CN108194681B - 电动执行机构的唤醒系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动执行机构的唤醒系统，包括电动执行机构设置的手轮和直流无刷电机，主控芯片，唤醒电路模块，外接电源控制模块，显示模块和备用电源；其中，外接电源控制模块处于供电状态，主控芯片正常工作；所述外接电源控制模块处于非供电状态，主控芯片处于休眠状态；在非供电状态时，旋转手轮带动直流无刷电机转动，直流无刷电机产生感应电动势，所述感应电动势通过唤醒电路模块后触发主控芯片的外部中断INT0，所述主控芯片触发唤醒读取直流无刷电机中霍尔传感器模块状态数据，显示电动执行机构阀门位置信息。本发明可以让系统工作在最低功耗模式下，有效的延长了电池的寿命，大大的加长了电池的更换周期。

Description

电动执行机构的唤醒系统

技术领域

本发明属于电动阀门领域，具体涉及一种电动执行机构的唤醒系统。

背景技术

电动执行机构是工控领域中广泛应用于控制阀门开启和闭合的一种装置，接入动力电源后，通过远程和就地控制信号实现对阀门开启和闭合的操作，在无动力电源情况下可以通过现场手动来操作。

在大型管网系统中，阀门分布区域较广、相隔较远，电动执行机构经常处于失去动力电源状态，为保证在各种突发情况下的生产安全性，阀门需要在断电时仍然能正常显示阀位，这时就需要执行机构内部的电池来维持阀位显示所需要的电能，但是电池的电量有限，只能短时间维持，没电后执行机构就无法工作，需要经常更换。

传统的唤醒电路，一般是通过开关按键或传感器来实现，而开关按键或传感器的唤醒都为主动唤醒，必须时刻处于供电状态下才能实现，即其都需设立独立的电源或外接电源才能进行，所以也存在无法长时间维持等特性。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种电动执行机构的唤醒系统，其可通过手轮手动操作电动执行机构来唤醒显示系统，精确显示阀位信息，本发明可以让电动执行机构工作在最低功耗模式下，有效的延长了电池的寿命，大大的加长了电池的更换周期。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种电动执行机构的唤醒系统，包括电动执行机构设置的手轮和直流无刷电机，还包括主控芯片，唤醒电路模块，外接电源控制模块，显示模块和备用电源；

所述手轮通过齿轮与直流无刷电机的输出轴啮合相连；

所述主控芯片的外部中断INT0管脚通过第三电阻连接备用电源；

所述直流无刷电机的三项母线与唤醒电路模块的输入端相连，所述直流无刷电机的霍尔传感器模块状态输出端与主控芯片的双向I/O口相连；

所述唤醒电路模块的输出端与主控芯片的外部中断INT0管脚连接；

所述外接电源控制模块的输出端与外部中断INT0管脚连接；

其中，外接电源控制模块处于供电状态，触发主控芯片的外部中断INT0管脚，主控芯片正常工作；所述外接电源控制模块处于非供电状态，主控芯片处于休眠状态；

在外接电源控制模块处于非供电状态时，旋转手轮带动直流无刷电机转动，直流无刷电机转动使其定子电枢绕组产生感应电动势，所述感应电动势通过唤醒电路模块后触发主控芯片的外部中断INT0，所述主控芯片触发唤醒读取直流无刷电机中霍尔传感器模块状态数据，并输送至显示模块显示电动执行机构阀门位置信息。

作为本发明的优选实施例：所述唤醒电路模块包括三相桥式整流电路、第一电阻和第一光耦合器，所述第一电阻和第一光耦合器串联在三相桥式整流电路的共阴极与共阳极之间，所述第一光耦合器中光敏三极管的集电极与主控芯片的外部中断INT0管脚连接，其发射极接地。

作为本发明的优选实施例：所述外接电源控制模块包括外接电源、第二电阻、第二光耦合器和电容，所述第二光耦合器的正输入端通过第二电阻与外接电源正输入端连通，所述第二光耦合器的另一输入端接地；所述第二光耦合器的集电极为外接电源控制模块的输出端，所述第二光耦合器的发射极接地，第二光耦合器的集电极与发射极之间设有电容。

作为本发明的进一步改进：设有低功耗电源控制模块，其包括备用电源、第四电阻和PNP三极管P1，所述主控芯片I/O口的PA3管脚通过第四电阻与三极管基极相连，所述三极管的集电极与备用电源相连，所述三极管的发射极与霍尔传感器模块的电源端相连。

作为本发明的优选实施例：所述主控芯片为ATMEGA64A微控制器。

作为本发明的优选实施例：所述直流无刷电机的霍尔传感器模块状态输出端与主控芯片的PA0、PA1、PA2连接。

本发明利用执行机构的传动特点来实现的，在无外部电源供电情况下，通过手轮手动操作电动执行机构时，手轮转动带动电机转动，电机产生感应电动势，生成唤醒信号，再经过唤醒电路模块唤醒CPU，CPU通过霍尔元件模块检测阀位，通过显示模块显示阀位，这时就可以在断电状态下观察阀位，在手轮停止转动几秒钟后，CPU继续进入休眠状态，显示模块关闭，整个控制系统继续进入低功耗，整个过程只持续几秒钟，使大部分时间电池只工作在低功耗状态，延长了电池的寿命。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明的电气原理图；

图3为本发明中电动执行机构示意图；

图4为本发明直流无刷电机产生感应电动势的电压波形图；

图5为本发明经整流后的电压波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细的解释，但不对本发明具有限定作用。

实施例：如图1、图3所示，本发明的电动执行机构的唤醒系统，包括带有直流无刷电机和手柄的电动执行机构，主控芯片，唤醒电路模块，外接电源控制模块，现场操作模块，显示模块和备用电源。

其中：主控芯片：采用ATMEL公司的芯片ATMEGA64A，是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。

外接电源控制模块：外供电源给整个系统供电。备用电池： 9V电池供电。

直流无刷电机为24V的霍尔有感直流无刷电机。

现场操作模块设有按键、遥控器等。

如图2所示，为本发明的电气原理图，其包括ATMEGA64A芯片，唤醒电路模块2，外接电源控制模块1，霍尔传感器模块4，低功耗电源控制模块3。

如图2所示，唤醒电路模块包括三相桥式整流电路、电阻R1和光耦合器U1，电阻R1和光耦合器U1串联在三相桥式整流电路的共阴极与共阳极之间，所述光耦合器U1中光敏三极管的集电极与主控芯片的外部中断INT0管脚连接，其发射极接地。

A、B、C是直流无刷电机的三相母线。三相桥式整流电路由六个二极管组成，二极管D1和D2接A，二极管D3和D4接B，二极管D5和D6接C。二极管D1、D3、D5组成共阴极，而二极管D2、D4、D6组成共阳极。

如图4和图5所示，三相桥式整流电路的工作原理：时间段t1：此时间段A电位最高，B电位最低，因此跨接在AB间的二极管D1、D4导通。电流从A流出经D1、电阻R1、光耦合器U1、D4后回到B，此段时间内其他四个二极管均承受反向电压而截止，因D4导通，B电压最低，且加到D2、D6的阳极，故D2、D6截止；因D1导通，A电压最高，且加到D3、D5的阴极，故D3、D5截止。同理，t2期间AC间的二极管D1、D6导通；t3期间BC间的二极管D3、D6导通；t4期间BA间的二极管D3、D2导通；t5期间CA间的二极管D5、D2导通；t6期间CB间的二极管D5、D4导通。

如图5所示，经整流后的电压为直流电，其通过电阻R1限流，驱动光耦合器U1唤醒主控芯片。

如图2所示，外接电源控制模块包括外接电源、电阻R2、光耦合器U2和电容C，光耦合器U2的正输入端通过电阻R2与外接电源正输入端连通，光耦合器U2的另一输入端接地；所述光耦合器U2的集电极为外接电源控制模块的输出端，光耦合器U2的发射极接地，电容C设置在光耦合器U2的集电极与发射极之间。本实施例中外接电源为12V电源。

如图2所示，低功耗电源控制模块，其包括备用电源、电阻R4和PNP三极管P，主控芯片I/O口的PA3管脚通过电阻R4与三极管P的基极相连，所述三极管P的集电极与备用电源相连，所述三极管P的发射极与霍尔传感器模块的电源端相连。

如图2所示，直流无刷电机设有霍尔传感器模块，本实施例中霍尔传感器模块中设有3个霍尔传感器，其3个霍尔传感器的状态信号端与ATMEGA64A芯片的PA0、PA1、PA2管脚相连；霍尔传感器模块的电源端由主控芯片通过低功耗电源控制模块控制。

如图2所示，主控芯片的外部中断INT0管脚通过电阻R3连接备用电源；主控芯片的外部中断INT0管脚即为awake信号端口。

如图3所示，为本发明的电动执行机构的机械结构图，其包括直流无刷电机5，手动大齿轮6，手动小齿轮7，手轮8，齿轴9，大齿轮10，大齿轮10安装在直流无刷电机的输出轴上。

本发明在无外部电源需要操作手轮唤醒时，拉出手轮，使手动小齿轮7和手动大齿轮6啮合，拉出时若阻力过大,需稍转动手轮；拉出后转动手轮，通过手动小齿轮7带动手动大齿轮6，手动大齿轮6带动齿轴9、大齿轮10和直流无刷电机的输出轴转动；此时，即带动了直流无刷电机转动，产生感应电动势，从而唤醒系统。

本实施例的工作原理分析如下：

1、在无外部电源供电时，即外接电源控制模块中外接电源为零，光耦合器U2无法被驱动，VCC是由备用电池提供，awake信号端口为高电平，控制系统则处于低功耗休眠状态。

2、在无外部电源供电状态下，通过手轮手动操作电动执行机构时，带动直流无刷电机转动，直流无刷电机的定子电枢绕组将会产生类似于三相交流电的感应电动势，感应电动势输出端A、B、C通过D1-D6整流二极管组成的整流电路后，再经过R1的电阻限流，驱动光耦合器U1光耦，awake信号端口由高电平变成低电平，该触发的下降沿信号连接到主控芯片的外部中断口INT0，由于主控芯片相应的中断口配置为下降沿触发中断，所以主控芯片会立即被唤醒，再由主控芯片IO口中的PA3控制接通低功耗电源控制模块，给霍尔传感器模块、显示模块等供电，供电后主控芯片即可立即检测霍尔传感器的位置、电动执行机构的行程变化等，计算出相应的阀位位置，并显示在显示屏上。

3、在外部电源供电时，即外接电源控制模块中外接电源为12V时，驱动光耦合器U2光耦，此时，awake信号端口由高电平变为低电平，即可唤醒主控芯片，使整个系统处于稳定供电状态。

本发明原理中，在无外部电源供电状态下，awake信号端口由高电平变为低电平时可以唤醒CPU。当有外部电源时，awake信号端口也是从高电平变为低电平唤醒CPU，如何判断当前是否有外部电源供电显得尤为重要，本发明进一步说明：在无外部电源时，由手动操作手轮带动电机转动唤醒主控芯片的awake信号端口是断续的高低电平，如果检测到不连续的低电平信号，即可判断当前是无外部电源情况下的手动操作，系统唤醒几秒钟后会再次进入休眠状态。如果awake信号端口为连续的低电平信号，即可判断是有外部电源供电，系统唤醒后就不需要进入休眠状态。

为了延长电池的寿命，本发明中使用了主控芯片的低功耗休眠技术，在配备本发明设计的唤醒电路。

本发明从以上电气和机械两个方面来看，本发明设计的唤醒系统，在主控芯片休眠期间不需要给任何传感器供电，可以将系统电量消耗做到最低，有效的延长了电池的寿命和电池更换周期；本发明采用直流无刷电机感应电动势的唤醒方式，其简单可靠，可以和主系统电源做到完全隔离，不必考虑直流无刷电机感应电动势对系统电源的影响；本发明机械上没有复杂的传动结构，可靠性强，该结构可以应用到其它的电动执行机构上，使普通电动执行机构也可以使用低功耗休眠技术。

本发明的电动执行机构的唤醒方法，通过手轮手动操作电动执行机构来唤醒系统，可以让系统工作在最低功耗模式下，有效的延长了电池的寿命，大大的加长了电池的更换周期。

Claims (6)

1.一种电动执行机构的唤醒系统，包括电动执行机构设置的手轮和直流无刷电机，其特征在于：还包括主控芯片，唤醒电路模块，外接电源控制模块，显示模块和备用电源；所述手轮通过齿轮与直流无刷电机的输出轴啮合相连；所述主控芯片的外部中断INT0管脚通过第三电阻连接备用电源；所述直流无刷电机的三相母线与唤醒电路模块的输入端相连，所述直流无刷电机的霍尔传感器模块状态输出端与主控芯片的双向I/O口相连；所述唤醒电路模块的输出端与主控芯片的外部中断INT0管脚连接；所述外接电源控制模块的输出端与主控芯片的外部中断INT0管脚连接；其中，外接电源控制模块处于供电状态，触发主控芯片的外部中断INT0管脚，主控芯片正常工作；所述外接电源控制模块处于非供电状态，主控芯片处于休眠状态；在外接电源控制模块处于非供电状态时，旋转手轮带动直流无刷电机转动，直流无刷电机转动使其定子电枢绕组产生感应电动势，所述感应电动势通过唤醒电路模块触发主控芯片的外部中断INT0管脚，所述主控芯片触发唤醒后读取直流无刷电机中霍尔传感器模块状态数据，并输送至显示模块显示电动执行机构阀门位置信息。

2.根据权利要求1所述的电动执行机构的唤醒系统，其特征在于：所述唤醒电路模块包括三相桥式整流电路、第一电阻和第一光耦合器，所述第一电阻和第一光耦合器串联在三相桥式整流电路的共阴极与共阳极之间，所述第一光耦合器中光敏三极管的集电极与主控芯片的外部中断INT0管脚连接，其发射极接地。

3.根据权利要求1所述的电动执行机构的唤醒系统，其特征在于：所述外接电源控制模块包括外接电源、第二电阻、第二光耦合器和电容，所述第二光耦合器的正输入端通过第二电阻与外接电源正输入端连通，所述第二光耦合器的另一输入端接地；所述第二光耦合器的集电极为外接电源控制模块的输出端，所述第二光耦合器的发射极接地，第二光耦合器的集电极与发射极之间设有电容。

4.根据权利要求1所述的电动执行机构的唤醒系统，其特征在于：设有低功耗电源控制模块，其包括备用电源、第四电阻和PNP三极管，所述主控芯片I/O口的PA3管脚通过第四电阻与PNP三极管基极相连，所述PNP三极管的集电极与备用电源相连，所述PNP三极管的发射极与霍尔传感器模块的电源端相连。

5.根据权利要求1或4所述的电动执行机构的唤醒系统，其特征在于：所述主控芯片为ATMEGA64A微控制器。

6.根据权利要求5所述的电动执行机构的唤醒系统，其特征在于：所述直流无刷电机的霍尔传感器模块状态输出端与主控芯片的PA0、PA1、PA2连接。