0 引言
阀门广泛应用于工业、农业、国防、航天、交通、城市建设等行业。电动执行器是阀门远程控制、集中控制和自动控制过程中必不可少的执行部件。为了满足实际应用的需要，笔者结合电子技术、嵌入式控制技术和网络技术设计了一种STC89C电动执行器由51微控制器控制，重点介绍了执行器控制系统的设计方案。该控制系统增加了自诊断和网络操作控制功能，进一步提高了流体阀的综合性能和抗干扰能力。
1 电动执行器的结构和功能描述
阀门电动执行器由控制系统和执行装置组成，具体结构如图1所示。微控制器是控制系统的核心STC89C51.执行装置采用步进电机。电动执行器通过上位机或现场控制面板设置值。微控制器根据设定值控制步进电机的速度和旋转角度，然后通过减速机构控制步进电机的输出，以控制阀门的开口度。在阀门的输出侧，传感器收集流量或压力数据，然后通过A/D转换后，将模块送入微控制器，将这些参数与设定值进行比较，根据比较结果调整阀门开口精度，实现自动控制[13]。
从图1可以看出，电动执行器的控制系统主要包括微控制器、步进电机驱动模块、参数检测模块、人机交互模块和网络通信模块。
(1)微控制器
系统选用STC89C5l作为微控制器，单片机具有高速(最高时钟频率为90MHz）、功耗低，价格低，稳定可靠，应用广泛，通用性强。
(2)步进电机驱动模块
步进电机驱动模块实现步进电机的速度控制和转角控制。选择提高控制精度和可靠性PMM8713PT环形分配器控制步进电机动作，结合光电耦合电路和功率放大电路。
(3)参数检测模块
为了实现闭环控制和自动化，需要收集流体的参数信号AD转换后，微控制器进行比较，然后通过控制电机旋转来控制流体参数的变化。参数检测模块由流量和压力传感器和信号放大电路组成AD转换电路等组成。
(4)人机交互模块
人机交互模块包括两部分：参数显示和参数设置。要显示的参数包括流量、流量特性、压力、阀门工作模式、阀门工作状态指示等，显示设备的使用LCD。参数设置包括流量、故障处理方法、阀门操作速度等，参数设置由三个按钮完成。
(5)网络通信模块
控制系统应具有网络接口，以满足网络控制的需要。CAN总线是工业控制中常用的现场总线技术。因此，该系统被使用CAN接口实现上下机之间的通信。
2 硬件电路设计
2.1 步进电动机驱动电路
市场上通用步进电机驱动器的成本相对较高。为了降低成本和体积，步进电机驱动电路与微控制器在同一块PCB板上。步进电机驱动电路的核心有两部分，一部分是功率部分，另一部分是环形分配器。环形分配器可以用硬件或软件实现。硬件实现可以减轻微控制器软件的工作负担，减少微控制器口线的占用，可靠性高，环形分配器有许多特殊的集成电路可供选择。本控制系统的选择PMM8713PT专用步进电机控制器作为用步进电机控制器可用于2相（4相）步进电机的控制，具有丰富的控制功能。由于步进电机的驱动电流较大，微控制器与步进电机之间的连接需要一个功率放大电路。由于步进电机的大功率和高电平会严重干扰微控制器，微控制器产生的控制信号不能直接连接到步进电机上，需要强弱电隔离。
步进电机驱动电路如图2所示。STC89C51PMM8713PT接口分别使用6条口线P0.0、P0.l、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5。PMM8713PT的Cu、Cd接地，Ck收到STC89C当脉冲处于下降边缘时，51发出的脉冲P0.4引脚为高电平时，步进电机正转，P0.4引脚为低电平时，步进电机反转，即输入模式和旋转方向采用输入模式1。R、Φc当高电平通过上拉电阻连接时P0.2、P0.当3引脚为高电平时，步进电机通电模式为双4相4拍；当P0.2、P0.3引脚同为低电平时，步进电动机通电模式为4相8拍；当P0.2为高电平、P0.3.低电平时，步进电机通电模式为4相4拍。P0.0用于检测环形分配器是否通电，引脚P0.1用于检测环形分配器是否收到STC89C脉冲信号51发出。Φ1、Φ2、Φ3、Φ4用于输出控制步进电机四相绕组的信号，然后通过光耦电路和功率放大电路控制绕组。Φ1驱动L其他三相绕组的电路驱动方式相同。
2.2 CAN总线电路
CAN即控制器局域网络，由于其具有较强的抗干扰能力、通信中没有地址概念及节点数不受限制等优点，已经被广泛应用于汽车、数控机床、仪器仪表、现场总线控制等领域[56]。CAN总线节点包括微控制器STC89C51、CAN控制器和CAN收发器。CAN主要完成控制器CAN总线通信协议，实现报纸的组装和拆分，接收信息的过滤和验证，在此选择SJA1000。CAN收发器选用82C具有瞬时抗干扰、降低射频干扰的250驱动器（RFI）以及实现热保护的能力。为了提高通信的抗干扰能力，在SJA1000和82C光耦用于光电隔离，为减少光耦对信号的延迟，选择高速光耦6N137.具体电路如图3所示。
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2.3 人机交互模块
人机交互模块包括按键输入电路和LCD显示电路，如图4所示。按钮使用三个按钮来控制阀门的开启和停止，并设置一些参数。LCD显示器选用LCD1602小型液晶屏用于显示阀门开度、流量、压力、故障等重要参数值，以及相应参数类型的文本描述。液晶屏重量轻，体积小，显示清晰，显示容量162个字符，工作电压4.5~5.5V。
2.4 数据采集电路
选用LUGB涡街流量传感器。流量传感器由一个具有相同公称直径的表体和一个具有三角形横截面的柱组成。三角形柱两侧交替产生涡旋，柱下游交替排列的涡旋称为涡旋街，涡旋街的频率与流体的流速成正比。由于涡旋街分离在柱两侧产生压力脉动，探头产生交变应力，埋在探头内的压电晶体元件由交变应力产生交变电荷。检测放大器转换交变电荷，输出0~5V标准电压信号。电压信号通过A/D元件ADC0832转换成数字后，传入微控制器STC89C51。
压力采集选择PTJ204型压力传感器的量程为0~150MPa，综合精度为0.1%FS（FS表示全量程)，0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS，供电电压为DC9~36V。压力传感器输出0~5V电压信号通过电压信号ADC0832转换成数字量后，传递给数字STC89C51。
ADC0832是美国国家半导体公司生产的8位分辨率和双通道ADC芯片，输入输出电平和TTL/CMOS相兼容，5V输入电压为0~5V工作频率为250kHz，转换时间为32s，体积小，功耗低，兼容性强，性价比高。正常情况下，ADC0832与微控制器的接口应分别为4条数据线CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时不同时有效，与微控制器的接口是双向的，因此在设计电路时可以DO和DI并联在数据线上使用。具体电路如图5所示。
3 软件设计
系统软件程序的主要任务包括系统自检、初始化、键盘命令处理、远程设置信号读取、显示、故障处理等。
4 结语
阀电动执行器控制系统采用液晶屏显示，不仅可以显示阀门的开启、关闭状态和正常运行时的开启，还可以通过菜单设置运行参数，当系统出现故障时可以显示故障信息。该系统具有结构简单、灵活、成本低、性能稳定等优点，能满足工业场合的高精度要求，对其他控制系统的设计具有一定的参考和应用价值。
参考文献：
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[4]谢维成，杨加国，董秀成.单片机原理及应用及C51程序设计[M].北京：清华大学出版社，2007：169243.
[5]孙英科.基于CAN研究总线通信电动执行机构[D].2000:2025，河北理工大学.
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