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)。電動執(zhí)行器是閥門遠(yuǎn)程控制、集中控制和自動控制過程中必不可少的執(zhí)行部件。為了滿足實際應(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)計了一種STC89C電動執(zhí)行器由51微控制器控制，重點介紹了執(zhí)行器控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。該控制系統(tǒng)增加了自診斷和網(wǎng)絡(luò)操作控制功能，進一步提高了流體閥的綜合性能和抗干擾能力。
   1 電動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和功能描述
   閥門電動執(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)行裝置采用步進電機。電動執(zhí)行器通過上位機或現(xiàn)場控制面板設(shè)置值。微控制器根據(jù)設(shè)定值控制步進電機的速度和旋轉(zhuǎn)角度，然后通過減速機構(gòu)控制步進電機的輸出，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)定值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整閥門開口精度，實現(xiàn)自動控制[13]。

   從圖1可以看出，電動執(zhí)行器的控制系統(tǒng)主要包括微控制器、步進電機驅(qū)動模塊、參數(shù)檢測模塊、人機交互模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊。
   (1)微控制器
   系統(tǒng)選用STC89C5l作為微控制器，單片機具有高速(最高時鐘頻率為90MHz）、功耗低，價格低，穩(wěn)定可靠，應(yīng)用廣泛，通用性強。
   (2)步進電機驅(qū)動模塊
   步進電機驅(qū)動模塊實現(xiàn)步進電機的速度控制和轉(zhuǎn)角控制。選擇提高控制精度和可靠性PMM8713PT環(huán)形分配器控制步進電機動作，結(jié)合光電耦合電路和功率放大電路。
   (3)參數(shù)檢測模塊
   為了實現(xiàn)閉環(huán)控制和自動化，需要收集流體的參數(shù)信號AD轉(zhuǎn)換后，微控制器進行比較，然后通過控制電機旋轉(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放大電路組成AD轉(zhuǎn)換電路等組成。
   (4)人機交互模塊
   人機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接口實現(xiàn)上下機之間的通信。
   2 硬件電路設(shè)計
   2.1 步進電動機驅(qū)動電路
   市場上通用步進電機驅(qū)動器的成本相對較高。為了降低成本和體積，步進電機驅(qū)動電路與微控制器在同一塊PCB板上。步進電機驅(qū)動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現(xiàn)。硬件實現(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專用步進電機控制器作為用步進電機控制器可用于2相（4相）步進電機的控制，具有豐富的控制功能。由于步進電機的驅(qū)動電流較大，微控制器與步進電機之間的連接需要一個功率放大電路。由于步進電機的大功率和高電平會嚴(yán)重干擾微控制器，微控制器產(chǎn)生的控制信號不能直接連接到步進電機上，需要強弱電隔離。
   步進電機驅(qū)動電路如圖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，51發(fā)出的脈沖P0.4引腳為高電平時，步進電機正轉(zhuǎn)，P0.4引腳為低電平時，步進電機反轉(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P0.2、P0.當(dāng)3引腳為高電平時，步進電機通電模式為雙4相4拍；當(dāng)P0.2、P0.3引腳同為低電平時，步進電動機通電模式為4相8拍；當(dāng)P0.2為高電平、P0.3.低電平時，步進電機通電模式為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51發(fā)出。Φ1、Φ2、Φ3、Φ4用于輸出控制步進電機四相繞組的信號，然后通過光耦電路和功率放大電路控制繞組。Φ1驅(qū)動L其他三相繞組的電路驅(qū)動方式相同。

   2.2 CAN總線電路
   CAN即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，由于其具有較強的抗干擾能力、通信中沒有地址概念及節(jié)點數(shù)不受限制等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于汽車、數(shù)控機床、儀器儀表、現(xiàn)場總線控制等領(lǐng)域[56]。CAN總線節(jié)點包括微控制器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，實現(xiàn)報紙的組裝和拆分，接收信息的過濾和驗證，在此選擇SJA1000。CAN收發(fā)器選用82C具有瞬時抗干擾、降低射頻干擾的250驅(qū)動器（RFI）以及實現(xiàn)熱保護的能力。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 人機交互模塊
   人機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。流量傳感器由一個具有相同公稱直徑的表體和一個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，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。電壓信號通過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電壓信號通過電壓信號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)換時間為32s，體積小，功耗低，兼容性強，性價比高。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端在通信時不同時有效，與微控制器的接口是雙向的，因此在設(shè)計電路時可以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
   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)置信號讀取、顯示、故障處理等。

   4 結(jié)語
   閥電動執(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)和正常運行時的開啟，還可以通過菜單設(shè)置運行參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可以顯示故障信息。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，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)計具有一定的參考和應(yīng)用價值。
   參考文獻：
   [1]黃春英.研閥門電動執(zhí)行機構(gòu)的研發(fā)[D].2003:612大連理工大學(xué).
   [2]徐耀良、石錦翔、孔璐等.智能直行程電動執(zhí)行機構(gòu)的原理及應(yīng)用[J].2010(3)華東電力35435.
   [3]席培剛、謝劍英、陳應(yīng)林.新型智能閥電動執(zhí)行裝置的硬件設(shè)計和實現(xiàn)[J].2006(8)微計算機信息:13.
   [4]謝維成，楊加國，董秀成.單片機原理及應(yīng)用及C51程序設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007：169243.
   [5]孫英科.基于CAN研究總線通信電動執(zhí)行機構(gòu)[D].2000:2025，河北理工大學(xué).
   [6]范大鳴.基于DSP電動執(zhí)行機構(gòu)[J].2010(2)科技信息:249.