（光學(xué)工程專業(yè)論文）基于現(xiàn)場總線的電動執(zhí)行控制系統(tǒng)的研制.pdf

i 摘 要 自動化儀器儀表工業(yè)的發(fā)展對閥門電動執(zhí)行機構(gòu)的性能提出了越來越高的要求， 世界閥門市場需求的不斷上升也促使電動執(zhí)行機構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛。隨著微電子技 術(shù)、傳感器技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及機電一體化技術(shù)的發(fā)展，電動執(zhí)行機構(gòu)將跨入數(shù) 字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的時代。 基于現(xiàn)場總線的智能電動執(zhí)行機構(gòu)由智能控制器和執(zhí)行機構(gòu)兩部分組成。智能控 制器是指單片機與現(xiàn)場總線連接的控制閥門開關(guān)的控制部分，它接收來自調(diào)節(jié)器的模 擬信號或上位機的數(shù)字信號，并將其轉(zhuǎn)換為電動執(zhí)行器相應(yīng)的角位移或直線位移輸出， 帶動閥門動作，以實現(xiàn)對各種過程參數(shù)的自動控制。執(zhí)行機構(gòu)由電動機、傳動裝置及 其帶動的閥門組成。 本文對控制器硬件電路、單片機軟件以及上位機通信界面三部分的設(shè)計進(jìn)行詳細(xì) 說明：硬件電路以 a d u c 8 1 2為控制中心，采用光電隔離式輸入輸出電路和限位控制電 路、獨立電源模塊、可靠性高的電機驅(qū)動電路、精確的閥門位置反饋電路，以及靈活 的人機界面電路；單片機軟件設(shè)計包含自整定程序、執(zhí)行器控制算法、人機交換信息 程序，以及 r s 4 8 5 串口通信協(xié)議的通訊程序等的編寫；上位機通信界面采用 v c . n e t 編 寫，界面直觀性強，便于監(jiān)測電動執(zhí)行機構(gòu)的運行狀態(tài)。同時，對所研制的電動執(zhí)行 控制系統(tǒng)進(jìn)行了實驗測試，測試結(jié)果表明系統(tǒng)軟硬件設(shè)計正確。文章最后通過分析設(shè) 計中存在的問題，針對性的提出基于光機電一體化的電動執(zhí)行控制系統(tǒng)，并給出具體 改進(jìn)方案。 關(guān)鍵詞：電動執(zhí)行機構(gòu); 現(xiàn)場總線; 自整定; 機電一體化 ii abstract because of the developments of the automation instrumentation industry, the performances of electric actuator will be better and better. at the same time, the application of electric actuators will be wider and wider as the market demand of valves is rising. with the developments of the technology of microelectronics, sensors, communications network and mechatronics, electric actuator will enter a digital, intelligent and network era. the intelligent electric actuator based on fieldbus is composed of intelligent controller and actuator. the intelligent controller that joined by scm and fcs is used to control the valve switch. it can not only receive analog signals from regulators, but also receive digital signals from pc. then these signals are changed to angular displacement or linear displacement to drive the valves. because of these, the controller can make the process controlling come true. actuator is composed of motor, shift gear and valve. this paper dwells on three parts which is the design of hardware circuit of the controller, software of the controller and interface of the pc. the core of the controller is aduc812 scm. and photoelectricity seclusion input and output circuit, limit circuit, independent power circuit, high reliability motor drive circuit, accurate position feedback circuit and flexible human- machine interface circuit are used. software of the controller is composed of self- adjusting program, control algorithm program, human- machine exchange of information program, serial communication program which use rs485 as its communication protocol, etc. vc.net is used in the interface of the pc. this interface has high visibility, and it can monitor the operation of the actuator. at the same time, the electric actuator control system is tested. and the design of the software and hardware of the system is proved correctly by the test results. at the end of this paper, the existing problems are analyzed. against these problems, a new kind of intelligent electric actuator based on optical- mechanical- electrical integration is put forward, and its operation methods are given. key words: electric actuator; fieldbus; self- adjusting; mechatronics 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體 已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以 明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保 留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本 人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索， 可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密， 在 年解密后適用本授權(quán)書。 不保密。 （請在以上方框內(nèi)打“” ） 學(xué)位論文作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本論文屬于 1 1 概述 據(jù)世界市場報告報道，2 0 0 7 年世界工業(yè)閥門市場將超過 4 4 0 億美元。閥門的各 種類型中，自動調(diào)節(jié)控制閥所占比例最大，將占有市場總份額的2 0 以上。自動化工業(yè) 中的開度控制以及各種流量控制對閥門電動執(zhí)行機構(gòu)控制器的性能提出了越來越高的 要求，微電子、計算機、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和機電一體化技術(shù)也在迅速發(fā)展，這兩個因素使 得具有雙向通信、自校正與自診斷等智能控制功能的電動執(zhí)行機構(gòu)成為發(fā)展的總趨勢。 1.1 智能電動執(zhí)行機構(gòu)簡介 執(zhí)行器是過程控制系統(tǒng)的重要組成部分，按照驅(qū)動能源形式分為電動、氣動和液 動三大類。氣壓傳動是指以壓縮氣體為工作介質(zhì)傳遞動力和控制信號的系統(tǒng)，氣動執(zhí) 行機構(gòu)具有防火、防爆、防電磁干擾、抗振動沖擊輻射、結(jié)構(gòu)簡單，但是工作速度慢， 壓縮氣體不容易得到；液壓傳動是根據(jù)靜壓傳動原理而發(fā)展起來的，液壓執(zhí)行機構(gòu)運 動平穩(wěn)，傳動無間隙，可在高速下啟動、制動、換向，但是液壓調(diào)節(jié)閥推力大，體積 大，使用、安裝、拆卸、維修都很困難，且不適合在較小功率場合使用。電動執(zhí)行機 構(gòu)也稱作閥門控制器或閥門電動裝置，是電動單元組合儀表中的執(zhí)行單元。相對于氣 動、液壓執(zhí)行器而言，電動執(zhí)行器主要有三點優(yōu)勢： （1 ）不需要特殊的氣源和空氣凈化等裝置。即使電源掉電，執(zhí)行器也能保持在原 執(zhí)行位置； （2 ）可遠(yuǎn)距離傳輸信號，電纜的鋪設(shè)比氣管和液體管道的鋪設(shè)方便，且便于線路 檢查； （3 ）與計算機連接方便簡潔，更適應(yīng)采用電子信息技術(shù)。 另外，電動執(zhí)行機構(gòu)動作和響應(yīng)速度極快，工作效率高，調(diào)速性能好，因此研究 電動執(zhí)行機構(gòu)的國內(nèi)外發(fā)展趨勢和開發(fā)設(shè)計新型電動執(zhí)行機構(gòu)具有重要的工業(yè)意義和 很高的經(jīng)濟效益12。 1.1.1 國內(nèi)發(fā)展概況 我國自 1958 年開始自行設(shè)計、制造了與 ddz型和 dzz型電動單元組合 2 儀表配套的電動執(zhí)行器系列產(chǎn)品。這些產(chǎn)品主要是按照蘇聯(lián)的有觸點執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行仿 制的。改革開放以后，我國自動化儀表行業(yè)有了長足的進(jìn)步，當(dāng)時的主要產(chǎn)品是無觸 點的 d k j 型角行程電動執(zhí)行機構(gòu)和 d k z 型直行程電動執(zhí)行機構(gòu)兩大類產(chǎn)品。 到 1 9 8 5 年， 全國電動執(zhí)行機構(gòu)總產(chǎn)量已接近 5 0 0 0 0 臺，總產(chǎn)值約 6 0 0 0 余萬元。 隨著我國工業(yè)發(fā)展和自動化程度的不斷提高，新產(chǎn)品的開發(fā)研制能力、產(chǎn)品科技 含量和推廣應(yīng)用等方面都取得了很好的成績。但是由于我國儀器儀表工業(yè)起步較晚， 相對基礎(chǔ)薄弱，目前我國儀器儀表行業(yè)產(chǎn)品大多屬于中低檔水平，而高檔、大型儀器 設(shè)備基本上依靠進(jìn)口，中檔產(chǎn)品以及許多關(guān)鍵零部件國外公司占有我國市場 6 0 以上 的份額，國產(chǎn)分析儀器約占全球市場不到千分之二的份額。國內(nèi)電動執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)品采 用分立元件，接收輸入模擬信號，伺服電機的制動器使用壽命短，而且容易燒壞，可 靠性低，使用維修困難，技術(shù)參數(shù)落后，如死區(qū)大、穩(wěn)定性差、制動器壽命短、平均 無故障時間短，與國外同類型產(chǎn)品有很大差距。目前國內(nèi)電動執(zhí)行機構(gòu)廠商的主要工 作是消化和吸收國外技術(shù)，如上海吳涇熱電廠引進(jìn)日本梅森尼蘭公司給水調(diào)節(jié)閥，與 其配套的執(zhí)行器是美國 l i m i t o r q u e 多轉(zhuǎn)式直行程電動執(zhí)行器，市場上生產(chǎn)和使用的大 部分仍然是六十年代設(shè)計的產(chǎn)品。少數(shù)單位和企業(yè)在數(shù)字化和智能化工作上作了一些 探索，如上海自動化儀表研究所開發(fā)的新型智能電動執(zhí)行器具有自診斷、自調(diào)整和 p i d 調(diào)節(jié)功能。目前僅個別使用，沒有形成產(chǎn)品，在先進(jìn)產(chǎn)品的開發(fā)上也沒有重大進(jìn)展。 針對國產(chǎn)電動執(zhí)行機構(gòu)存在控制方式落后，可靠性不高，不便于調(diào)試和維修，缺 乏完善的保護和故障報警措施以及必要的通信手段等問題，國家“十一五”大力發(fā)展 閥門以及電動執(zhí)行機構(gòu)行業(yè)，爭取逐步趕上國際先進(jìn)水平，并在重大項目（例如 5 0 0 萬噸煉油、1 2 0 0立方米高爐、3 0 0 m w發(fā)電機組等大型工程）上實現(xiàn)突破，在此期間， 智能執(zhí)行器系列年需求量 5 0 萬臺（件） 。預(yù)測到 2 0 1 0 年，我國整個通用設(shè)備閥門行業(yè) 閥門需求總量為 3 4 5 億元34。 1.1.2 國外發(fā)展概況 90 年代以后，國際上開始出現(xiàn)智能電動執(zhí)行機構(gòu)。隨著現(xiàn)代化儀器儀表向微型化、 集成化、智能化和總線化方向的迅速發(fā)展，以及關(guān)鍵元器件技術(shù)的難關(guān)突破，國外已 經(jīng)開發(fā)出新一代智能化電動執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)品，并且處于領(lǐng)先甚至壟斷地位。英國的 3 rotork 公司、德國的 simens 公司、美國的 valtek 公司和 limitorque 公司等 幾家國外著名公司生產(chǎn)的智能化電動執(zhí)行機構(gòu)功能強大、簡單可靠、技術(shù)先進(jìn)、代表 著該領(lǐng)域的世界先進(jìn)水平。這些公司的產(chǎn)品主要有以下幾個特點： （1）計算機控制。先進(jìn)的閥門電動裝置具有完善的智能控制，可按給定值自動進(jìn) 行 pid 調(diào)節(jié)，控制流量和壓力等過程變量。例如 valtek 公司的 starpac 智能閥門電 動裝置即能響應(yīng)外部 420ma 模擬信號， 也能接收經(jīng)由 rs485 通信口傳送的數(shù)字信號 或按自身程序設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行 pid 控制； （2）安全措施。智能化電動執(zhí)行機構(gòu)具有高度的自身保護及系統(tǒng)保護功能，當(dāng)電 機出現(xiàn)故障或者是閥門卡死的情況下能夠保護裝置。國外智能型閥門電動執(zhí)行機構(gòu)具 有自身保護功能，系統(tǒng)保護功能，例如 rotork 公司生產(chǎn)的 iq 型智能化閥門電動裝 置。 （3）通信功能。智能閥門電動裝置采用數(shù)字通訊的方法與主控室相連，根據(jù)接收 到的來自主控室的可尋址數(shù)字信號對電動裝置進(jìn)行相應(yīng)的控制。 例如 limitorque 公 司的 controlinc 系統(tǒng)就是采用數(shù)字通信技術(shù)將電動執(zhí)行機構(gòu)、計算機閥門控制器 （cvc） 、網(wǎng)絡(luò)接口部件以及主計算機等數(shù)字設(shè)備連接的一個局部網(wǎng)絡(luò)。 （4）智能診斷，即故障自診斷，自動采取應(yīng)急措施并報警。國外智能型電動執(zhí)行 機構(gòu)通過裝載附加傳感器增加故障診斷功能。 （5）一體化結(jié)構(gòu)。一體化結(jié)構(gòu)把整個控制回路裝在一個現(xiàn)場儀表之中，使控制系 統(tǒng)的設(shè)計、安裝、操作和維護等工作大為簡化，且減少因信號在傳輸中的泄漏和干擾 等因素對系統(tǒng)的影響，提高可靠行性。 目前國內(nèi)外智能電動執(zhí)行機構(gòu)的發(fā)展趨勢為：機電一體化、逐步取代組合式機構(gòu)； 智能化控制技術(shù)逐步取代純電子控制技術(shù)；數(shù)字通信功能逐漸加強。隨著光學(xué)器件的 發(fā)展以及光學(xué)應(yīng)用的開發(fā)，光機電一體化技術(shù)也逐漸引入到電動執(zhí)行機構(gòu)的體系中來 58。 1.2 課題內(nèi)容 本課題是采用機電一體化的結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)場總線機制，設(shè)計出一款具有遠(yuǎn)程監(jiān)控 與通信、現(xiàn)場操作以及自整定等功能的智能型電動執(zhí)行控制系統(tǒng)。在此設(shè)計的基礎(chǔ)之 4 上，提出采用光電器件檢測閥門位置和運動方向的光機電一體化結(jié)構(gòu)的電動執(zhí)行控制 系統(tǒng)。 1.3 論文內(nèi)容安排 第二章：對電動執(zhí)行機構(gòu)的主電路和控制軟件提出總體設(shè)計方案，對模塊的功能 進(jìn)行簡單介紹。 第三章：對電動執(zhí)行機構(gòu)的電路進(jìn)行分塊設(shè)計，包括電源電路、光電隔離電路、 串口通信電路、電機驅(qū)動電路等；對單片機智能軟件進(jìn)行設(shè)計和分析；對現(xiàn)場總線技 術(shù)進(jìn)行分析，設(shè)計上位機與單片機串口通信的界面。 第四章：根據(jù)第三章的設(shè)計組裝系統(tǒng)，對系統(tǒng)進(jìn)行實驗測試，根據(jù)測試結(jié)果驗證 方案正確與否。 第五章：對設(shè)計中的優(yōu)缺點進(jìn)行分析，提出光機電一體化的設(shè)計方案，給出光機 電一體化電動執(zhí)行機構(gòu)的模型，介紹基于光機電一體化的電動執(zhí)行機構(gòu)的實施方案。 第六章：總結(jié)系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)驗和所作的工作，比較得出優(yōu)缺點，結(jié)合光機電一體 化的設(shè)計對智能型電動執(zhí)行機構(gòu)的發(fā)展提出自己的看法和展望。 5 2 電動執(zhí)行機構(gòu)的總體介紹 電動執(zhí)行器以電能為動力，接受調(diào)節(jié)器來的標(biāo)準(zhǔn)信號（模擬量 d c 4 - 2 0 m a 、d c 1 - 5 v 或數(shù)字量） ，通過將這些信號變成相對應(yīng)的機械位移（轉(zhuǎn)角、直線或多轉(zhuǎn)）來自動改變 操作變量（調(diào)節(jié)閥、風(fēng)門、擋板開度等） ，以達(dá)到對被調(diào)整參數(shù)（溫度、壓力、流量、 液位等）進(jìn)行自動調(diào)節(jié)的目的，使生產(chǎn)過程按預(yù)定要求進(jìn)行9。 電動執(zhí)行機構(gòu)大致分為控制器和執(zhí)行器兩大功能模塊，結(jié)合這一思想本設(shè)計方案 的工作原理如圖 2- 1 所示。系統(tǒng)采用機電一體化設(shè)計，它將閥門、伺服電機、控制器 合為一體，利用電機直接驅(qū)動閥門的開與關(guān)。系統(tǒng)帶通訊功能，實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，接收 上位機的指令，進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)字控制，也可以在人機界面上通過菜單和按鈕實現(xiàn)手動控 制或者接收 4- 20ma 工業(yè)二線制電流信號對閥門進(jìn)行控制10。 2.1 控制器介紹 控制器以 a d u c 8 1 2單片機為核心，接收 4- 20ma 二線制模擬信號或者上位機發(fā)出 的數(shù)字信號對執(zhí)行器進(jìn)行控制，不同大小的電流信號或數(shù)字信號對應(yīng)閥門不同的開度 （0- 100） ?？刂破鹘邮盏轿恢脗鞲衅鞣答伒奈恢眯盘?，通過比較輸入信號與反饋信 號的偏差，由單片機產(chǎn)生啟動、停止或者正傳反轉(zhuǎn)信號來控制電機的運作，從而使閥 門運行到指定開度位置。如果電機在運動過程中出現(xiàn)故障，控制器便產(chǎn)生報警信號， 此信號由單片機通過串口發(fā)送給上位機，這樣上位機便可監(jiān)測電動執(zhí)行機構(gòu)的運行狀 態(tài)。同時，上位機可以與單片機進(jìn)行串口通訊通信，輸出數(shù)字信號控制電機進(jìn)行適當(dāng) 的操作，從而避免電機等的損壞。人機界面由發(fā)光二極管和數(shù)碼管顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)， 執(zhí)行器 4- 20ma 反饋信號 現(xiàn)場總線的數(shù)字信號 控制器 電機 減速器 反饋裝置 4- 20ma 模擬信號 總線 圖 2- 1 電動執(zhí)行機構(gòu)原理框圖 6 操作者可以通過界面上的按鈕選擇控制模式、設(shè)置電流控制信號的大小、在任意時刻 改變系統(tǒng)的零位（0%）和滿位（100%）值、設(shè)置系統(tǒng)出現(xiàn)故障時電機的運行狀態(tài)等。 硬件的設(shè)計和單片機軟件編寫的結(jié)合實現(xiàn)電動執(zhí)行機構(gòu)的智能控制，控制電路的精確 度、響應(yīng)速度以及擴展性是硬件設(shè)計的難點，閥門行程的自整定以及其它智能性設(shè)計 是軟件設(shè)計的難點。 現(xiàn)場總線將自動化控制中最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互聯(lián)，全數(shù)字 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（fcs）是當(dāng)今自動化儀器儀表發(fā)展的潮流，也是智能電動執(zhí)行機構(gòu) 發(fā)展的重要趨勢之一。為了實現(xiàn)工業(yè)上的集中控制，考慮到電動執(zhí)行機構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備 的單一性，本設(shè)計中利用 a d u c 8 1 2 單片機的串行口，在單片機內(nèi)部編寫串口通信程序， 通過 r s - 4 8 5 通信協(xié)議實現(xiàn)與上位機的通訊，上位機上采用 v c 6 . 0 開發(fā)串口通信程序和 操作界面。 2.2 執(zhí)行器介紹 電機、減速機構(gòu)、行程限制機構(gòu)（限位開關(guān)等） 、位置反饋裝置共同構(gòu)成電動執(zhí)行 機構(gòu)的執(zhí)行器。電機與減速機構(gòu)示意圖如圖 2 - 2 所示（以直行程為例） ： 圖 2- 2 電機與減速機構(gòu)示意圖 智能型電動執(zhí)行機構(gòu)要求電機的功率小、轉(zhuǎn)速恒定、散熱快，本設(shè)計中使用的電 電機 齒輪 1 齒輪 2 齒輪 3 渦輪 調(diào)節(jié)閥 7 機為單相交流可逆電動機 s m 7 0 - 2 ，額定電壓為 2 2 0 v ，頻率為 5 0 h z ，額定功率為 4 0 w ， 轉(zhuǎn)速為 3 0 0 轉(zhuǎn)/ 分鐘，實驗證明該電機能夠滿足需求，工作穩(wěn)定。減速機構(gòu)通過多級齒 輪和渦輪桿構(gòu)成，傳動線路為電機齒輪輸出軸，由于減速作用明顯，齒輪及輸出 軸的轉(zhuǎn)速比電機小很多，第四章的專利“基于光機電一體化的智能電動執(zhí)行機構(gòu)”正 是基于減速機構(gòu)良好的減速作用和高精度而提出的一種創(chuàng)新型設(shè)計。位置反饋裝置采 用電阻式反饋，本設(shè)計中使用精密電位器。電機高速轉(zhuǎn)動帶動多級齒輪轉(zhuǎn)動，多級齒 輪帶動輸出軸上下運動 （以直行程為例） ， 輸出軸的上下運動帶動電位器的小齒輪轉(zhuǎn)動， 則電位器以一定的傳動比隨輸出軸轉(zhuǎn)動，相應(yīng)的電位器阻值發(fā)生變化，經(jīng)過控制電路 中運放電路后，電阻值的變化轉(zhuǎn)變成電壓值的變化，電壓信號經(jīng)過單片機的 a / d轉(zhuǎn)換 后進(jìn)行定位控制和處理。 閥門零位和滿位的檢測裝置由兩個極限開關(guān)和上下凸輪組成。以直行程為例，當(dāng) 閥門在輸出軸帶動下向上或者向下運行到某一極限位置時，凸輪推動相應(yīng)的極限開關(guān)， 限位傳感器產(chǎn)生一個脈沖信號，控制中心的單片機接收到脈沖信號后進(jìn)行處理，產(chǎn)生 停止信號控制閥門運作。用戶可以根據(jù)自己的需要設(shè)定上下位限傳感器的定位點位置 即極限位置，也可以通過軟件編寫需要的極限位置以便適應(yīng)工業(yè)上不同的定位需求。 執(zhí)行器與閥門連接部分的示意圖如圖 2 - 3 所示：1 為連接件，2 為銷，3 為盤簧，4 為保持螺母，5 為閥桿，6 為閥體。如果閥桿帶螺紋，連接件可以加工成相應(yīng)內(nèi)螺紋， 為防止安裝后旋轉(zhuǎn)，連接件通過銷孔連接或者在保持螺母下方并上雙螺母。執(zhí)行器與 閥門保持良好連接有助于閥門的精確定位。 圖 2- 3 執(zhí)行機構(gòu)與閥門連接圖 執(zhí)行器行業(yè)中已經(jīng)出現(xiàn)了諸如諧波齒輪的傳動機構(gòu)，它的優(yōu)點是傳動比大、齒面 1 2 3 4 5 6 7 8 磨損小以及傳動精度高，在產(chǎn)品的進(jìn)一步優(yōu)化中可以不斷調(diào)整執(zhí)行器的性能以提高電 動執(zhí)行機構(gòu)的整體性能1114。 2.3 上位機界面介紹 基于現(xiàn)場總線的電動執(zhí)行機構(gòu)必須實現(xiàn)與上位機的通訊，這也是智能型電動執(zhí)行 機構(gòu)發(fā)展的必然趨勢。由于 rs485 通訊符合現(xiàn)場總線的通訊協(xié)議，采用半雙工的通訊 方式，電動執(zhí)行機構(gòu)與上位機或主控室之間可通過總線進(jìn)行雙向數(shù)字通訊，可以極大 提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。本文中單片機采用中斷方式處理串口通訊程序，實時 性很強。本設(shè)計中控制器既可以接收 4- 20ma 模擬信號，又可以接收上位機數(shù)字信號， 這樣用戶可以繼續(xù)使用原來的現(xiàn)場儀表。本系統(tǒng)既實現(xiàn)了現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)的通信 功能，又減小了經(jīng)濟成本。上位機需要與各從設(shè)備交換信息，因此通訊的信息分為上 位機控制信息和從設(shè)備返回信息兩類。 本電動執(zhí)行控制系統(tǒng)中上位機界面的內(nèi)容包括：二線制電流控制信號的大小、位 置反饋信號的大小、電機運動的方式、通信的單片機控制器地址、通信波特率、電機 故障的有無、電機工作的模式、上位機輸出的控制電流、電機的上升、下降或停止信 號，以及保存設(shè)置的信息等。上位機界面的可觀性、可操作性強是 v c . n e t 程序編寫的 重點。 2.4 主要功能特性 （1）直接接收 4- 20ma 或者上位機的控制信號進(jìn)行控制，反饋輸出隔離 4- 20ma 閥門位置反饋信號； （2）控制信號斷路故障判斷、報警及保護功能，同時，斷信號時可使執(zhí)行機構(gòu)或 開、或關(guān)、或保持、或在0 - 1 0 0 % 之間預(yù)置的任意值； （3）數(shù)字顯示，顯示控制信號值、閥位值、故障類別； （4 ）機電一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，友好的人機界面； （5 ）可在軟件中設(shè)定行程的上下限，同時也在硬件上采用上下位限開關(guān)，從而使 執(zhí)行器具有雙重保護功能； （6 ）遠(yuǎn)程通信功能，通過通訊協(xié)議在上位機進(jìn)行編程組態(tài)，對過程量、開關(guān)量作 9 數(shù)據(jù)或圖形處理； （7 ）閥門行程自整定，具有故障自診斷功能； （8 ）電動執(zhí)行機構(gòu)控制指標(biāo)：行程控制的相對誤差和回差的相對誤差均小于等于 1 . 5 % 。 2.5 本章小結(jié) 本章從電動執(zhí)行機構(gòu)的原理結(jié)構(gòu)開始分析，介紹了本設(shè)計中三大組成部分，控制 器、執(zhí)行器、上位機界面的構(gòu)成和主要設(shè)計內(nèi)容，并對各個部分設(shè)計的難點進(jìn)行了分 析，提出設(shè)計方案，最后簡要介紹了基于現(xiàn)場總線的電動執(zhí)行控制系統(tǒng)的功能特性。 10 3 電動執(zhí)行控制系統(tǒng)的設(shè)計 電動執(zhí)行機構(gòu)控制器的設(shè)計由兩部分組成，即硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計包 括：輸入輸出電路、電源電路、電機驅(qū)動電路、限位控制電路、閥門位置反饋電路、 狀態(tài)顯示電路以及串口通信電路等。硬件設(shè)計是電動執(zhí)行控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，正確完整 的電路才能稱為軟件的依附。軟件設(shè)計包括：單片機初始化、自整定程序、串口通信 程序等，本文中軟件設(shè)計還包括上位機的界面設(shè)計以及上位機的串口通信程序。完善 的軟件設(shè)計才能使硬件電路的工作實現(xiàn)程序化和智能化。 3.1 硬件電路設(shè)計 作為一個實現(xiàn)功能豐富、元器件復(fù)雜、工作高效的電動執(zhí)行控制系統(tǒng)硬件電路的 設(shè)計必須遵循一定的原則： （1）盡可能選擇典型電路，并符合單片機的常規(guī)用法，為 硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)； （2 ）系統(tǒng)的擴展與外圍設(shè)備配置的水平 應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)?shù)挠嗟?，以便進(jìn)行二次開發(fā)； （3 ）硬件 結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮的原 則是: 軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件來實現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。設(shè)計中必須注意，由 軟件實現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)時間要比直接用硬件響應(yīng)長，而且占用 c p u的時間（比 如延時程序） ； （4 ）整個系統(tǒng)要盡量做到性能匹配，例如選用晶振頻率較高時，存儲器 的存取時間有限，應(yīng)該選擇存取速度較高的芯片； （5 ）可靠性及抗干擾設(shè)計是硬件系 統(tǒng)設(shè)計不可缺少的一部分，它包括芯片、器件選擇、去耦濾波、印刷電路板布線、通 道隔離等； （6 ）單片機外接電路較多時，必須考慮器件的驅(qū)動能力。驅(qū)動能力不足時， 系統(tǒng)工作不可靠。 3.1.1 芯片選擇以及方案介紹 電動執(zhí)行控制系統(tǒng)的控制中心采用 a d u c 8 1 2 單片機。a d u c 8 1 2 單片機組成為：一個 8 通道 5 s 轉(zhuǎn)換時間且精度自校準(zhǔn)的 1 2 位逐次逼近 a / d 轉(zhuǎn)換器、 兩個 1 2 位的 d / a 轉(zhuǎn)換 器、8 k b 片內(nèi)閃速/ 電擦除程序存儲器、6 4 0 字節(jié)片內(nèi)閃速/ 電擦除數(shù)據(jù)存儲器、2 5 6 字 節(jié)片內(nèi) r a m 、8 0 c 5 2 單片機內(nèi)核。 。另外，a d u c 8 1 2 單片機還包含有一個看門狗定時器和 11 電源監(jiān)控器、 a d c 與數(shù)據(jù)存儲器之間的 d m a 電路、存儲保護電路、 s p i 和 i 2 c 總線接口。 a d u c 8 1 2 集成了完全可編程的、自校準(zhǔn)、高精度的模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 選用 a d u c 8 1 2 作為控制中心的原因： （1 ）集成度高，體積?。簷C電一體化是電動執(zhí)行機構(gòu)發(fā)展的必然趨勢，a d u c 8 1 2 單片小體積的性能滿足了這一要求。a d u c 8 1 2芯片大小為 1 4 . 1 5 m m * 1 0 . 1 1 m m ，采用 5 2 腳的 l p q f 封裝，相比于其他同性能的單片機，其封裝體積非常小，價格便宜，對于工 業(yè)上大批量的生產(chǎn)有利，適合推廣使用。 （2）響應(yīng)速度快：工業(yè)上液位和流量的控制，尤其是在一些安全系數(shù)要求很高的 場合， 往往需要控制中心快速響應(yīng)， a d u c 8 1 2 單片機a / d 轉(zhuǎn)換的速度高達(dá)2 0 0 k b / s（1 2 m h z 晶振） ，滿足了工業(yè)上實時性的需求。 （3 ）足夠的資源：a d u c 8 1 2的 i / o 口多達(dá) 3 2個，除部分口復(fù)用外，其他的 i / o 口足夠驅(qū)動電機，界面顯示以及反饋上下位限信號使用。同時，a d u c 8 1 2 的許多片內(nèi)資 源也符合控制器的要求， a / d 轉(zhuǎn)換用于模擬輸入信號的檢測和閥門位置反饋信號的實時 監(jiān)測， i 2 c 口用于外接掉電數(shù)據(jù)存儲器e e p r o m , 兩個p m w 口用來產(chǎn)生電機的控制信號 （上 升、 下降或停止） 等。 a d u c 8 1 2 豐富的 i / o 口資源為電動執(zhí)行機構(gòu)的智能化提供了可能。 （4 ）性能穩(wěn)定，抗干擾能力強：a d u c 8 1 2 的多個 i / o 口使得整個系統(tǒng)的芯片數(shù)量 減少，且其本身的功耗低，整個系統(tǒng)的功耗降低。電動執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)有 2 2 0 v 的交流電源， 還有可控硅的不斷開關(guān)，這些都是干擾源，a d u c 8 1 2 在干擾下能穩(wěn)定工作，使得整個系 統(tǒng)抗干擾性加強1517。 整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計圖如圖 3 - 1 所示：a d u c 8 1 2 為控制中心，輸入輸出電路均采用 光電隔離式設(shè)計；電源模塊與系統(tǒng)電路隔開，便于散熱并防止干擾；人機信息交流既 輸出報警 a d c 8 1 2 人機界面 通訊模塊 光電隔離 模擬量反饋輸出 光電隔離 控制量輸入 開關(guān)量 閥門位置反饋電阻 驅(qū) 動 m 電源模塊 圖 3 - 1 電動執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)方框圖 12 可以通過人機界面來設(shè)置，也可以通過上位機的界面來監(jiān)測和控制，可操作性極強； 通訊模塊實現(xiàn)上位機與單片機的串口通訊，實現(xiàn)現(xiàn)場總線式的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制，進(jìn)一步 實現(xiàn)電動執(zhí)行機構(gòu)的智能化；開關(guān)量輸出產(chǎn)生報警信號，使系統(tǒng)更加安全和可靠。 3.1.2 控制信號輸入電路 在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，往往是把系統(tǒng)控制對象的某一特征參數(shù)如流量、壓力 或溫度作為控制參數(shù)，根據(jù)這一參數(shù)是否符合要求來控制閥門的開度，調(diào)節(jié)管道系統(tǒng) 中介質(zhì)的流量，從而控制參數(shù)符合要求?？刂菩盘栞斎腚娐芳磫纹瑱C的前向通道，指 的是單片機應(yīng)用系統(tǒng)的信號采集通道，從信號的接收、變換、直到輸入單片機。前向 通道的設(shè)計與被測對象的狀態(tài)、特征、所處環(huán)境密切相關(guān)。在前向通道的設(shè)計中要考 慮到傳感器或敏感元件的選擇、通道結(jié)構(gòu)、信號調(diào)節(jié)、電源配置、抗干擾設(shè)計等。因 此，單片機應(yīng)用系統(tǒng)中的前向通道體現(xiàn)了被測對象與系統(tǒng)相互聯(lián)系信號的輸入通道； 同時，對被測對象信號的拾取，前向通道其主要任務(wù)就是準(zhǔn)確地反映被測對象的真實 狀態(tài)，包括實時性與測量精度，最終傳輸給單片機的信號應(yīng)該能夠滿足 cpu 輸入接口 的電平要求。 遵循以上原則，開展以下控制信號輸入電路的設(shè)計。如圖 3- 1 所示，本電動執(zhí)行 控制系統(tǒng)接收的控制信號分為 4- 20ma 二線制模擬信號和上位機數(shù)字信號兩種。對于 二線制信號，其輸入電路如圖 3- 2 所示，將二線制電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，aduc812 的 a/d轉(zhuǎn)換口對電壓信號進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換，并產(chǎn)生信號控制電機上升或下降。為防止電 壓超過測量范圍，采用電阻 r38 穩(wěn)定電壓值。對于數(shù)字信號，根據(jù)通信協(xié)議規(guī)定的數(shù) r2 100 r31 10k 4- 20ma i/o - 15v +15v r16 10k r17 10k r38 51 c21 0.01uf d3 d4 vcc 3 2 1 84 u9a tl082 5 6 7 u9b tl082 圖 3- 2 模擬控制信號輸入電路 13 據(jù)通信格式獲取控制信息，根據(jù)這些信息控制電機運動。設(shè)計中為避免模擬信號與數(shù) 字信號的相互串?dāng)_，控制信號輸入電路和開關(guān)量輸出電路均采用光電隔離設(shè)計。光電 隔離電路中心采用光耦，選用芯片 tlp521- 1，tlp521 的發(fā)光元件（發(fā)光二極管）為 輸入回路，它將電流信號轉(zhuǎn)換為光信號，光敏元件（光電三極管）接收光信號并轉(zhuǎn)換 為電信號輸出。此電路中數(shù)字地與模擬地隔離，將外界電路與控制中心隔開，有效避 免了數(shù)字電路與模擬電路的信號串?dāng)_，提高了整個系統(tǒng)的抗干擾能力和定位精度18。 3.1.3 電源電路 電源技術(shù)，是采用功率電子技術(shù)，將一種電源變換成另一規(guī)格大小電源的技術(shù)。 控制系統(tǒng)的電子電路需要由直流穩(wěn)壓電源來供電，可以自行設(shè)計，也可以選用現(xiàn)代集 成模塊電源。自行設(shè)計的電源多選用分立元件，可靠性不高，而且會使控制器體積增 大，而模塊化電源已經(jīng)集成封裝，體積小，可靠性高。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，集成 電路得到了廣泛應(yīng)用，從而推動了電子設(shè)備向固體化、小型化、輕量化方向發(fā)展，這 一發(fā)展趨勢對電子設(shè)備的電源裝置也提出了小型化、輕量化和高效率等要求。在傳統(tǒng) 的系統(tǒng)或設(shè)備中，都建有龐大的電力供應(yīng)系統(tǒng)，為系統(tǒng)或設(shè)備不同的需求提供相應(yīng)的 電力，這種電力供應(yīng)系統(tǒng)不但機構(gòu)復(fù)雜、成本高，而且所提供的電力的穩(wěn)定性也不十 分理想，并伴隨有巨大的能源損耗?，F(xiàn)代集成模塊化電源，將系統(tǒng)或設(shè)備的集中供電 變?yōu)榉稚⒐╇?。電源?jīng)過這種功率電子技術(shù)處理，能獲得良好的節(jié)能效果。國外發(fā)達(dá) 國家作為電源的電能，已有 80%經(jīng)過這種技術(shù)處理，節(jié)能效果達(dá) 15%到 40%。本設(shè)計 中機電一體化的結(jié)構(gòu)也要求各功能模塊由分立元器件向集成化、小型化發(fā)展，因此電 源模塊采用集成化模塊19。 電源是電動執(zhí)行控制系統(tǒng)的心臟，整個系統(tǒng)的供電均由電源電路產(chǎn)生。外界提供 給電動執(zhí)行控制系統(tǒng)的是 220v的交流電壓， 而電路中運算放大器需要15v直流電壓 供電，aduc812 單片機以及光電隔離等電路需要+5v直流電壓供電，因此必須獲得這 兩種類型的電壓以維持系統(tǒng)的正常工作。本設(shè)計中選用的集成化電源模塊是開板電源， 它直接將220v交流電壓轉(zhuǎn)化為15v電壓， 15v 電壓經(jīng)過7805芯片處理后獲得+5v 電壓。所用開板電源為長沙創(chuàng)立達(dá)電源設(shè)備制造廠的 kd3- 12 型號電源，電源外觀 如圖 3- 3 所示，輸入電壓為 165- 265v 的交流電壓，輸出為15v直流電壓信號，其安 14 裝尺寸為 37*18.5mm。實踐證明，該電源工作穩(wěn)定，有效抑制干擾，同時具有較高的 轉(zhuǎn)換效率，系統(tǒng)可靠性強，體積小，便于安裝和調(diào)試。 圖 3- 3 開板電源外觀圖 3.1.4 電機驅(qū)動電路 電機是電動執(zhí)行機構(gòu)的動力，帶動執(zhí)行器運作的器件。本設(shè)計中采用單相交流可 逆電動機 s m 7 0 - 2 （額定電壓為 2 2 0 v ，頻率為 5 0 h z ，額定功率為 4 0 w ，轉(zhuǎn)速為 3 0 0轉(zhuǎn)/ 分鐘） 。目前對電機的控制一般采用機械控制手段，如繼電器控制，繼電器的機械觸點 在頻繁的開啟過程中會打火結(jié)炭，使用壽命不長，同時響應(yīng)速度較慢。由于機械式控 制的這些缺點，本設(shè)計中采用電力電子技術(shù)來控制電機運轉(zhuǎn)，電力電子器件一般開關(guān) 速度快、壽命長、控制功率小、靈敏度高、無火花和拉弧現(xiàn)象，保證電動執(zhí)行機構(gòu)在 高溫條件下長期可靠運行，同時有助于對電機的保護20 21。 電機控制原理如圖 3 - 4所示，電機與控制器相連的總共有 3個接口，一個公共端 接 2 2 0 v 的零線，一端接電機驅(qū)動電路正轉(zhuǎn)信號輸出口，一端接電機驅(qū)動電路反轉(zhuǎn)信號 輸出口。 圖 3- 4 電機控制原理圖 電機驅(qū)動電路如圖 3 - 5所示：采用雙向可控硅來控制電機的運行，可控硅的驅(qū)動 采用 m o t o r o l a公司生產(chǎn)的 m o c 3 0 8 3 。m o c 3 0 8 3為過零雙向可控硅輸出光電耦合器 （6 p i n ） ， 它不僅有光耦的隔離 c p u 與電機控制回路的功能，還有驅(qū)動的功能。 m o c 3 0 8 3 l1 l2 c1 220v 零線 正傳信號 反轉(zhuǎn)信號 15 輸出管耐壓 8 0 0 v ，隔離電壓達(dá)到 7 5 0 0 v ，當(dāng)電機反電勢比較大時，可防止電路受到干 擾，保持電機正常工作。當(dāng) a d u c 8 1 2控制電機開通時，雙向可控硅在電壓波形周期的 過零點開通，可控硅上壓降接近于零；關(guān)斷時，單片機產(chǎn)生關(guān)斷的控制脈沖，可控硅 在電壓波形的過零點切斷，恢復(fù)關(guān)斷狀態(tài)，可控硅上電壓波形等于電源波形。 3.1.5 限位控制電路 當(dāng)閥門運動到極限位置時，單片機必須控制電機停止運動，以免由于過轉(zhuǎn)或定位 誤差而造成零部件損壞甚至經(jīng)濟損失。本設(shè)計中限位裝置采用傳統(tǒng)式機械設(shè)計，閥門 的上下位限信號由凸輪和極限開關(guān)提供，當(dāng)閥門運動到最大位置或者是最小位置時， 凸輪推動相應(yīng)的極限開關(guān)，限位傳感器產(chǎn)生一個脈沖信號，此脈沖信號傳輸給單片機 處理，單片機產(chǎn)生相應(yīng)信號控制電機停止運動，電路如圖 3 - 6 所示。當(dāng)閥門沒有運動 圖 3- 6 限位控制電路 an 1 ca 2 nc 3 mt 4 nc 5 mt 6 u7 moc3083 r29 510 vcc pwm0 r32 r41 330/1w r43 39/1w c26 q2 triac an 1 ca 2 nc 3 mt 4 nc 5 mt 6 u8 moc3083 r30 510 vcc pwm1 r33 r42 330/1w r44 39/1w c27 q3 triac 220acl 正轉(zhuǎn)信號 反轉(zhuǎn)信號 圖 3- 5 電機驅(qū)動電路 r19 10k r26 2k vcc i/o u6 tlp521- 1 1 2 +15v 極限開關(guān) 16 到極限位置時，限位開關(guān)一般處于斷開狀態(tài)，此時光耦的發(fā)光二極管沒有電流通過， 不產(chǎn)生光，光電三極管不導(dǎo)通，集電極輸出為高電平；閥門運動到極限位置時，限位 開關(guān)啟動，發(fā)光二極管發(fā)射的光使光電三極管導(dǎo)通，集電極輸出為低電平。集電極電 平的這一高低變化產(chǎn)生一個負(fù)脈沖信號，信號傳輸?shù)?a d u c 8 1 2的 i / o口，單片機識別 信號并控制電機停止運動，保護電機安全。 3.1.6 閥門位置反饋電路 閥門位置（閥門開度）是電動執(zhí)行機構(gòu)中需要精確測量的量，閥門位置的反饋由 位置傳感器和反饋電路組成。位置傳感器是檢測和獲取閥門所處開度位置并產(chǎn)生反饋 信號的電子裝置，主要有電位器式、電容式、螺線管電感式、渦流式機械傳感器等幾 種類型22 24 。本設(shè)計中的位置傳感器為電位器式，使用高精度的旋轉(zhuǎn)電位器，其最大 阻值為 1k。安裝時電位器與齒輪同軸，輸出軸的上下運動帶動電位器的齒輪轉(zhuǎn)動，進(jìn) 而引起電阻值的變化。反饋電路將電阻值的變化轉(zhuǎn)變成電壓的變化，再傳輸給單片機 的 a/d轉(zhuǎn)換器的輸入口進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換，根據(jù)轉(zhuǎn)換后的結(jié)果與輸入的控制信號值進(jìn)行比 較， 判斷閥門是否運行到所要求的位置。 閥門位置反饋電路如圖 3- 7 所示： 電路中 vref 即基準(zhǔn)電壓為 aduc812 自帶的 2.5v電壓。 閥門位置的變化轉(zhuǎn)變成電位器電阻值的變 化，電阻值的變化經(jīng)過電路轉(zhuǎn)化為電壓值的變化。由于轉(zhuǎn)換過程中均為線性關(guān)系，因 此得到電壓的變化線性地反映了閥門開度的變化。線性關(guān)系的應(yīng)用使得測量和軟件編 寫都更為簡便。 +15v - 15v vref adin1 r39 51 c23 0.01uf d5 d6 vcc 1 2 3 j5 5 6 7 tl082 3 2 1 84 u11a tl082 r45 10k 連接電位器 圖 3- 7 閥門位置反饋電路 17 3.1.7 人機接口電路 單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，通常有人機對話的功能。本智能型電動執(zhí)行機構(gòu)的人機接口 電路包括系統(tǒng)運行狀態(tài)的顯示以及電機運動模式的選擇，使用按鈕開關(guān)進(jìn)行模式選擇； 用發(fā)光二極管顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)，用七段八字?jǐn)?shù)碼管顯示系統(tǒng)運行參數(shù)。圖 3- 8 為發(fā) 光二極管接口電路，圖中電阻的作用是限制電流。圖 3- 9 為數(shù)碼管的顯示電路，開關(guān) 三極管一端接單片機的 i/o 口，一端接數(shù)碼管。本設(shè)計中共有 5 個發(fā)光二極管顯示狀 態(tài)，分別為工作指示、斷線指示、電源指示、正轉(zhuǎn)指示、反轉(zhuǎn)指示。系統(tǒng)上電后，電 源指示燈亮，數(shù)碼管顯示“p ”為當(dāng)前閥門位置的百分?jǐn)?shù)，工作指示燈每兩秒閃 爍一次，若無控制線時，斷線指示燈亮。電機運行過程中，若電機正轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)指示燈 亮；若電機反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)指示燈亮；電機停轉(zhuǎn)時，正傳指示燈和反轉(zhuǎn)指示燈都熄滅。系 統(tǒng)上電后，如果無控制信號，斷線指示燈亮，系統(tǒng)讀取系統(tǒng)參數(shù)，選擇停在原地、回 到零點或回設(shè)定位置方式運行，系統(tǒng)參數(shù)可以通過按鍵來設(shè)置。如果在運行過程中， 失去控制電流信號，系統(tǒng)將選擇停在原地、回到零點或者回到設(shè)定位置方式運行。 3.1.8 通信電路 為了完成工業(yè)控制和組網(wǎng)的需要，本電動執(zhí)行控制系統(tǒng)支持 r s 4 8 5通訊，電平轉(zhuǎn) 換芯片采用 m a x 4 8 5 ，通訊網(wǎng)絡(luò)總線圖如圖 3 - 1 0所示。m a x 4 8 5接口芯片是 m a x i m公司 的一種 r s 4 8 5 芯片, 采用單一電源+ 5 v 工作，額定電流為 3 0 0 u a , 半雙工通訊方式，它完 成由 t t l 電平轉(zhuǎn)換為 r s 4 8 5 通訊協(xié)議規(guī)定電平的功能。m a x 4 8 5 芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非 l1 r20 vcc i/o 圖 3- 8 發(fā)光二極管接口電路 a b c d e f g dp i/o a bf c g d e v c c1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 l5 xled q2 vcc 圖 3- 9 數(shù)碼管接口電路 18 常簡單, 內(nèi)部含有一個驅(qū)動器和接收器。r o 和 d i 端分別為接收器的輸出和驅(qū)動器的輸 入端，與單片機連接時只需分別與單片機的 r x d 和 t x d 相連即可；/ r e 和 d e 端分別為 接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)/ r e 為邏輯 0 時，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng) d e 為邏輯 1 時，器 件處于發(fā)送狀態(tài)，因為 m a x 4 8 5 工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個 i / o 口控 制這兩個引腳即可；a 端和 b 端分別為接收和發(fā)送的差分信號端, 當(dāng) a 引腳的電平高于 b 時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 1 ；當(dāng) a 的電平低于 b 端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 0 。m a x 4 8 5 芯 片與單片機連接非常簡單，只需要一個信號控制 m a x 4 8 5 的接收和發(fā)送即可，同時需要 在 a 和 b 端之間加匹配電阻，一般可選阻值為 1 0 0 2528。 通訊電路實際工作時，可以與上位機進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊，控制運行方式并監(jiān)控運行狀 態(tài)，若干個閥門執(zhí)行機構(gòu)可同時受上位機控制。由于 pc 機擁有的是 rs232 標(biāo)準(zhǔn)串行 接口，而單片機的串行口是 ttl 電平的，因此需要一個遠(yuǎn)程通訊卡實現(xiàn) rs485 通訊協(xié) 議電平與 rs232 通訊協(xié)議電平的相互轉(zhuǎn)換，這樣才能實現(xiàn)單片機與上位機之間信息準(zhǔn) 確無誤的傳輸。串口通訊協(xié)議不使用 rs232 的原因是，rs232 要求設(shè)備的通訊距離不 大于 15m，且傳輸速率比較小，最大為 20kb/s，可連接設(shè)備最多為 2 臺，存在共地噪 聲和不能抑制共模干擾等問題；而 rs485 采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共 模干擾的能力，其用于多點互聯(lián)時非常方便，可以省掉許多信號線。圖 3- 10 為 rs485 的通訊網(wǎng)絡(luò)總線，圖中所使用的芯片為 max485。 3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件設(shè)計是電動執(zhí)行控制系統(tǒng)實現(xiàn)智能化的關(guān)鍵，功能完善的軟件設(shè)計應(yīng)該具備 圖 3- 10 rs485 通訊網(wǎng)絡(luò)總線圖 19 n y y n n 有錯誤？ 初始化 系統(tǒng)自檢 錯誤處理 報警 選擇控制方式，本機/現(xiàn)場總 線，并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的控制程序 設(shè)定參數(shù) 采集和計算模擬參量、數(shù)字參量數(shù)據(jù) 控制電機帶動閥門傳動 錯誤處理 有通信？ y n 有異常？ y 給定信號變化？ 開始 系統(tǒng)自整定 圖 3- 11 系統(tǒng)流程圖 通信子程序 的特性有： （1）程序結(jié)構(gòu)合理，占用存儲器空間