2012基于PIC电动执行控制器的系统设计 本科论文 .doc

本科毕业设计说明书基于PIC电动执行控制器的系统设计THE SYSTEM OF ELECTRIC ACTUATOR CONTROLLER BASED ON PIC 学院（部）：电气与信息工程学院 专业班级： 电气08-3 学生姓名： 孙燕桥 指导教师： 杨岸 副教授 2012 年 5 月 12 日安徽理工大学毕业设计基于PIC电动执行控制器的系统设计摘 要本文旨在设计一种三相调节型电动执行器专用控制模块，它可以接收来自DCS等系统或PLC等控制器的4-20mA电流信号，控制电动执行器对阀门的打开或关闭。可进行两线式比例控制：1、4mA阀门全部关闭，20mA阀门全部开启；2、20mA阀门全部关闭，4mA阀门全部开启。该模块集相序、阀位变送、隔离放大、功率驱动等诸多功能于一体，具有缺相保护、过力矩保护、禁动延时保护、鉴相报警、丢信保护、掉电记忆、温度保护等完善的保护功能。还可加配现场旋钮板和红外遥控器，实现较高防护等级的现场操作。该模块还具有完美的人机交换界面，从而实现对阀门的各种控制。该模块具有抗干扰能力强、性能可靠、抗震、防潮、体积小、接线简单、调试方便等优点。现已广泛应用于各种阀门电动装置产品上。关键词： 电动执行器，电流信号，保护，现场操作 THE SYSTEM OF ELECTRIC ACTUATOR CONTROLLER BASED ON PICABSTRACT This article aims to design a three-phase modulating electric actuator control module, it can receive the 4-20mA current signal from the DCS and other systems or PLC controller, to control electric actuator on the valve to open or close. Two-wire proportional control: 1. 4 mA valve closed by 20mA valve fully open; 2. 20 mA, the valve closed by 4mA valve fully open. The module sets the phase sequence, the valve position transmitter, isolation amplifier, power driver and many other functions in one, with the lack of protection, over-torque protection, forbidden to move to delay protection, alarm phase, the lost letter of protection, power-down memory, temperature protection and other protection features. Also increase with field knob plate and infrared remote control, on-site operation to achieve higher degrees of protection. The module also has a perfect man - machine interface, in order to achieve a variety of control valves. The module has a strong anti-interference ability, reliable performance, seismic, moisture, small size, simple wiring, commissioning, etc. Has been widely used in electrical installations of all kinds of valves.KEYWORDS：electric actuator, current signal, protection, Site operations43目录摘要(中文) 摘要(外文)1绪论1 1.1 引言 1 1.2 执行机构结构 1 1.3 执行机构的应用领域 21.3.1 发电厂 21.3.2 过程控制21.3.3 工业自动化 2 1.4 现在国际上知名公司 31.4.1 英国的罗托克（ROTORK） 31.4.2 美国的乔登（JORDAN） 41.4.3 ABB 41.4.4 德国的西门子（SIEMENS） 52系统硬件设计 6 2.1系统结构框图 6 2.2 单片机最小系统6 2.3 系统电源设计72.3.1 LM7812使用介绍 72.3.2 LM7525使用介绍 82.3.3 系统电源结构 92.3.4 仿真结果 9 2.4 PWM转4-20mA输出电流模块 112.4.1 需求分析 112.4.2 电路原理图 112.4.3 电路结构原理分析 112.4.4 简化分析计算 112.4.5 可调线性度 12 2.5 远方电流及阀位采样122.5.1远方电流采样 122.5.2 阀位电阻采样 13 2.6 限位及力矩开关信号13 2.7 继电器驱动电路14 2.8 鉴相电路15 2.8.1需求分析 15 2.8.2电路结构 16 2.8.3电路原理分析17 2.8.4计算分析 19 2.9 缺相电路20 2.9.1缺相电路结构 20 2.9.2电路仿真结果 20 2.10 旋钮板电路21 2.11 人机界面23 2.11.1液晶显示电路 23 2.11.2液晶引脚接口定义 23 2.11.3串行SPI时序 24 2.11.4实测显示界面 24 2.12 遥控电路24 2.12.1芯片结构图 25 2.12.2 PT2221引脚定义 25 2.12.3 发射部分电路 26 2.12.4 代码特征 26 2.12.5 红外接收部分 28 2.13 电气接线283 系统软件设计 29 3.1 软件设计需求29 3.2 软件运行环境30 3.3 函数结构设计31 3.3.1 主函数流程图313.3.2 主函数323.3.3 输出电流函数流程图333.3.4 输出电流函数343.3.5 鉴相函数流程图343.3.6 阀门运行函数流程图353.3.7 正作用函数流程图364 系统测试 37 4.1测试方法 37 4.2测试现象 37结论39参考文献 40谢辞 411 绪论1.1 引言水、汽、油等流体与工业发展有着密切联系，而流体在工业上的应用离不开管网系统，有管网必然有阀门。随着工业自动化的发展，传统的手工机械调节方式在许多场合已不再适用。要实现管网系统的工业自动化管理，更是离不开电动阀门这个管网系统中的执行机构。在某些应用场合，对阀门的控制不仅仅是简单的开关控制，还涉及到开度控制以及流量等各种关系控制，这对阀门电动执行机构控制器的智能型提出了更高的要求。文中应用微处理器设计了一种阀门控制系统实现了阀门执行机构控制的智能化。1.2 执行机构结构执行机构使用液体、气体、电力或其它能源并通过电机、气缸或其它装置将其转化成驱动作用。基本的执行机构用于把阀门驱动至全开或全关的位置。用与控制阀的 执行机构能够精确的使阀门走到任何位置。尽管大部分执行机构都是用于开关阀门，但是如今的执行机构的设计远远超出了简单的开关功能，它们包含了位置感应装 置，力矩感应装置，电极保护装置，逻辑控制装置，数字通讯模块及PID控制模块等，而这些装置全部安装在一个紧凑的外壳内。电动执行器的执行机构和调节机构是分开的两部分，其执行机构分角行程和直行程两种，都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，作用是将输入的直流电流信号线性的转换为位移量电动执行机构安全防爆性差，电机动作不够迅速，且在行程受阻或阀杆被扎住时电机容易受损。但是由于执行器本身具有伺服功能，无须外接伺服放大器；可以带过载保护单元；任意选择正反动作；断电后阀门自锁；电动机内部有温度保护开关从而保护电机不被烧毁的等特点。电动执行器在不断改进有扩大应用的趋势。随着自动化，电子和计算机技术的发展，现在越来越多的执行机构已经向智能化发展，很多执行机构已经带有通讯和智能控制的功能，比如很多厂家的厂品都带现场总线接口。我们相信今后执行器和其他自动化仪表一样会越来越智能化，这是大势所驱。1 早期的工业领域，有许多的控制是手动和半自动的，在操作中人体直接接触工业设备的危险部位和危险介质（固、液、气三态的多种化学物质和辐射物质），极易造成对人的伤害，很不安全； 2 设备寿命短、易损坏、维修量大； 3 采用半自动特别是手动控制的控制效率很低、误差大，生产效率低下。 基于以上原因，执行机构逐渐产生并应用于工业和其它控制领域，减少和避免了人身伤害和设备损坏，极大的提高了控制精确度和效率，同时也极大提高了生产效率。今年来随着电子元器件技术、计算机技术和控制理论的飞速发展，国内外的执行机构都已跨入智能控制的时代。1.3 执行机构的应用领域1.3.1 发电厂典型应用有： 火电行业应用 送风机风门挡板,一次进风风门挡板,空气预热风门挡板,烟气再循环,旁路风门挡板,二次进风风门挡板,主风箱风门挡板,燃烧器调节杆,燃烧器摇摆驱动器,液压推杆驱动器, 叶轮机调速烟气调节阀,蒸气调节阀,球阀和蝶阀控制,滑动门,闸门。 其它电力行业的阀门执行器应用 球阀,除尘控制喷水叶轮机转速控制,控制大型液压阀,燃气控制阀,燃烧器点火启动蒸气控制阀,冷凝水再循环, 脱氧机，锅炉给水，过热控制器，再加热恒温控制器，及其它相关阀门应用。 1.3.2 过程控制用于化工、石化、模具、食品、医药、包装等行业的生产过程控制，按照既定的逻辑指令或电脑程序对阀门、刀具、管道、挡板、滑槽、平台等进行精确的定位、起停、开合、回转，利用系统检测出的温度、压力、流量、尺寸、辐射、亮度、色度、粗糙度、密度等实时参数对系统进行调整，从而实现间歇、连续和循环的加工过程的控制。1.3.3 工业自动化 用于较为广泛的航空、航天、军工、机械、冶金、开采、交通、建材等方面，对各类自动化设备和系统的运动点（运动部件）进行各种形式的调节和控制。 过程控制和工业自动化方面的主要应用举例如下： 在硫矿生产中的应用 注水流量控制球阀和碟阀控制 碳酸钾管道阀门执行器的应用 滑动门分流器 闸门球阀和蝶阀 球型控制阀 水处理阀门执行器的应用 液流流量控制调压阀压力控制 酸溶液流量控制 石灰石/水泥厂阀门执行器的应用 球或蝶阀控制，处理干水泥，石膏，或液体送风和引风机，调节型风门挡板，旁路风门挡板，环境污染控制和除尘装置滑动门，对在料斗和储藏库的原材料进行物流控制，闸门，控制原材料在进料口的流量，燃气控制阀，调节转炉上燃烧器进气量，蒸气控制阀 控制生产过程所需的蒸气。 在谷物加工厂执行器的应用 闸门，分流阀，分配器，物料卸货器/加热器，除尘隔离挡板，气流控制(物流干燥)，球阀和蝶阀控制。 钢厂风门挡板和阀门执行器的应用 球或蝶阀控制，控制冷却水，废水，或其它冷却介质，调节型风门挡板，送风和引风机旁路风门挡板，闸门，环境污染控制和除尘装置，滑动门，控制原材料在进料口的流量对在料斗和储藏库的原材料进行物流控制，燃气控制阀，蒸气控制阀，调节转炉上燃烧器进气量控制生产过程所需的蒸气 。铝厂风门挡板和阀门执行器的应用 送风机风门挡板，一次进风风门挡板，空气预热风门挡板，烟气再循环，旁路风门挡板 二次进风风门挡板，主风箱风门挡板，燃烧器调节杆，燃烧器摇摆驱动器，液压推杆驱动器，叶轮机调速，烟气调节阀，蒸气调节阀，球阀和蝶阀控制，滑动门，闸门。 过程控制挡板的应用 空气补充，排风机旁路，热/冷风混和应急关断。 在石油工业中的应用 注油工艺流量控制，气举管路主阀门压力控制，注水工艺流量控制，油井油质采样试验 / 生产用阀门。 在天然气生产和输送工业的应用 气举气流流量控制，气管路主阀门压力控制，压缩机喘振控制，天然气压力控制，天然气管路主阀门压力控制，应急关断，天然气调压器控制，压力控制，压缩机喘振控制，流量控制。 1.4 现在国际上知名公司1.4.1 英国的罗托克（ROTORK）从20世纪90年代初期，国外一些生产电动执行机构的厂商，就开发了新的产品占领市场。较早的是英国劳托克（ROTORK），于1995年推出了IQ型智能电动 执行机构。IQ系列智能电动执行机构是英国劳托克（ROTORK）公司推出的较早一代智能型电动执行机构，它的执行机构基型是ROTORK多转电动执行机 构，在此基础上，加上微处理器和外围芯片电路、软件实现智能控制。它采用红外线手操器来设置执行机构参数，所以能实现无需“开盖”调拭技术。它的限位机构 通过霍尔传感器产生数字信号来设定，力矩保护通过测试电机电流和磁场来获得。这种通过霍尔传感器产生数字信号来设定，力矩保护通过测定电机电流和磁场来获 得。这种通过电子传感器取代常规的计数器传动机构及凸轮开关组件便于局部工况监视及安全保障并简化调试工作。1.4.2 美国的乔登（JORDAN）美国乔登控制公司成立于1955年，从开始到现在一直专业生产电厂挡板电动执行机构，特别是在苛刻工况下（比如：环境温度高，安装位置受限制和不易维护，动 作频繁等），乔登的产品一直是世界上大多数用户的首选，这是由于制造商近五十年的经验累积和先进的设计制造思想使然。在这个领域，特别是高调节频度（每小时执行机构能动作的次数达到2000次到4000次）的调节型应用方面，在欧美市场占有率达到70以上，唯一能和它竞争的是德国 HARTMANN& BRAUN，但后者的价格是它的三倍以上。 乔登的主要优势在于高调节频度（2000-4000次/小时），一体化（电机、伺服放大器和传动机构），永久润滑免维护，任意位置角度安装，正齿轮和苏格兰轭传动机构等。目前国内的知名品牌（如：ROTORK, SIPOS,AUMA等）无一例外都采用分体设计，特别是减速箱的寿命是很短的。采用涡轮涡杆传动机构，磨损大，发热量高，传动效率低，寿命短，调节频度 最高只能达到1200次/小时。而且要定期润滑维护和不能任意位置安装。 主要系列：SM、LA、MV、VA、EH、TA-1200、MC-1100、SM/LA-3300 。1.4.3 ABB ABB 与中国的往来可追溯到本世纪初：早在1907年，ABB就向中国政府提供了一套蒸汽锅炉。随着业务的不断发展，集团于1974年在香港创立了中国地区总部。1994年底把中国地区总部迁至北京。1995年，ABB公司在北京注册了独资的控股公司：阿西亚.布朗. 勃法瑞（中国）投资有限公司，负责中国地区的所有投资活动。目前，ABB中国在上海、广州、重庆、沈阳、武汉、青岛、南京、西安、成都、福州、哈尔滨、天 津、大连、济南、杭州、昆明、南宁、深圳、郑州、长春、长沙和香港等地拥有23家销售机构，在北京、上海、广州、重庆、厦门、合肥、新会、中山、香港等地 拥有27家合资/独资企业，员工人数达到6000多名。 主要系列：ONTRAC（MOE700、MME 800） Ontrac系列智能电动执行机构是ABB公司近年推出的智能电动执行机构产品。它的执行机构基型也是多转电动执行机构，它的智能控制器安装在执行机构内，有操作面板直接 操作，LCD显示，通过菜单式操作，设置执行机构参数。它采用霍尔传感器来获得位置信号。通过微处理器对电机转差S推算出力矩，并与用户设定的力矩超限值 进行比较，一旦超限电机被迫停止运动，微处理器发出报警信号。这种电子式力矩保护方式，省去过程传统的弹簧、机械式开关，调试很方便。该执行机构还能进行 变频调速控制及阀门特性修正。除传统控制信号4-20mA可选外，还提供PROFIBUS DP/V1，通讯接口。 1.4.4 德国的西门子（SIEMENS）西门子公司是世界自动化行业的“老大”，SIPOS是SIEMENS Positioner的缩写。于一九零五年生产出世界上第一台电动执行机构，至今已有近百年的研究、开发、生产和销售电动执行机构的经验。SIPOS（西博思）为其电动执行机构的注册商标。 SIPOS 已被广泛应用于全球各个工业生产领域。中国电厂的所有电动汽机旁路上使用的执行机构几乎全部为原装进口SIPOS。西门子公司还分别于1987年和 1992年向中国的两家制造厂出售其SIPOS1系列和SIPOS 3系列的生产技术。西门子公司不断更新技术，相继淘汰了SIPOS 1和SIPOS 3，在全球范围内首次创造性地将先进而又成熟的电机变频控制技术应用于电动执行机构中，采用内置一体化变频器来控制执行机构的电机，并于一九九七年向市场 推出面向新世纪的新一代SIPOS 5系列电动执行机构。 SIPOS 5 于一九九七年底进入中国市场，因其结构简单、技术先进、性能可靠、可进行故障自诊断、智能化程度高且价格适中而备受市场青睐。在短短三年的时间内，中国的七十多家用户相继购买了三千余台，其质量、性能和高性能价格比得到了所有用户的一致赞赏和认同。 为适应市场需要，自一九九九年十月一日起，西门子公司电动执行机构部门从西门子公司庞大的机构中独立出来，以原有注册商标SIPOS为公司名，在德国成为具 有独立法人地位的电动执行机构专业性公司：SIPOS AktorikGmbh（西博思电动执行机构有限公司）。西博思公司的总部及生产厂位于德国的纽伦堡市，并已在全球主要国家和地区设有销售和服务机构。 自一九九九年十月一日起，西门子公司所有于电动执行机构有关的业务已全部转至西博思公司，且西门子公司不再生产电动执行机构。独立后的西博思公司 仍以SIPOS作为其电动执行机构产品的注册商标，但不再属于西门子公司。西门子公司现在是西博思公司的主要用户之一，西博思公司继续想西门子公司提供产品和服务。 2 系统硬件设计2.1 系统结构框图控制系统有两种控制方式：远方控制和现场控制。远方控制为输入4-20mA电流信号去控制电机的正反转，同时由反馈电路输出4-20mA电流信号显示阀门的不同开度。现场控制有旋钮版控制和遥控控制，通过电平信号实现对阀门的开关控制和状态控制。现场控制时可以通过人机界面更完美的实现对阀门的控制。图2-1 系统结构框图2.2 单片机最小系统目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。该系统旨在设计一个电动执行器控制模块，主控芯片为Microchip公司的PIC16F1947单片机芯片，它是一个8位芯片，该节旨在设计该系统的最小系统模块。PIC最小系统包括PIC16F1947芯片、晶振电路、复位电路、ICSP下载电路及必须的滤波电容。PIC16F1947是一款高性能RISC CPU，低功耗，内置EEPROM单元和10位分辨率及14路通道的ADC转换单元，同时可以输出PWM波形。图2-2 PIC最小系统2.3 系统电源设计该系统需要三种不同值的电源，即单片机需要+5V电源，继电器和LM358需要+12V电源,4-20mA电流反馈输出电路需要+24V电源。本系统选用LM7812、LM7824和LM2575三种电源稳压芯片。对于LM7812和LM7824都比较了解，它们分别输出+12V和+24V，属于线性稳压芯片，但转换效率不高。而LM2575属于开关稳压芯片，转换效率可高达88%，有3.3V、5V、12V、15V及ADJ多个电压档次。在设计应用电路时应注意电感、输入输出电容和二极管的选择，根据数据手册中电感曲线图选择330uH的电感；输入电容应大于47uf，并要求尽量靠近电路，本系统选择100uf，而输出电容选择330uf/25V；二极管选择1N5819，IN5819在与LM2575使用时,IN5819的作用是为电感器在LM2575关断期间提供通路，而不是稳压。2.3.1 LM7812使用介绍即使采用运算放大器的串联型稳压电路，仍有不少外接元件还要注意共模电压的允许值和输入端的保护，使用复杂。从图2-3也可以看出，该电路中除两个电容外(Ci取0.33uf)，其余所有元件都可以实现集成化，这就是当前已经广泛应用的单片集成稳压电路集成三端稳压器。它具有体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉等优点。图2-3是LM78系列稳压器的外形、管脚和接线图，其内部电路也是串联负反馈型稳压电路。这种稳压器只有输入端、公共端和输出端三个引出端，故称为集成三端稳压器。LM7824的原理与LM7812的原理相同。（C）图2-3 LM7812应用电路2.3.2 LM7525使用介绍LM2575系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的1A集成稳压电路，它内部集成了一个固定的振荡器， 只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等；芯片可提供外部控制引脚，是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。该系列分为LM1575、LM2575及LM2575HV三个系列，其中LM1575为军品级产品，LM2575为标准电压产品，LM2575HV为高电压输入产品。每一种产品系列均提供3.3V、5V、12V、15V及可调（ADJ）等多个电压档次产品。下图为LM7525的管脚定义图和典型应用图：图2-4 LM7525管脚图和典型应用图2.3.3 系统电源结构图2-5 系统电源模块2.3.4 仿真结果用Multisim仿真得到结果如下图，原理图中LM2575用LM7805替代（库中没找到LM2575）。图2-6 电源仿真结果2.4 PWM转4-20mA输出电流模块2.4.1 需求分析电动执行器需要输出4-20mA的工控标准电流。出于成本压缩的考虑，要避免使用价格昂贵的DA芯片或者带有DA输出的MCU，并且DA芯片占用I/O口数量。争取采用常规单片机的内部资源配合简单的外部电路，实现输出4-20mA电流的功能。本电路可以满足上述条件，并经初步实验验证，此方案可行。2.4.2 电路原理图图2-7 PWM转4-20mA电路图2.4.3 电路结构原理分析由单片机产生输出的PWM信号，经过光耦隔离器，放大器，稳压管，滤波电路，得到一个由PWM占空比和稳压管稳压值决定的可调的电压值，之后由反馈电路将此电压等效的加在采样电阻两端，这样在采样电阻中就可以得到可调的4-20mA电流。（匹配电路相关参数，使采样支路中的三极管稳定工作）图2-8 PWM转4-20mA电路结构图2.4.4 简化分析计算 假设：1、PWM波的占空比为（1-） 2、标定电压值为V431(此电路中TL431的反向稳定电压值为2.5V)则：在TL431的两端得到的电压波形如下图所示图2-9 TL431两端电压波形图由电路分析和试验检测知，上图中的占空比为。上述电压在经过RC滤波之后得到V431的直流电压信号。随后的反馈电路将此电压值等效的加在电阻R7上，则在R7中流过的电流为：I = V431/R7此电流即为电路的输出电流。2.4.5 可调线性度输出电流为4-20mA时的占空比的可调范围： = 20mA - 4mA = I20R7/V431 - I4R7/V431= （I20 - I4）/V431 ）R7可见，的可调范围正比于采样电阻R7。 但当占空比过大时，PWM输出不稳定，并且考虑器件存在的自身误差对电路的影响而要留有一定的余量，最大占空比20mA 应控制在87%-97%为宜。2.5 远方电流及阀位采样2.5.1 远方电流采样阀门有两种控制方式，即现场控制和远方控制。在远方控制的时候，远方会输入4-20mA的工业标准电流信号，从而控制阀门的开阀和关阀。当输入电流信号时，经过I/V转换电路，再经过三级滤波电路，得到采样电压值，从而将采样得到的电压值送入单片机的ADC接口进行AD转换，转换后的结果为数字量，不同的电流信号对应不同的数字量，再利用软件算法转换为阀位显示在液晶上。图2-10 远方电流AD采样框图图2-11 电流采样电路输入的电流信号经过滤波、电压跟随、滤波、稳压最终送入单片机进行处理，其中1N4733的作用保护单片机的，将电压稳定在5.1V。2.5.2 阀位电阻采样电动执行器在开阀关阀的过程中，阀位电阻器阻值将会随之发生变化，从而导致 其对应的电压会发生变化，以下采样电路就是将变化的电压送入单片机的AD转换接口，转换为不同的数值量，再利用软件算法讲不同的数字量对应不同的阀门开度，即阀位值，在液晶上显示出来。图2-12 阀位采样电路输入的电流信号经过滤波、电压跟随、滤波、稳压最终送入单片机进行处理。2.6 限位及力矩开关信号电动执行器的开关限位和过力矩都属于机械式的，由于选用常闭式开关，则当顶开开限位开关时，表示阀门已经到了全关的位置，此时控制器发出命令停止阀门动作，开限位同理。阀门在动作的过程中，有可能会发生过力矩，此时应立即停止阀门动作，从而保护电机。系统中设计了检测过力矩信号电路，当发生过力矩时，会产生一个过力矩信号送入单片机，单片机接收到信号好后，立即执行停止阀门动作命令，当阀门停止后，即使你再次按原来的方向控制阀门，此时阀门不会动作，而只有当你反转一下才能解除过力矩信号，这种关系是在软件中涉及到的，目的是为了保护电机。同时，当系统断电后再次上电，按原来方向控制也不会动作，因为软件中设置了力矩断电保护功能，即当过力矩时已经将过力矩信号写入了EEPROM存储器中，即使掉电也不会丢失过力矩信号，只要在上电的时候读一次存储过力矩信号的EEPROM，就会相应执行停止按原来方向动作的命令。图2-13 开关信号电路TSC、TSO分别为关过力矩信号和开过力矩信号，LSC、LSO分别为关限位信号和开限位信号。电路中TLP521-4为光耦隔离器，正常情况下光耦隔离器导通，开关信号为低电平，当限位或过力矩时，开关信号为高电平，此时单片机接收到高电平信号，执行停止命令。2.7 继电器驱动电路 继电器驱动电路包括正反转互锁电路，经过光耦隔离器，三极管驱动继电器动作，当继电器动作后可以控制交流接触器吸合，从而控制电动机正反转。图2-14 继电器驱动电路图中，当Forward为高电平，Fallback为低电平时，Q5导通，则U9B光耦导通，Q7导通，此时继电器线圈带电吸合，驱动交流接触器控制电机动作；当Forward为低电平，Fallback为高电平时，Q4导通，则U9A光耦导通，Q6导通，此时继电器线圈带电吸合，驱动交流接触器控制电机动作；如果Forward或Fallback其中一个为低电平时，而此时再次使另一个变为低电平，这样两个继电器都不会动作，这就是互锁原则。TYCJ接交流接触器来控制电机的正反转，并实现交流接触器互锁。2.8 鉴相电路2.8.1 需求分析三相电的相序影响着的三相交流电动机的正反转，在很多应用场合，电动机的三相电相序会发生变化，这样就会导致电动机按相反的方向转动，这样的情况一般是不允许的，会损坏电机。因此，在设计电动执行器控制模块的时候就很有必要设计三相电相序检测电路实时检测三相电的相序，一旦三相电相序发生变化，在软件设计中应该改变电机正反转的对应关系，即与没有发生相序变化之前的控制指令相反。三相电有两种相序：ABC和CBA 图2-15 三相电相序图中为正序，为负序，在该系统中定义正序时电机为正转，负序时电机为反转。2.8.2 电路结构 电路中输入的三相电经过阻容移相电路、整流电路后驱动光耦隔离器导通和关断，其中，一种相序电压整流后能驱动光耦导通，另一种相序则关断光耦。当光耦导通时，比较器LM339N的输入电压大概为4.7V左右，高于电压比较基准值Vref = 2.5V，则比较器的输出为高电平；另外光耦关断时，比较器的输出则为低电平，输出的这两种电平送入单片机进行处理，单片机收到高电平时如果处理成正序，则会在收到低电平时会处理成负序，从而控制电机正反转。图2-16 三相电相序检测电路2.8.3 电路原理分析 （1）当三相电的相序为ABC时，对应的三相电波形如下:图2-17 相序波形图1电路中将380V设置成200V目的是使得波形图能更好的显示出来，只是看相位关系，幅值不影响结果。图中黄线为A相，蓝线为B相，红线为C相。在这种相序下，光耦前端的电压波形为：图2-18 相序检测电路及电压波形（1）在这种相序下,光耦没有导通，电容C3两端的电压为1.31V（漏电流造成），低于电压比较基准值Vref = 2.5V，故比较器的输出端为低电平。（1） 当三相电的相序为CBA时，对应的三相电波形如下:图2-19 相序波形图2在这种相序下，光耦前端的电压波形为：图2-20 相序检测电路及电压波形（2）在这种相序下，光耦导通，电容C3两端的电压为4.61V，高于电压比较基准值Vref = 2.5V，故比较器的输出端为高电平。通过这种方式既可以检测三相电的相序，从而防止了电动执行器阀门在运行过程中由于相序发生变化而出现的故障。2.8.4 计算分析设AB两相电压为，BC两相电压为，那么进入整流器端的电压 = R + = （R + ） = （R - ）= （R - ）从以上公式还不能确定在两种相序下哪种相序能使光耦导通，因此必须画出相序向量图才能判断，从下图的相序图中很明显得知当相序为ABC时上述公式结果小于相序为ACB时的结果，而从计算结果看第一种相序得到的电压值不足以使光耦导通，而另外一种相序电压值可以导通光耦，故可以用这种方式判断相序。图2-21 正、负序合成图2.9 缺相电路2.9.1 缺相电路结构对于使用三相交流电的用电设备，一个最基本的可靠性保护功能就是三相输入缺相检测功能，当三相输入中任何一相电压缺相时，该电路模块输出缺相告警信号。通过对告警信号的处理，保证了对用电设备的安全保护。该系统在检测到三相电缺相时会发出警报信号，同时停止电动机动作。不缺相时两个光耦都会导通，此时两个LM339N的输出都为高电平，则380VPU也为高电平，该电平送入单片机，当有缺相时，至少有一个光耦不会导通，则380VPU为低电平，当单片机接收到低电平时就认定为缺相，故此时发出警报信号并停止动作。图2-22 缺相检测电路2.9.2 电路仿真结果 当三相正常工作时，从以下电路的仿真结果中可以很明显的看出，两个光耦后端的电压都大于Vref = 2.5V，故LM339N的输出端都为高电平，而两个LM339N的输出端的值线性与之后的结果会送入单片机I/O口，此时单片机接收到高电平信号后，在软件设计中对接收到的高电平进行处理，对于接收到高电平信号后，逻辑设计电动执行器正常工作。图2-23 缺相检测电路1当三相中至少有一相缺相时，现在假设A相缺相，从以下电路的仿真结果中可以很明显的看出，第一个个光耦后端的电压小于Vref = 2.5V，故两个LM339N的输出端线性与上之后为低电平，单片机接收到信号后就会发出警报信号，停止相关动作。图2-24 缺相检测电路22.10 旋钮板电路在设计控制模块的时候，有两种控制电动执行器的方式：远程控制和现场控制。现场控制的时候又有两种模式，即旋钮版控制和红外遥控器控制。旋钮版控制电路主要是应用霍尔传感器来实现对阀门的非侵入式式控制。当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为 U=KIB/d 其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛伦慈力Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度。由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如右图所示。磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。当没有信号产生时，可以改变一下磁钢的方向，霍尔对磁钢方向有要求。没有磁钢时输出高电平，有磁钢时输出低电平。图2-25 霍尔传感器接线图图2-26 旋钮版电路图中U1为霍尔传感器，没有磁钢靠近时，霍尔传感器输出高电平，D1截止，Q1的基极为高电平，Q1截止，故output为低电平；当磁钢靠近时，Q1导通，output为高电平。电路输出的高低电平送入单片机，单片机接收到高电平时执行相应命令，如output为开阀信号时，则执行开阀动作；接收到低电平时则保持停止。2.11 人机界面2.11.1 液晶显示电路本系统还设计了人机交换界面液晶显示板，可以很直观的从液晶上得到当前的操作模式和阀门位置。电路中液晶为LCD12864，使用的是ST7565芯片，采用串口传输方式，节省了I/O口。图2-27 液晶显示电路2.11.2 液晶引脚接口定义表2-1 液晶引脚接口定义该系统使用的是串行SPI时序，股引脚1-6没用，引脚7做时钟线，引脚8数据线。2.11.3 串行SPI时序图2-28 串行SPI时序2.11.4 实测显示界面下图为实测液晶显示图形界面：图2-29 实测显示界面2.12 遥控电路在现场控制时，可以使用旋钮版进行控制，同时还可以使用遥控器进行控制。要实现遥控，必须包括发射部分和接收部分。发射部分设计在遥控器上，利用PT2221芯片以38KHZ的发射频率发射出串行数据。红外遥控抗干扰，随着工业化的步伐越来越快，各种电器产生电波相互交叉，如果使用电波遥控，不仅会受到其他电器的干扰，也会干扰其他电器正常运行，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰；体积小，现在的红外一体化的接收头将红外接收管和放大电路封装在一起，体积非常小，稳定性和寿命大大加强;低功耗，体积的减小必然带来功耗的降低，普通的5号电池就可以给它长期供电;成本低，体积小直接导致了红外接收头的成本降低，再加上国内各红外接收头生产厂家价格竞争激烈，现在红外接收头一般都在2元以下;灵敏高，为了适应红外遥控在各领域的应用，红外接收头的芯片厂商已经将红外接收头的灵敏度做到一个很高的程度，遥控距离可以达到50米以外。2.12.1 芯片结构图下图是PT2221芯片示意图：图2-30 PT2221芯片2.12.2 PT2221引脚定义表2-2 PT2221引脚定义管脚描述Vss地KI0-KI3键盘行控制，高电平有效REM串行数据输出引脚，38KHZ发射Vdd1.8V-3.5VSEL选择引脚，置“1”OSCO/OSCI455KHZ晶振CCS低八位地址码输入LMP输出LED指示灯KI/O0-KI/O7键盘列控制2.12.3 发射部分电路 下图是芯片部分接线图，LED102为红外发射管，数据以38KHZ的发射频率向外发射。图2-31 芯片接线图图2-32 按键扫描电路当按下不同按键时，芯片就将不同的键码以38KHZ的频率发射出去，当接收部分接收到键码时再对其进行解码。2.12.4 代码特征（1） PT2221键码的形成 当一个键按下超过36ms，振荡器使芯片激活，如果这个键按下且延迟大约108ms,这108ms发射代码由一个起始码9ms,一个结果码4.5ms,低8位地址码（9ms-18ms）,高8位地址码（9ms-18ms）,8位数据码（9ms-18ms ）和这8位数据的反码 （9ms-18ms）组成。如果键按下超过108ms仍未松开，接下来发射的代码将仅由起始码9ms和结束码2.5ms组成。（2） 代码格式位定义单发代码格式连发代码格式2.12.5 红外接收部分红外接收部分比较简单，SMT1838是一种红外接收头，当接收到数据后将其送入单片机，单片机再对这些数据进行解码，从而执行相应的命令。OUT为数据接收端，接到单片机I/O口。图2-33 红外接收电路2.13 电气接线电气接线也是产品制作过程中一个不可缺少的过程，也是调试产品前必须进行的一个重要的步骤，如果电气接线出现问题，在接下来的调试中肯定会出现各种问题，导致调试不能到达预期结果，甚至不能进行。在控制模块上留有接线端子，只要把电机上的相应端子接到模块上，系统上电之后就能按预定的模式运行。下图即为该控制模块的接线图，图中端子接三相电源，接交流接触器，控制电机正反转，右侧为交流接