一种小型数字串口舵机控制电路的制作方法

本发明涉及串口舵机控制领域，具体的说是一种小型数字串口舵机控制电路。

背景技术：

数字串口舵机是一种单总线，可级联的数字舵机，具有布线结构美观，占用端口少，控制精准和带有反馈等优点，舵机之间采用单线半双工的串口通信协议进行通讯，但市面上已有的串口舵机多应用在大尺寸，大扭矩的舵机上，针对于小尺寸舵机(重量在20G以下，扭矩在2kg·cm以下)，如9G、12G舵机，大部分是模拟舵机，其精度不高且无法智能控制，没有相应的串口总线舵机。国内舵机厂商飞特模型虽推出了一款9G串口舵机，但采用的是外部分线板级联各舵机，在布线上完全没有体现出串口舵机的优势，且不带温度、电压、电流等反馈信息，不具有监测保护功能。

中国发明专利CN107053172A(公开日为2017年08月18日)公开了一种舵机主板控制电路以及机器人，包括主控芯片、驱动芯片、采集芯片、通讯电路等，理论上能达成与本发明同样的效果，但此发明适用于带有磁编码的高端大扭力大尺寸舵机的应用，未提及小型舵机控制电路的具体设计。

中国发明专利CN104407625A(公开日为2015年03月11日)公开了一种数字舵机具有角度模式和连续旋转模式，使用AVRAtmega8作为主控芯片，这样的方案成本较高，且未提及如何应用在小型舵机的总线数字化改造中。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提出了一种小型数字串口舵机控制电路，满足了小型舵机的数字化、总线控制化，解决了在舵机控制领域的小型化智能化需求。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种小型数字串口舵机控制电路，包括主控模块、电源模块、电压检测模块、电流检测模块、温度检测模块、LED模块、位置检测模块、电机驱动模块、接口模块，所述主控模块由所述电源模块供电，所述电压检测模块连接有输入电源VIN后经过分压电路连接所述主控模块传递电压信号，所述电流检测模块和所述温度检测模块连接所述主控模块传递电流和温度信息，所述LED模块连接所述主控模块作为发光模块，所述电机驱动模块连接所述主控模块驱动舵机内直流电机，所述接口模块连接所述主控模块传递电源与控制信号。

所述主控模块包括主控芯片、第二电阻、第二电容、第四电容和第五电容，所述主控芯片采用qfn20封装的stm8s003芯片。

所述位置检测模块包括第一触点、第二触点、第三触点，所述第一触点与所述第三触点之间并联有第三电容，所述第二触点串接有第十一电阻后连接所述主控芯片的20脚。

所述电压检测模块包括第六电阻和第七电阻，所述第六电阻和第七电阻的公共端连接所述主控芯片的17脚。

所述温度检测模块包括第八电阻、第九NTC电阻，所述第九NTC电阻采用阻值10K，B值3950的NTC温敏电阻。

所述电流检测模块包括电流检测芯片、第四电阻、第五电阻、第三电阻、第六电容，所述电流检测芯片的型号为ZXCT1009，所述电流检测芯片的2脚连接所述第四电阻后连接所述电流检测芯片的3脚，所述电流检测芯片的3脚连接于所述输入电源VIN，所述电流检测芯片的1脚连接于所述第五电阻后接地，所述电流检测芯片的1脚还连接所述第三电阻和第六电容组成的RC滤波器后连接于所述主控芯片的11脚。

所述电机驱动模块包括电机芯片和第一电容，所述电机芯片采用型号为TC118HS的H桥电机芯片，所述电机芯片的2脚连接所述主控芯片的14脚，所述电机芯片的3脚连接所述主控芯片的13脚，所述电机芯片的4脚连接所述电流检测芯片的2脚，所述电机芯片的5脚和8脚分别对应连接有第四触点和第五触点，所述第四触点和第五触点之间并接有所述第一电容。

所述LED模块包括RGB三色灯和第十电阻，所述第十电阻的一端连接所述RGB三色灯的4脚，另一端接地，所述RGB三色灯的1脚、2脚、3脚对应连接于所述主控芯片的7脚、10脚、12脚。

所述接口模块包括第一接口和第二接口，所述第一接口和第二接口采用脚间距为1.0mm的卧贴母座3P连接器。

所述第九NTC电阻(R9)通过引线放置在舵机内部的直流电机表面。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，在同等功能下，本发明体积小(11mm*10mm)，易安装于9g、12g等小型舵机机壳内，且元器件较少，成本低，功能完善。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的控制电路图；

图2为本发明的主控模块图；

图3为本发明的电源模块图；

图4为本发明的电压检测模块图；

图5为本发明的电流检测模块图；

图6为本发明的温度检测模块图；

图7为本发明的LED模块图；

图8为本发明的位置检测模块图；

图9为本发明的电机驱动模块图；

图10为本发明的接口模块图；

图11为本发明的安装示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。

如图1所示的控制电路图：

一种小型数字串口舵机控制电路，包括主控模块1、电源模块2、电压检测模块3、电流检测模块4、温度检测模块5、LED模块6、位置检测模块7、电机驱动模块8、接口模块9，所述主控模块1由所述电源模块2供电，所述电压检测模块3连接有输入电源VIN后经过分压电路连接所述主控模块1传递电压信号，所述电流检测模块4和所述温度检测模块5连接所述主控模块1传递电流和温度信息，所述LED模块6连接所述主控模块1作为发光模块，所述电机驱动模块8连接所述主控模块1驱动舵机内直流电机，所述接口模块9连接所述主控模块1传递电源与控制信号。

如图2所示的主控模块图：

所述主控模块1包括主控芯片U2、第二电阻R2、第二电容C2、第四电容C4和第五电容，所述主控芯片U2采用qfn20封装的stm8s003芯片，所述第二电阻R2的一端连接有数字电路电源VCC，另一端连接于所述第二电容C2后接地，所述第二电阻R2和所述第二电容C2的公共端连接所述主控芯片U2的1脚组成上电复位电路，在上电瞬间所述第二电容C2视为短路，将所述主控芯片U2的1脚即复位引脚电平拉低使芯片复位，所述第二电容C2充电后视为开路，由所述第二电阻R2将所述主控芯片U2的1脚电平拉高，所述主控芯片U2的5脚连接于所述第四电容C4后接地，所述第四电容C4为主控芯片U2的内核调压电容，保持内核电压稳定在1.8V，所述第四电容C4的容值为1uf。

如图3所示的电源模块图：

所述电源模块2包括稳压芯片U4、第十一电容C11、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9，所述第十一电容C11、第七电容C7为输入滤波电容，所述第八电容C8、第九电容C9为输出滤波电容，所述稳压芯片U4采用型号为662K的3.3V稳压芯片，为整个电路提供3.3V的数字电源VCC。

所述电压检测模块3、电流检测模块4、温度检测模块5和位置检测模块7均可归纳为反馈信息采集模块，分别对应采集舵机运行过程中的电压、电流、温度和位置信息，所述反馈信息可转变为电压信号连接至所述主控芯片U2的任一ADC引脚进行AD转换，将所述电压信号转换后的数字信号经过运算可得出实际所采集的反馈信息数据大小。

如图4所示的电压检测模块图：

所述电压检测模块3包括第六电阻R6和第七电阻R7，所述第六电阻R6的一端连接有输入电源VIN，另一端连接所述第七电阻R7后接地，组成了分压电路，所述第六电阻R6和第七电阻R7的公共端连接到所述主控芯片U2的17脚传输输入电源VIN的分压信号，所述第六电阻R6采用精度为1％，阻值为10K的电阻，所述第七电阻R7采用精度为1％，阻值为20K的电阻，采用精度高的电阻可获得更高的测量精度。

如图5所示的电流检测模块图：

所述电流检测模块4包括电流检测芯片U3、第四电阻R4、第五电阻R5、第三电阻R3、第六电容C6，所述电流检测芯片U3的型号为ZXCT1009，所述电流检测芯片U3的2脚连接所述第四电阻R4后连接所述电流检测芯片U3的3脚，所述电流检测芯片U3的3脚连接有输入电源VIN，所述电流检测芯片U3的2脚连接于所述电机驱动模块8的电源输入端，所述第四电阻R4为电流采样电阻，采用阻值为0.05欧姆，精度为1％，封装为0805的电阻，对电机驱动电流进行采样以防止长时间过流造成电机驱动芯片烧毁或电机过热，所述电流检测芯片U3的1脚连接于所述第五电阻R5后接地，所述电流检测芯片U3的1脚还连接所述第三电阻R3和第六电容C6组成的RC滤波器后连接于所述主控芯片U2的11脚，所述电流检测芯片U3通过2脚输出采样得到的电流信号所转换成的电压信号，所述第五电阻R5为下拉电阻，所述电压信号经过RC滤波由所述主控芯片U2的ADC引脚进行AD转换后进行运算获得采样的电流值。

如图6所示的温度检测模块图：

所述温度检测模块5包括第八电阻R8、第九NTC电阻R9，所述第八电阻R8采用精度为1％的10K电阻，所述第九NTC电阻采用阻值10K，B值3950的直插式NTC温敏电阻，所述第八电阻R8的一端连接于所述数字电路电源VCC，另一端连接于所述第九NTC电阻R9后接地，所述第九NTC电阻R9通过引线放置在舵机内部的电机表面以检测电机温度，电机温度的变化会影响温敏电阻的阻值，通过上述温度检测模块5的电路连接组成的分压电路可将变化的阻值信息转为电压信息传递给所述主控芯片U2，由所述主控芯片U2的ADC通道转换为数字信息后反向求得所述第九NTC电阻R9的阻值，通过对比B值为3950，阻值为10K的NTC的温度-阻值表获取电机温度。一般舵机的测温电阻直接布置在主板上或电机驱动芯片附近，不能很好反应电机温度变化，往往存在电机过热但主板只是温热的情况，这样失去了温度检测的意义，本发明直接将NTC电阻布置在电机表面，实时监测电机温度，一旦达到预定的温度上限，便减小电机负载降温保护。

如图7所示的LED模块图：

所述LED模块6包括RGB三色灯L1和第十电阻R10，所述第十电阻R10的一端连接所述RGB三色灯L1的4脚，另一端接地，所述RGB三色灯L1的1脚、2脚、3脚对应连接于所述主控芯片U2的7脚、10脚、12脚，所述主控芯片U2的7脚、10脚、12脚可被配置为PWM输出模式，通过调节所述主控芯片U2的7脚、10脚、12脚的PWM占空比控制所述RGB三色灯L1的红、绿、蓝三原色的比例，从而合成任一颜色，所述第十电阻R10为限流电阻，放置在所述RGB三色灯L1的地端是为了减少元件数量，所述RGB三色灯L1可采用小尺寸的1206封装RGB灯，缩小主板尺寸，本发明采用的LED方案只使用两个元件，且使用PWM信号驱动，可显示的颜色种类丰富。

如图8所示的位置检测模块图：

所述位置检测模块7包括第一触点TP1、第二触点TP2、第三触点TP3，所述第一触点TP1接地，所述第三触点TP3连接数字电路电源VCC，所述第一触点TP1与所述第三触点TP3之间并联有稳压电容第三电容C3，所述第二触点TP2串接有第十一电阻R11后连接所述主控芯片U2的20脚，所述第一触点TP1和第三触点TP3用于焊接舵机内位置反馈电位器的总阻端，一般为1号脚和3号脚，所述第二触点TP2用于焊接舵机内位置反馈电位器的可变电阻端，一般为2号脚，所述第一触点TP1、第二触点TP2、第三触点TP3连接所述位置反馈电位器后组成一个分压电路，代表舵机输出轴旋转位置信息的电位器可变电阻端阻值被转化为电压信号，通过所述第十一电阻R11的滤波后输入到所述主控芯片U2的20脚，所述主控芯片U2的20脚为其中一ADC引脚，可将输入的电压信号转换为数字信号对应于舵机输出轴的位置信息，由于主控芯片U2的ADC精度为1024级，所以位置检测精度由公式——电位器可旋转角度/1024获得，如位置反馈电位器最大旋转角度为300度，则位置检测精度为300度/1024≈0.3度。

如图9所示的电机驱动模块图：

所述电机驱动模块8包括电机芯片U1和第一电容C1，所述电机芯片U1采用型号为TC118HS的H桥电机芯片，最高输入电压7.6V，峰值电流2.5A，持续电流1.8A，足够满足小型舵机的电机需求，所述电机芯片U1的2脚连接所述主控芯片U2的14脚输入信号INA，所述电机芯片U1的3脚连接所述主控芯片U2的13脚输入信号INB，所述主控芯片U2的14脚和13脚均为具有PWM输出功能的引脚，所述电机芯片U1的4脚连接所述电流检测芯片U3的2脚输入经过电流采样电阻后的电源，所述电机芯片U1的8脚连接有第四触点TP4输出信号OUTA，所述电机芯片U1的5脚连接有第五触点TP5输出信号OUTB，所述第四触点TP4和第五触点TP5之间并接有所述第一电容C1对输出端滤波，所述第四触点TP4和第五触点TP5连接于舵机内部直流电机的正负极两端，所述电机芯片U1的控制逻辑表如下：

如表所示当INA和INB信号全为低电平时，OUTA和OUTB输出为高阻态，此时电机处于待命状态；

当INA为高电平，INB为低电平时，OUTA输出高压，OUTB输出低压表现为接地，此时电机正转；

当INA为低电平，INB为高电平时，OUTB输出高压，OUTA输出低压表现为接地，此时电机反转；

当INA为高电平，INB为高电平时，OUTA和OUTB输出低压表现为同时接地，相当于对电机正负极相连接地，此时由于电机内部的磁阻效应，电机表现为刹车；

特别地，INA和INB信号可以为PWM信号，通过对所述主控芯片U2的14脚和13脚设置频率为20KHz，占空比可变的两路PWM信号，可以控制正转和反转的速度，具体表现为INA信号输入的PWM信号占空比越大于INB信号输入的PWM信号占空比，电机正转速度越大，INB信号输入的PWM信号占空比越大于INA信号输入的PWM信号占空比，电机反转速度越大。

如图10所示的接口模块图：

所述接口模块9包括第一接口P2和第二接口P5，所述第一接口P2和第二接口P5采用脚间距为1.0mm的卧贴母座3P连接器，所述连接器可采用SH1.0-3P卧贴，对称分布在控制板两侧，所述第一接口P2和第二接口P5的1脚接地，2脚接输入电源VIN，3脚连接有第一电阻R1后接所述主控芯片U2的19脚，所述主控芯片U2的19脚可配置为半双工串口模式，当多个舵机通过第一接口P2和第二接口P5串联起来后，所有舵机被挂载于总线上，总线上所有舵机的所述主控芯片U2的19脚接收来自外设舵机控制器的控制信号，此时所述主控芯片U2的19脚均处于接收状态，当查询到接收信息含本舵机ID号后，本舵机的所述主控芯片的19脚转换为发送状态发送应答，未查询到接收信息含本舵机ID号时，继续处于接收状态。

如图11所示的安装示意图：

本发明的电路板尺寸能够缩小到11mm*10mm，能够安装于通用9G舵机内部，第一接口b和第二接口c安装于控制板两侧于舵机底盖d两侧壁开孔处伸出方便使用舵机线级联各舵机，RGB三色灯a放置在控制板底部贴近侧壁的位置，舵机底盖d可使用半透明材质注塑件使底盖部分透光，可增强RGB三色灯a的灯光效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。