0 引言
   閥門廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、航天、交通、城市建設(shè)等行業(yè)。電動(dòng)執(zhí)行器是閥門遠(yuǎn)程控制、集中控制和自動(dòng)控制過程中必不可少的執(zhí)行部件。為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，筆者結(jié)合電子技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種STC89C電動(dòng)執(zhí)行器由51微控制器控制，重點(diǎn)介紹了執(zhí)行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該控制系統(tǒng)增加了自診斷和網(wǎng)絡(luò)操作控制功能，進(jìn)一步提高了流體閥的綜合性能和抗干擾能力。
   1 電動(dòng)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和功能描述
   閥門電動(dòng)執(zhí)行器由控制系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。微控制器是控制系統(tǒng)的核心STC89C51.執(zhí)行裝置采用步進(jìn)電機(jī)。電動(dòng)執(zhí)行器通過上位機(jī)或現(xiàn)場控制面板設(shè)置值。微控制器根據(jù)設(shè)定值控制步進(jìn)電機(jī)的速度和旋轉(zhuǎn)角度，然后通過減速機(jī)構(gòu)控制步進(jìn)電機(jī)的輸出，以控制閥門的開口度。在閥門的輸出側(cè)，傳感器收集流量或壓力數(shù)據(jù)，然后通過A/D轉(zhuǎn)換后，將模塊送入微控制器，將這些參數(shù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整閥門開口精度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制[13]。

   從圖1可以看出，電動(dòng)執(zhí)行器的控制系統(tǒng)主要包括微控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、參數(shù)檢測模塊、人機(jī)交互模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊。
   (1)微控制器
   系統(tǒng)選用STC89C5l作為微控制器，單片機(jī)具有高速(最高時(shí)鐘頻率為90MHz）、功耗低，價(jià)格低，穩(wěn)定可靠，應(yīng)用廣泛，通用性強(qiáng)。
   (2)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
   步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制和轉(zhuǎn)角控制。選擇提高控制精度和可靠性PMM8713PT環(huán)形分配器控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，結(jié)合光電耦合電路和功率放大電路。
   (3)參數(shù)檢測模塊
   為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制和自動(dòng)化，需要收集流體的參數(shù)信號(hào)AD轉(zhuǎn)換后，微控制器進(jìn)行比較，然后通過控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)來控制流體參數(shù)的變化。參數(shù)檢測模塊由流量和壓力傳感器和信號(hào)放大電路組成AD轉(zhuǎn)換電路等組成。
   (4)人機(jī)交互模塊
   人機(jī)交互模塊包括兩部分：參數(shù)顯示和參數(shù)設(shè)置。要顯示的參數(shù)包括流量、流量特性、壓力、閥門工作模式、閥門工作狀態(tài)指示等，顯示設(shè)備的使用LCD。參數(shù)設(shè)置包括流量、故障處理方法、閥門操作速度等，參數(shù)設(shè)置由三個(gè)按鈕完成。
   (5)網(wǎng)絡(luò)通信模塊
   控制系統(tǒng)應(yīng)具有網(wǎng)絡(luò)接口，以滿足網(wǎng)絡(luò)控制的需要。CAN總線是工業(yè)控制中常用的現(xiàn)場總線技術(shù)。因此，該系統(tǒng)被使用CAN接口實(shí)現(xiàn)上下機(jī)之間的通信。
   2 硬件電路設(shè)計(jì)
   2.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
   市場上通用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的成本相對較高。為了降低成本和體積，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與微控制器在同一塊PCB板上。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的核心有兩部分，一部分是功率部分，另一部分是環(huán)形分配器。環(huán)形分配器可以用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)。硬件實(shí)現(xiàn)可以減輕微控制器軟件的工作負(fù)擔(dān)，減少微控制器口線的占用，可靠性高，環(huán)形分配器有許多特殊的集成電路可供選擇。本控制系統(tǒng)的選擇PMM8713PT專用步進(jìn)電機(jī)控制器作為用步進(jìn)電機(jī)控制器可用于2相（4相）步進(jìn)電機(jī)的控制，具有豐富的控制功能。由于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流較大，微控制器與步進(jìn)電機(jī)之間的連接需要一個(gè)功率放大電路。由于步進(jìn)電機(jī)的大功率和高電平會(huì)嚴(yán)重干擾微控制器，微控制器產(chǎn)生的控制信號(hào)不能直接連接到步進(jìn)電機(jī)上，需要強(qiáng)弱電隔離。
   步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。STC89C51PMM8713PT接口分別使用6條口線P0.0、P0.l、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5。PMM8713PT的Cu、Cd接地，Ck收到STC89C當(dāng)脈沖處于下降邊緣時(shí)，51發(fā)出的脈沖P0.4引腳為高電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，P0.4引腳為低電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，即輸入模式和旋轉(zhuǎn)方向采用輸入模式1。R、Φc當(dāng)高電平通過上拉電阻連接時(shí)P0.2、P0.當(dāng)3引腳為高電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)通電模式為雙4相4拍；當(dāng)P0.2、P0.3引腳同為低電平時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電模式為4相8拍；當(dāng)P0.2為高電平、P0.3.低電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)通電模式為4相4拍。P0.0用于檢測環(huán)形分配器是否通電，引腳P0.1用于檢測環(huán)形分配器是否收到STC89C脈沖信號(hào)51發(fā)出。Φ1、Φ2、Φ3、Φ4用于輸出控制步進(jìn)電機(jī)四相繞組的信號(hào)，然后通過光耦電路和功率放大電路控制繞組。Φ1驅(qū)動(dòng)L其他三相繞組的電路驅(qū)動(dòng)方式相同。

   2.2 CAN總線電路
   CAN即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，由于其具有較強(qiáng)的抗干擾能力、通信中沒有地址概念及節(jié)點(diǎn)數(shù)不受限制等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于汽車、數(shù)控機(jī)床、儀器儀表、現(xiàn)場總線控制等領(lǐng)域[56]。CAN總線節(jié)點(diǎn)包括微控制器STC89C51、CAN控制器和CAN收發(fā)器。CAN主要完成控制器CAN總線通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)報(bào)紙的組裝和拆分，接收信息的過濾和驗(yàn)證，在此選擇SJA1000。CAN收發(fā)器選用82C具有瞬時(shí)抗干擾、降低射頻干擾的250驅(qū)動(dòng)器（RFI）以及實(shí)現(xiàn)熱保護(hù)的能力。為了提高通信的抗干擾能力，在SJA1000和82C光耦用于光電隔離，為減少光耦對信號(hào)的延遲，選擇高速光耦6N137.具體電路如圖3所示。

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   2.3 人機(jī)交互模塊
   人機(jī)交互模塊包括按鍵輸入電路和LCD顯示電路，如圖4所示。按鈕使用三個(gè)按鈕來控制閥門的開啟和停止，并設(shè)置一些參數(shù)。LCD顯示器選用LCD1602小型液晶屏用于顯示閥門開度、流量、壓力、故障等重要參數(shù)值，以及相應(yīng)參數(shù)類型的文本描述。液晶屏重量輕，體積小，顯示清晰，顯示容量162個(gè)字符，工作電壓4.5~5.5V。

   2.4 數(shù)據(jù)采集電路
   選用LUGB渦街流量傳感器。流量傳感器由一個(gè)具有相同公稱直徑的表體和一個(gè)具有三角形橫截面的柱組成。三角形柱兩側(cè)交替產(chǎn)生渦旋，柱下游交替排列的渦旋稱為渦旋街，渦旋街的頻率與流體的流速成正比。由于渦旋街分離在柱兩側(cè)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，探頭產(chǎn)生交變應(yīng)力，埋在探頭內(nèi)的壓電晶體元件由交變應(yīng)力產(chǎn)生交變電荷。檢測放大器轉(zhuǎn)換交變電荷，輸出0~5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。電壓信號(hào)通過A/D元件ADC0832轉(zhuǎn)換成數(shù)字后，傳入微控制器STC89C51。
   壓力采集選擇PTJ204型壓力傳感器的量程為0~150MPa，綜合精度為0.1%FS（FS表示全量程)，0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS，供電電壓為DC9~36V。壓力傳感器輸出0~5V電壓信號(hào)通過電壓信號(hào)ADC0832轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，傳遞給數(shù)字STC89C51。
   ADC0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位分辨率和雙通道ADC芯片，輸入輸出電平和TTL/CMOS相兼容，5V輸入電壓為0~5V工作頻率為250kHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32s，體積小，功耗低，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高。正常情況下，ADC0832與微控制器的接口應(yīng)分別為4條數(shù)據(jù)線CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時(shí)不同時(shí)有效，與微控制器的接口是雙向的，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)可以DO和DI并聯(lián)在數(shù)據(jù)線上使用。具體電路如圖5所示。

   3 軟件設(shè)計(jì)
   系統(tǒng)軟件程序的主要任務(wù)包括系統(tǒng)自檢、初始化、鍵盤命令處理、遠(yuǎn)程設(shè)置信號(hào)讀取、顯示、故障處理等。

   4 結(jié)語
   閥電動(dòng)執(zhí)行器控制系統(tǒng)采用液晶屏顯示，不僅可以顯示閥門的開啟、關(guān)閉狀態(tài)和正常運(yùn)行時(shí)的開啟，還可以通過菜單設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可以顯示故障信息。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、靈活、成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能滿足工業(yè)場合的高精度要求，對其他控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考和應(yīng)用價(jià)值。
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