2019年基于PIC电动执行控制器的系统设计本科论文.doc

1、发巌理工大竽ANHUI LNIVEKSITY OF SCIENCE & TEEHNOURiY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 CONTROLLERBASED 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

2、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2THE SYSTEM OF ELECTRIC ACTUATOR C

3、ONTROLLERBASED ON PICABSTRACTThis article aims to desig n a three -p hase modulat ing electric actuator control module, it can receive the 4-20mA current signal from the DCS and other systems or PLC con troller, to con trol electric actuator on the valve to open or close. Two-wire prop orti onal con

4、 trol: 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 p hase seque nee, the valve po siti on tran smitter, isolati on amp lifier, po wer driver and many other functions in one, with the lack of protection, over-torque pr otecti o

5、n, forbidde n to move to delay p rotecti on, alarm p hase, the lost letter of pr otecti on, po wer-dow n memory, temp erature pr otecti on and other p rotecti on features. Also in crease with field knob p late and in frared remote con trol, on-site op erati on to achieve higher degrees of p rotecti

6、on. The module also has a p erfect man - machi ne in terface, in order to achieve a variety of con trol valves. The module has a strong anti-interferenee ability, reliable performanee, seismic, moisture, small size, sim pie wiri ng, commissi oning, etc. Has bee n widely used in electrical in stallat

7、i ons of all kinds of valves.KEYWORDS : electric actuator, current signal, p rotection. Site op erations安徽理工大学毕业设计5目录扌摘 （ P中 ） 扌I询（夕卜文）1 绪论弓言 执行机构结构 执行机构的应用领域1.3.1 发电厂1.3.2过程控制1.3.3 工业自动化1.4 现在国际上知名公司1.4.1英国的罗托克1.4.2美国的乔登（ n(ROTORK JORDAN 1.4.3 ABB 1.4.4德国的西门子2系统硬件设计 系统结构框图-单片机最小系统系统电源设计2.

8、3.1 LM7812使用介绍2.3.2 LM7525 使用介绍 (SIEMENS 2.3.3系统电源结构 92.3.4仿真结果 92.4 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 122.5远方电流及阀位米样122.5.1远方电流米样 122.5.2阀位电阻米样 1382.6限位及力矩开关信号132.7 继电器驱动电路2.8 鉴相电路14152.8.1需求分析 2.8.2电路结构 2.8.3电路原理分析2.8.4计算分2.9缺*相电路2.9.1缺相电路

9、结构2.9.2电路仿真结果2.10旋钮板电路2.11人机界面2.11.1液晶显示电路 2.11.2液晶引脚接口定义2.11.3串行SPI时序2.11.4实测显示界面2.12遥控电路2.12.1芯片结构图 2.12.2PT2221引脚定义2.12.3发射部分电路2.12.4代码特征 2.12.5红外接收部分2.13电气接线3系统软件设计 1516171920202021232323242424252526262828293.1 软件设计需求3.2 软件运行环境3.3 函数结构设计3.3.1主函数流稈图3.3.2主函数3.3.3输出电流函数流程图3.3.4输出电流函数3.3.5鉴相函数流程图3.3

10、.6阀门运行函数流程图3.3.7正作用函数流程图4系统测试29303131323334343536374.1 测试方法4.2 测试现象结论参考文献谢辞 3737394041安徽理工大学毕业设计1绪论引言而流体在工业上的应用离不开管网系 传统的手工机械调节方式在许多场合 更是离不开电动阀门这个管网系统中水、汽、油等流体与工业发展有着密切联系， 统，有管网必然有阀门。随着工业自动化的发展， 已不再适用。要实现管网系统的工业自动化管理， 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

11、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

12、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

13、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，

14、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

15、、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

16、，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

17、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

18、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 ROTOR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

19、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。142 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

20、，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& BRAU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：ROTORKS IP OS,AUM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-

21、1100 SM/LA-3300。1.4.3 ABB23家销售 拥有27家合1994 年 阿西亚.ABB中国 津、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。 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： 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， 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 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 机构，在北京、上海、广州、重庆、厦

22、门、合肥、新会、中山、香港等地 资/独资企业，员工人数达到6000多名。主要系列：ONTRACMOE70C MME 800S推算出力矩，并与用户设定的力矩超限值 微处理器发出报警信号。这种电子式力矩保护方式， 调试很方便。该执行机构还能进行变频调速控制4-20mA可选外，还提供PROFIBUDP/V1，通讯接口。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

23、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， 省去过程传统的弹簧、机械式开关， 及阀门特性修正。除传统控制信号144 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 P ositi on er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

24、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。 SIP OS5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

25、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

26、继续想西门子公司提供产品和服务。412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，

27、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 EEPR0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

28、PIC最小系统1ZVWV1T2.3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330u H的电感；输入电容应大于47uf

29、，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 压电路一一集成三端稳压器。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LM78X系列稳压器的外

30、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。(a)(b)220V*(Q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 LM

31、1575 LM2575及 LM2575HS个系列，其中LM1575为军品 级产品，LM2575为标准电压产品，LM2575HV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：咅曲、错a脚5 T6220 (T)I-.7V - 10V(&0V for HV)UNREGULATEDDC IIIMPUTFEEDBAtk丄C1NLM2576/LM2576HV-5.04L1100 mH DI 1N5B22OUTPUT丽/OFF+ 57REGULATED OUTPUT 3A LOAD-p 1000 对图2-

32、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。I-4 C14r0uFLH7812CTC933时TiOOuFcnzbltWnFI C15丰珈nF+5VU3LMf CHIa- ICIS IMrtF4r+24vXSC2ZSCl. C1761OOuFI空ReverseU2 LM7824CTC19 ICWnFfarTnt= O scSIlCo SCO p# -XSC1;曲T2-T1TrieChanndAChannel_B315.O1J ms12.30

33、2 V5.003 V315.013 ms12.302 V5.002 V0.000 sO.IOOO V0,000 V% sSaveExt. TriggerrI. I療 Oscilloscope-XSC2Reversen 4- 门7T2”T1Time45X0 SmsChannel A23.525 VChanne_B-hJ71Mh HSave I Ext. Triggerr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4-20mA电流的功能。本电路可以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M

34、CU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 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2.4.3 电路结构原理分析之后由反馈电路将此电压等4-20mA电流。（匹配电路由单片机产生输出的PWMI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， 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 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、PW波的占空比为（1- E）2 、标定电压值为V431（

35、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E 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 R上，则在R中流过的电流为：I = E V431/R7此电流即为电路的输出电流。245 可调线性度 输出电流为4-20mA时的占空比E的可调范围： E = E 20mA - E 4mA = I 20 - R7/V431 - I 4 F7/V431=(I 20 - I 4) /V431 ) R7可见，E的可调范围 E正比于采样电阻R

36、7。但当占空比过大时，PWM&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 E 20mA应控制在87%-97%为宜。2.5远方电流及阀位采样2.5.1远方电流米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米样框图图2-11

37、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

38、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 EEPR0存储器

39、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 EEP ROM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TSG 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

40、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

41、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： LBtC和C BA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LM

42、339N勺输入电压大概为4.7V左右，高于电压比较基准值 Vef = 2.5V，贝吐匕较 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A-B-C时，对应的三相电波形如下：A200 Vrms GIND 常 HeB -& 20D Vrms 50 Hl 1羽C1=p10nF2|300kO： ；M Pos fe300kD；、；：/；I 11 1138LUVCCcTLPSZI-IYKrabeO

43、r iC-280 Vrms50 Hz24(rR4 3(HIkQD2Z1N4D07D41M4O07*C310kfl 10uF 0 !V： L5LVV(p-p)： 79.SmV Vftns)： L4OVV(dc)1 1.38 VI： inuAI)p-p): 7，5 liA Kms)： K uA133 u A Freq.: lie Hr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C- B-A时，对应的三相电波形如下：AIO200 Vrms

44、gnd汕丄C1 丰 IDnFllO3(K)kQB-&200 Vrms 50 Hz 240C2C0-GND 200 Vrms 50 Hz 12300 kQMPos OsCHI lOOV CH2 .卿 M2msT*ni Hl III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:11 111 CHI伽A20fl Vrms 50 HzGMDCl10nFXGMDB-200 Vrims 50 Hz 2d011JkkQ3C21OnF10wv-R4 300kQD11N4007 ZD2ilN4007D3 1N4O07041N4007200 VnriE50 Hz图 2-20Ls.vccTIP 521

45、 trDbe.ProM i1咂帝谢mv严,WiErms)； lHeiF3&0 Vrms50 Hz3 盹 Vrms50 Hl24030&kD11C14 lOnF1H4M7141715C2ztltWnFtowv-R2 3(K)kQ13xVGNDTLP 521JTLP 521-3Vt 4.MV VOllHD： SSZmV W臨效(W： 4.67V Vfiy|)i 4,66 V I:4MuA iQllHD： 55.2L1A 1(效 ：467uA 1M 46 UA 频率：50.0 HzVi 4.74VVQllHD： 551 mVV4.67 V叭置翩4.67VI: 474qAICW效闻:书7uAI直流）：

46、467uA 频率：SkO Hz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Vef = 2.5V，故两个LM339N的输出端线性14VCC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。R1-Wv-3O0kQBl33B0 Vrms MHz38D Vrms GND50 Hz亡tGMDlOnFD2ii(mo7TLP52V215C2土個nFR2 300kDJ10kO :10uFVCC1 丄U1AJvcSVJ 干、k| nTLP521-2VI 1JQ3ljV 呵iHU： 121 nV XW效值

47、)：103 UV 直淙S)：血3UV 1: 10,3 nA IQllNI： 114 pA 1有想值)：10.3 nA 道谛)：10.3 nAY： 4.52 VVml）： 551 mV 机有效値）：加NV值流：空川Ir 452 uAKlltS-ll： 55.1UA 酋破值):4&7ijA H5為：酯7uA 频至；50,0Hr图2-24缺相检测电路2远程控制和现场控制。现2.10 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: 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=K- I B/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