基于STC89C51的流体阀门电动执行器控制系统的设计
来源：曹景龙 安百秀 牛杰 点击量：1170 引言
阀门广泛应用于工业、农业、国防、航天、交通运输、城市建设等行业。在对阀门实行远程控制、集中控制、自动控制的过程中，电动执行器是一种必不可少的执行部件。为适应实际应用需求，笔者结合电子技术、嵌入式控制技术和网络技术，设计了一种由STC89C51微控制器控制的流体阀门电动执行器，重点介绍该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门的综合性能和抗干扰能力。
1 电动执行器结构及功能描述
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。控制系统的核心是微控制器STC89C51，执行装置采用步进电动机。电动执行器通过上位机或者现场控制面板来设定数值，微控制器根据设定值控制步进电动机的速度、旋转角度等，步进电动机的输出再通过减速机构控制阀杆，从而利用阀杆控制阀门的开口度。在阀门的输出侧采用传感器采集流量或压力数据，然后将这些数据经A/D模块转换后送入微控制器，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的开口精度，实现自动控制[13]。
从图1可看出，电动执行器的控制系统主要包括微控制器、步进电动机驱动模块、参数检测模块、人机交互模块、网络通信模块。
（1）微控制器
系统选用STC89C5l单片机作为微控制器，它具有高速（最高时钟频率为90MHz）、低功耗、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等特点。
（2）步进电动机驱动模块
步进电动机驱动模块实现步进电动机的速度控制和转角控制。为提高控制精度和可靠性，选用PMM8713PT环形分配器，结合光电耦合电路及功率放大电路来控制步进电动机动作。
（3）参数检测模块
为了实现闭环控制及便于实现自动化，需要采集流体的参数信号，信号经AD转换后由微控制器进行比较，进而通过控制电动机旋转来控制流体参数的改变。参数检测模块由流量和压力传感器、信号放大电路、AD转换电路等组成。
（4）人机交互模块
人机交互模块包括参数显示和参数设定两部分。需要显示的参数包括流量、流量特性、压力、阀门的工作方式、阀门工作状态指示等，显示器件使用LCD。参数设定包括流量、故障处理方式、对阀门操作速度等的设定，参数设定使用3个按键来完成。
（5）网络通信模块
为适应网络化控制的需求，控制系统应具有网络接口。CAN总线是目前工业控制普遍使用的现场总线技术，因此，系统采用CAN接口实现上位机和下位机之间的通信。
2 系统硬件电路设计
2.1 步进电动机驱动电路
市场上的通用步进电动机驱动器成本比较高。为降低成本，减小体积，将步进电动机驱动电路与微控制器做在同一块PCB板上。步进电动机驱动电路的核心有两部分，一个是功率部分，另一个是环形分配器。环形分配器可以用硬件实现，也可以用软件实现。硬件实现方式可以减少微控制器的软件工作负担，减少微控制器口线的占用，可靠性较高，且环形分配器有许多专用集成电路可供选用。本控制系统选用PMM8713PT专用步进电动机控制器作为环形分配器，该控制器可用于2相（4相）步进电动机的控制，控制功能较为丰富。由于步进电动机的驱动电流较大，所以微控制器与步进电动机之间的连接需要有功率放大电路。由于步进电动机的大功率、高电平会对微控制器产生比较严重的干扰，因此，不能将微控制器产生的控制信号直接连在步进电动机上，需要进行强弱电隔离。
步进电动机驱动电路如图2所示。STC89C51PMM8713PT的接口共使用6个口线，分别是P0.0、P0.l、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5。PMM8713PT的Cu、Cd接地，Ck收到STC89C51发来的脉冲，当脉冲处于下降沿、P0.4引脚为高电平时，步进电动机正转，P0.4引脚为低电平时，步进电动机反转，即输入模式和旋转方向采用了输入模式1。R、Φc通过上拉电阻接高电平，当P0.2、P0.3引脚同为高电平时，步进电动机通电模式是双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为低电平时，步进电动机通电模式为4相4拍。引脚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STC89C51发出的脉冲信号。Φ1、Φ2、Φ3、Φ4用于输出控制步进电动机四相绕组的信号，然后经光耦电路和功率放大电路来控制绕组，图2中只画出了Φ1驱动L1绕组的电路，其它三相绕组的驱动方式与之相同。
阀门广泛应用于工业、农业、国防、航天、交通运输、城市建设等行业。在对阀门实行远程控制、集中控制、自动控制的过程中，电动执行器是一种必不可少的执行部件。为适应实际应用需求，笔者结合电子技术、嵌入式控制技术和网络技术，设计了一种由STC89C51微控制器控制的流体阀门电动执行器，重点介绍该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门的综合性能和抗干扰能力。
1 电动执行器结构及功能描述
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。控制系统的核心是微控制器STC89C51，执行装置采用步进电动机。电动执行器通过上位机或者现场控制面板来设定数值，微控制器根据设定值控制步进电动机的速度、旋转角度等，步进电动机的输出再通过减速机构控制阀杆，从而利用阀杆控制阀门的开口度。在阀门的输出侧采用传感器采集流量或压力数据，然后将这些数据经A/D模块转换后送入微控制器，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的开口精度，实现自动控制[13]。
从图1可看出，电动执行器的控制系统主要包括微控制器、步进电动机驱动模块、参数检测模块、人机交互模块、网络通信模块。
（1）微控制器
系统选用STC89C5l单片机作为微控制器，它具有高速（最高时钟频率为90MHz）、低功耗、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等特点。
（2）步进电动机驱动模块
步进电动机驱动模块实现步进电动机的速度控制和转角控制。为提高控制精度和可靠性，选用PMM8713PT环形分配器，结合光电耦合电路及功率放大电路来控制步进电动机动作。
（3）参数检测模块
为了实现闭环控制及便于实现自动化，需要采集流体的参数信号，信号经AD转换后由微控制器进行比较，进而通过控制电动机旋转来控制流体参数的改变。参数检测模块由流量和压力传感器、信号放大电路、AD转换电路等组成。
（4）人机交互模块
人机交互模块包括参数显示和参数设定两部分。需要显示的参数包括流量、流量特性、压力、阀门的工作方式、阀门工作状态指示等，显示器件使用LCD。参数设定包括流量、故障处理方式、对阀门操作速度等的设定，参数设定使用3个按键来完成。
（5）网络通信模块
为适应网络化控制的需求，控制系统应具有网络接口。CAN总线是目前工业控制普遍使用的现场总线技术，因此，系统采用CAN接口实现上位机和下位机之间的通信。
2 系统硬件电路设计
2.1 步进电动机驱动电路
市场上的通用步进电动机驱动器成本比较高。为降低成本，减小体积，将步进电动机驱动电路与微控制器做在同一块PCB板上。步进电动机驱动电路的核心有两部分，一个是功率部分，另一个是环形分配器。环形分配器可以用硬件实现，也可以用软件实现。硬件实现方式可以减少微控制器的软件工作负担，减少微控制器口线的占用，可靠性较高，且环形分配器有许多专用集成电路可供选用。本控制系统选用PMM8713PT专用步进电动机控制器作为环形分配器，该控制器可用于2相（4相）步进电动机的控制，控制功能较为丰富。由于步进电动机的驱动电流较大，所以微控制器与步进电动机之间的连接需要有功率放大电路。由于步进电动机的大功率、高电平会对微控制器产生比较严重的干扰，因此，不能将微控制器产生的控制信号直接连在步进电动机上，需要进行强弱电隔离。
步进电动机驱动电路如图2所示。STC89C51PMM8713PT的接口共使用6个口线，分别是P0.0、P0.l、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5。PMM8713PT的Cu、Cd接地，Ck收到STC89C51发来的脉冲，当脉冲处于下降沿、P0.4引脚为高电平时，步进电动机正转，P0.4引脚为低电平时，步进电动机反转，即输入模式和旋转方向采用了输入模式1。R、Φc通过上拉电阻接高电平，当P0.2、P0.3引脚同为高电平时，步进电动机通电模式是双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为低电平时，步进电动机通电模式为4相4拍。引脚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STC89C51发出的脉冲信号。Φ1、Φ2、Φ3、Φ4用于输出控制步进电动机四相绕组的信号，然后经光耦电路和功率放大电路来控制绕组，图2中只画出了Φ1驱动L1绕组的电路，其它三相绕组的驱动方式与之相同。
