、RD1、RD2、RD3、RC4、RC5、RC6、RC7、RD4和RD5引脚，17、18号引脚分别为IO2与IO1端，19和20号引脚接入5V电压。

在本发明实际使用过程中，控制器支持手动面板控制和远程I/O通讯控制两种控制方式，通过这两种控制方式可以同时或分别调节两个高速脉冲通道上脉冲频率的大小，通过所述的PWM输出模块输出频率为0~1KHZ的方波，实现控制功能。

主要工作原理：控制器支持手动面板控制和远程I/O通讯控制两种控制方式。操作者通过直接使用操作面板上的按键或接入外部I/O进行现场或远程参数调整和通道选择，LED数码显示屏显示相应的数值便于直观确认当前参数，主芯片接收到输入信号后将控制PWM输出模块依照设定的参数和选定的通道输出频率为0~1KHZ的方波，驱动外部步进电机驱动器。在方坯自动加渣系统上的应用可以实现对系统内加渣螺旋电机的转动速度的调节，从而实现按照设定参数进行定量加渣。

本发明的优点：电源采用可靠的24V直流电压输入，系统稳定性强。控制面板上进行了防雷和电压接错处理，避免误操作触电。具有两路高速脉冲通道，可同时对两套系统进行控制。支持手动面板和远程I/O通讯两种控制方式，通过这两种控制方式可以快速精准地同时或分别调节两个高速脉冲通道上脉冲频率的大小，灵活性强。PWM输出频率最高可达1KHZ，应用场景广泛。通过EEPROM对当前设置参数进行保存，防止掉电丢失。

附图说明

图1为本发明控制器系统框图。

图2为PIC16F877A单片机主芯片管脚引出图。

图3为MCU主控板整流滤波模块电路原理图。

图4为MCU主控板数据存储和PWM输出模块管脚连接和电路原理图。

图5为MCU主控板外部连接模块管脚连接和电路原理图。

图6为显示板LED数码显示管脚连接和电路原理图。

图7 为显示板按键控制显示模块管脚连接和电路原理图。

图8为MCU主控板与显示板连接用20引脚排针电路原理图。

图9为MCU主控板与显示板连接用20引脚接口电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明专利作进一步描述。

图1所示：可调脉冲频率控制器的系统框图包括：PIC16F877A单片机主芯片、电源整流滤波、EEPROM存储、PWM输出等模块，显示板包括：LED数码显示和按键控制显示等模块。24VDC通过整流滤波模块向主芯片和系统提供稳定的5V电源电压，按键控制显示模块向主芯片输入控制信号，通过PIC16F877A单片机主芯片控制PWM输出模块向外接电机输出脉冲频率信号实现驱动，通过PIC16F877A单片机主芯片控制LED数码显示模块显示当前参数数值，通过PIC16F877A单片机主芯片控制EEPROM存储模块存储当前设定的参数值。

图2所示： PIC16F877A单片机主芯片是MicroChip公司的中档产品，采用14位的RISC指令系统，具有44个引脚，芯片内部集成了A/D转换器、EEPROM存储、带比较和捕捉功能的定时器/计数器、PWM输出，异步串行通信（USART）电路等模块。工作温度：-40°C ~ 85°C。

图3所示：整流滤波模块：包括变压芯片7812和7805、滤波电容、电感和TVS管（瞬态抑制二极管），24VDC电压通过PCB板上的电源接口连接到整流滤波电路后输入所述7812芯片的1-IN端，经变压后由3-VOUT端输出15V的电压，该电压再输入所述7805芯片的1-VIN端，并由7805芯片变压自3-VOUT端输出稳定的5V主芯片电源电压，所述7812芯片和7805芯片的2-GND端均接地，所述24VDC的输入端以及7812芯片和7805芯片的3-VOUT端与地端直接均并联有两个电容，7805芯片的3-VOUT端与TVS管的负极并联，TVS管的正极接地，TVS管的正、负极分别与两个电感L1、L2相连，L1的另一端与L2的另一端之间并联两个电容并通过L2接地。外接24VDC，将24V电压通过7812和7805两块芯片转换为稳定的控制器所需的5V工作电压。TVS管的特点是响应速度超快，具有高浪涌能力。

图4所示：数据存储电路。EEPROM存储模块包括：24C02芯片、电阻R6、R7，24C02芯片具有六个外接端口，1-A0、2-A1、3-A2、4-VSS、7-WP端口并联接地，5-SDA、6-SCL分别与单片机主芯片的RB4和RB3引脚相连，并通过电阻R6与R7连接到5V电压，8-VCC端口与5V电压相连，通过自带的2KB存储，实现对按键输入参数的存储，防止掉电丢失。

频率输出电路：由PIC16F877A自带PWM输出及外围电路组成，通过PIC16F877A单片机主芯片的RD6与RD7引脚引出，分别与电阻R9、R10串联后构成两路脉冲频率输出，通过外部连接模块连接电机实现驱动，并通过并联电容接地。

图5所示：外部连接模块为12引脚结构，1、2号引脚接入外部24VDC，3、4号引脚分别连接至单片机主芯片的RE1与RE0引脚，5、9与11号引脚作为COM端接地，10-PUL2+与12-PUL1+号引脚为外接电机实现控制器频率输出驱动电机运行的输出端口，6-SB3、7-SB2和8-SB1号引脚分别连接至单片机主芯片的RB2、RB1与RB0引脚，作为外部远程I/O控制的接入点，接入外部控制电路可实现远程I/O通讯控制。

图6所示：LED数码显示模块包括74HC595寄存器、四位数数码显示管LED-SR-20521,电阻，编号U7的74HC595寄存器控制数码管每一位的数字显示，15-Q0、1-Q1、2-Q2、3-Q3、4-Q4、5-Q5、6-Q6、7-Q7号引脚通过串联电阻后接入数码管的11-a、7-b、4-c、2-d、1-e、10-f、5-g和3-DP端，8-GND与13号引脚接地，16、10号引脚接入5V电压，14-DS、12-ST_CP与11-SH_CP号引脚分别与单片机主芯片的RC5、RC2和RC3引脚相连，9-Q7’号引脚连接至编号U8的74HC595寄存器的14-DS号引脚。

编号U8的74HC595寄存器控制数码管的位数显示，5-Q0、1-Q1、2-Q2、3-Q3号引脚分别连接数码管的12-D1、9-D2、8-D3、6-D4端，16、10号引脚接入5V电压，12-ST_CP与11-SH_CP号引脚分别与单片机主芯片的RC2和RC3引脚相连，9-Q7’号引脚悬空，8-GND与13号引脚接地。参数的显示和设置可以通过该模块直观地呈现给终端使用者，以满足控制的需求。

图7所示：按键控制显示模块包括LED发光二极管、电阻、按键元件，四个按键元件的一个端口分别连接至单片机主芯片的RC6、RC7、RD4和RD5引脚，并各自串联一个电阻接入5V电压，另一端口并联后接地。四个LED发光二极管的正极各自串联一个电阻后接入5V电压，负极分别连接至单片机主芯片的RD0、RD1、RD2和RD3引脚。发光二极管可以为控制提供运行和报警指示，轻触按键可以为输入者提供参数设置的输入接口。

图8所示：连接MCU主控板与显示板的20引脚排针，排针为2x10结构，排针焊接在位于MCU主控板上，两板通过排针与接口进行连接，排针的1、2号引脚接地，3、4号引脚分别为IO4与IO3端，5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15和16号引脚分别连接至单片机主芯片的RC2、RC3、RD0、RD1、RD2、RD3、RC4、RC5、RC6、RC7、RD4和RD5引脚，17、18号引脚分别为RA2与RA1端，19和20号引脚接入5V电压。

图9所示：连接MCU主控板与显示板的20引脚接口，接口为2x10结构，接口焊接在显示板上，两板通过排针与接口进行连接，接口的1、2号引脚接地，3、4号引脚分别为IO4与IO3端，5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15和16号引脚分别连接至单片机主芯片的RC2、RC3、RD0、RD1、RD2、RD3、RC4、RC5、RC6、RC7、RD4和RD5引脚，17、18号引脚分别为IO2与IO1端，19和20号引脚接入5V电压。