CN114280996A - 一种双控多档位球阀控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双控多档位球阀控制系统及控制方法。所述控制系统包括单片机控制模块、主电路驱动模块、控制模块、电源模块、反馈预警模块与状态显示模块。主电路驱动模块包括整流桥、由4个NMOMS管构成的全桥驱动电路、驱动芯片IR2101。单片机控制模块采用STM8芯片，与主电路驱动模块、控制模块、反馈预警模块、状态显示模块相连接。状态显示模块选用五个霍尔开关，用以确定阀芯所在位置。本发明针对多档位的阀芯转动，选择了霍尔开关和线选法结合的方案，可在低成本下达到高精度控制的效果，并且能监测阀芯的实时位置；采用4个NMOS管全桥配合IR2101的方案，可有效避免阀芯启动时产生瞬时大电流的影响。

Description

一种双控多档位球阀控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于机电一体化技术领域，具体涉及一种基于霍尔开关和线选法的双控多档位球阀控制系统及控制方法。

背景技术

自第二次工业革命以来，世界工业高速发展，迅速向高自动化迈进。与此同时，流体例如水、气(汽)、油等的应用也相继发展起来，但是流体在工业上的应用离不开管网系统。由于阀门被广泛的用于管网之中，要实现管网系统的工业自动化管理，需要对电动阀门这个执行机构进行更加精确的控制利用。长期以来，大多数公司对于阀芯的控制都停留在使用行程开关来控制阀芯的开闭，常常出现控制方式单一、阀芯电机启动电流过大造成能量以热能形式损失、无法精准了解阀芯的状态和异常情况出现预警滞后等情况。

发明内容

针对上述技术的不足，本发明提出了一种基于霍尔开关和线选法的双控多档位球阀控制系统及控制方法。本发明以具有对球阀阀芯的远近控制、电流实时监测预警、阀芯定位、五个档位可控、12—36V变电压工作、直/交流电压均可正常工作等优势。

本发明提出用霍尔开关配合线选法控制阀芯运动，并实时传递阀芯位置状态的方法，采用在阀芯轴上设置能与球阀阀芯同步转动的电磁铁，将霍尔开关等角度、等距离布置在以阀芯转动轴为圆心的半圆上，将阀芯所处0°、45°、90°、135°和180°的五个位置状态分别对应三盏LED指示灯的001、010、100、101、110五个状态，用以确定阀芯的位置状态。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

本发明的双控多档位球阀控制系统包括单片机控制模块、主电路驱动模块、控制模块、电源模块、反馈预警模块与状态显示模块。

所述主电路驱动模块包括整流桥BRIGR1，由四个NMOS管构成的全桥驱动电路与驱动芯片IR2101组成的BOOST升压电路；所述主电路驱动模块与单片机控制模块、反馈预警模块相连接。

所述单片机控制模块的核心芯片采用STM8芯片，与主电路驱动模块、控制模块、反馈预警模块、状态显示模块相连接。

所述反馈预警模块包括运算放大器U6、蜂鸣器BUZ1，用于阀芯工作时电流异常触发蜂鸣预警。

所述状态显示模块包括五个霍尔开关和三个LED灯，均与单片机控制模块相连接，用以确定阀芯所在位置。

所述控制模块包括手控模块和遥控模块，实现远近控制。

所述电源模块包括24V转换为12V和12V转换为5V两个子模块，为整个控制系统提供稳定的电源。

本发明的有益效果是：

1、本发明基于STM8单片机双控多档位球阀的硬件设计，给出了直流电机嵌入式控制系统的控制方案。同时结合STM8芯片，针对多档位(0°、45°、90°、135°、180°)的阀芯转动，本发明选择了霍尔开关和线选法结合的方案，可以在较低成本下达到较高精度控制的效果，并且能够监测阀芯的实时位置状态。

2、针对电机启动电流过大的影响，本发明选择了4个NMOS管全桥配合IR2101的方案，在组成一个BOOST升压电路的基础上，可以有效避免阀芯启动时产生瞬时大电流的影响。

3、针对现场环境复杂导致电源不稳定的情况，本发明选用了LM2575和SPX117内部稳压源，可以有效地避免工业现场外接电压源不稳定的影响。

4、针对监测和预警不灵敏的情况，本发明选用了OPA376运放及其相关电路，保证STM8S单片机能够实时捕获到阀芯内部电流状态同时实时监测预警。

以上效果提高了普通球阀的自动化程度，提高了企业对生产单元的管理效率。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的主电路驱动模块的原理图；

图3为本发明的单片机控制模块的原理图；

图4为本发明的遥控模块的原理图；

图5为本发明的手控模块的原理图；

图6、图7为本发明的状态显示模块的原理图；

图8、图9为本发明的反馈预警模块的原理图；

图10、图11为本发明的电源模块的原理图。

具体实施方式

本发明提出用霍尔开关配合线选法监控阀芯运动，并实时传递阀芯位置状态的方法，采用在阀芯轴上设置能与球阀阀芯同步转动的电磁铁，将霍尔开关等角度、等距离布置在以阀芯转动轴为圆心的半圆上，将阀芯所处0°、45°、90°、135°和180°的五个位置状态分别对应三盏LED指示灯的五个状态，其中0代表LED灯熄灭，1代表LED灯点亮。通过三盏LED灯的亮灭，实时确定阀芯的位置状态。

下面结合附图和运行过程对本发明的技术方案作进一步的说明：

本发明的硬件系统框图如图1所示。整体硬件系统由主电路驱动模块、单片机控制模块、手控模块、遥控模块、电源模块、反馈预警模块与状态显示模块组成。

所述主电路驱动模块包括整流桥BRIGR1，由4个NMOS管构成的全桥驱动电路，同时NMOS管与驱动芯片IR2101组成的BOOST升压电路；主电路驱动模块与单片机控制模块、反馈预警模块相连接；

所述单片机控制模块的核心芯片采用STM8芯片，与主电路驱动模块、手控模块、遥控模块、反馈预警模块、状态显示模块相连接；

所述反馈预警模块包括运算放大器U6、二极管D2、三极管Q1和蜂鸣器BUZ1，用于阀芯工作时电流异常触发蜂鸣预警；

所述状态显示模块包括五个霍尔开关和三个LED灯，均与单片机控制模块相连接，用以确定阀芯所在位置；

所述手控模块和遥控模块，实现远近控制；

所述电源模块包括两个子模块，一个是24V转换为12V，另一个是12V转换为5V，为整个控制系统提供稳定的电源。

如图2所示，所述主电路驱动模块由整流桥BRIGR1，驱动芯片U2、U3，NMOS管Q2、Q3、Q4、Q5构成的全桥驱动电路，二极管D1、D3和电容C1、C2组成。该模块将IR2101芯片U2的第2、3引脚，分别与单片机控制模块中单片机U1的PC1、PB0引脚相连；将IR2101芯片U3的第2、3引脚，分别与单片机控制模块中单片机U1的PB1、PC2引脚相连。NMOS管Q2和Q4的S极输出引脚与反馈预警模块的运算放大器U6的第3引脚相连。

全桥驱动电路直接与阀芯的直流电动机相连，电动机的正极通过MOTOR1与Q5的S级输出引脚相连，电动机的负极通过MOTOR1与Q3的S级输出引脚相连。首先由整流桥处理电流信号；当主电路驱动模块的IR2101芯片U2、U3接收到来自单片机控制模块的控制信号时，控制NMOS管Q2、Q3、Q4、Q5的开启与断开，从而达到控制阀芯转动的目的。同时状态显示模块和反馈预警模块也开始工作，直至阀芯停止转动。

对于阀芯驱动选择采用4个NMOS管组成的全桥驱动电路，选用NMOS管是因为其导通电阻小，且容易制造。且漏极与源极之间有一个寄生二极管，在驱动感性负载时起到一个续流的作用。同时驱动中的NMOS导通条件为栅极电压要比母线电压高10V左右，因此需要一个升压电路来抬升它的导通电压。本发明选用的是N沟道的IRF540N作为驱动电路的开关器件，持续电流可达18A。利用单片机U1调制的PWM斩波通过芯片IR2101可快速使NMOS管处于开关状态，从而起到调整平均电压的作用，继而调整电机转速，通过打开不同NMOS管来调整电机转动方向，具有响应速度快，稳定性高，效率高的优势。

如图3所示，所述单片机控制模块由单片机U1、电容C3、C4、C10、C11和按钮开关K1构成。该模块实用中，当单片机U1接收到手控模块或遥控模块发出的球阀阀芯即将抵达位置的信号时，首先通过状态显示模块中的霍尔开关读取当前阀芯位置，然后将阀芯即将抵达位置的信号与当前阀芯位置作对比，并控制IR2101芯片U2、U3，让阀芯达到指定位置，同时发出位置信息给状态显示模块，显示现在阀芯所在位置。电路检修或者特殊情况需要单片机复位或清除数据时，可以按下按钮开关K1。

本实施例中单片机U1选择的是STM8S105K6，STM8S105K6存取线8位微控制器提供16到32千字节的闪存程序存储器，STM8S105K6具有以下优点：首先是因为价格便宜可降低系统开发的成本，其次是因为由于STM8S系列单片机是意法半导体公司专业用于工业控制所涉及的产品，具有高性能和高容错性，可以有效的延长产品寿命。最后是因为STM8S相关的辅助编程教学相对成熟，市场上所设计的STM8S的应用广泛并且成熟，可以有效的缩短开发周期。

如图4所示，所述遥控模块由LED灯LED4和排插P1组成。排插P1的第1号引脚通过连接一个发光二极管LED4接地，排插P1的第2、3、4、5引脚分别于与单片机控制模块中的单片机U1的PD4、PD5、PD6、PD7相连。通过外接遥控模块，来用于输入阀芯即将抵达位置的控制信息，在实用中排插P1的第1引脚接入输入状态指示，当整个遥控模块工作时，LED4会亮起；处于非工作状态时，则熄灭。排插P1的第6、7引脚分别接入电源正负极。当遥控模块工作时，阀芯即将抵达位置将会由遥控模块直接传输给单片机控制模块。

如图5所示，所述手控模块由电阻R8、R9、R10、R11、R12、R13，光电耦合器O1、O2、O3和排插P4组成。该模块通过光电耦合器的数据输出与单片机控制模块中单片机U1的PD0、PF4、PD2相连。实用中通过排插P4外接三个按钮开关。所述按钮开关按下即代表输入阀芯即将抵达位置的信号，单片机按照“0°对应000，45°对应001，90°对应010，135°对应100，180°对应110”的关系，确定阀芯即将到达位置的信息。

当开关按下时，由于电阻R8、R9、R10一侧与电源模块5V电压相连接，使光电耦合器O1、O2、O3开始工作，对外输出一个高电平，光电耦合器O1、O2、O3都与单片机控制模块相连。当手控模块工作时，阀芯即将抵达位置的信号由手控模块直接传输给单片机控制模块。

所述状态显示模块由霍尔开关H1、H2、H3、H4、H5，LED灯LED1、LED2、LED3和电阻R5、R6、R7构成。图6为霍尔开关模块，该模块的五个霍尔开关H1、H2、H3、H4、H5的第2引脚分别与单片机控制模块内部的STM8芯片U1的PB2、PD3、PC3、PC4、PC5引脚相连。图7为LED灯模块，该模块的三个LED灯LED1、LED2、LED3与单片机控制模块内部的STM8芯片U1的PE5、PC6、PC7引脚相连。

阀芯定位则是通过结合球阀的阀芯结构，选择运用线选法配合霍尔开关。当阀芯转动使霍尔开关H1、H2、H3、H4、H5中任意一个开始工作时，当前阀芯位置信号会直接传给单片机U1，单片机U1通过线选法原则，使表示当前位置信号的LED灯亮起。

霍尔开关是一种利用霍尔效应的磁感应式电子开关，在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，内部集成的电路把磁输入信号转换成开关量电信号输出。本发明选用HX6286ESO型霍尔开关，HX6286ESO是一种单极霍尔效应传感器IC。它采用先进的斩波稳定技术，提供准确稳定的磁开关点。所述线选法即五个霍尔开关分别对应三盏LED指示灯的“000、001、010、100、110”五种状态，这五种状态通过STM8S105K6所控制三盏LED灯表示，即0代表灭，1代表亮。当阀芯上的电磁铁转动到霍尔开关上时，对应的霍尔开关就会输出数字信号“1”，然后再通过MCU转换，通过LED灯亮灭与否，确定阀芯所在位置。由此通过LED1、LED2、LED3便能直观显示当前阀芯所处的位置。

霍尔开关则是用作实时反馈的目的，将霍尔开关呈半圆等距离、等角度分布在以阀芯为圆心的半圆上，所以当任意一个霍尔开关的状态由0变成1时，单片机控制模块会按照“0度对应000，45度对应001，90度对应010，135度对应100，180度对应110”的对应关系将信息传达给状态显示模块。具体的，当阀芯位置位于0°时，对应的状态显示模块的三盏LED指示灯为“000”，阀芯位置位于45°时，对应的状态显示模块的三盏LED指示灯为“001”，以此类推。

所述反馈预警模块由运算放大器U6，二极管D2，电阻R1、R2、R3、R4，三极管Q1和蜂鸣器BUZ1组成，如图8和图9所示。电流监测预警则采用电流采样放大和蜂鸣器结合，该模块的运算放大器U6的第3引脚与主电路驱动模块内部的NMOS管Q2、Q4的输出引脚相连；运算放大器U6的第1引脚与单片机控制模块内部的单片机U1的PB3引脚相连；蜂鸣器BUZ1的输入引脚与单片机控制模块内部的单片机U1的PB4引脚相连。

由于运算放大器U6的输入端3号引脚与NMOS管Q4、Q2的输出端相连，运算放大器U6的输出端与单片机U1的PB3引脚相连，当阀芯工作时，单片机U1会反复检测反馈预警模块是否发来信号，一旦检测到电流出现异常信号发生，单片机U1会立即切断所有电源并且触发蜂鸣器BUZ1。

运算放大器U6选用的运放芯片是OPA376，该放大器在微小型封装中实现了最大25uA的低偏移电压与5.5MHz高带宽的完美组合。此外，该器件还提供7.5nV/sqrtHz的低噪声密度与最大950uA的低静态电流，目的是为了随时检测电机运行状态，一旦发现电流存在异常，即单片机检测到电流处于非正常状态，则立即触发蜂鸣器并对NMOS管断电，以达到保护硬件的目的。

所述电源电路由LM2575芯片U4、SPX1117芯片U5、电感L1，极性电容C5、C7，电容C6、C8、C9和二极管D4组成，如图10和图11。

电源模块考虑到工业控制现场复杂，所以选择单电压源接入，外部电压只需要满足12—36V范围即可。本模块可以将电源转换电路分成两个子模块，一个是直流或者交流的24V电压转换为12V电压的子模块，另一个是12V电压转换为5V电压的子模块。具体的,通过LM2575D2T-12和SPX-1117两种芯片对输入进来的电压值进行转换，通过LM2575芯片U4转化为稳定的12V内部电源，通过SPX1117芯片U5转化为稳定的5V内部电源，为整个硬件设备提供稳定的电源。LM2575D2T-12稳压器是单片集成电路，在指定的输入电压和输出负载条件下，输出电压的保证公差为+4％，振荡器频率的公差为10％。SPX1117是一个低压差电压调节器，其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V。

该模块内部的LM2575芯片U4的第1引脚与主电路驱动模块内部的整流桥BRIGR1的V+引脚相连，U5的3号引脚与C7的正极相连，U4的第3、6引脚与该模块内部芯片U5的1号引脚均接地。其中在直流24V转换为12V的子模块中，C6电容的主要作用是滤出直流24V中的电流中的杂波，C5极性电容是为了防止由于各种原因造成的瞬间电压过大，所以出于安全的考虑，电容可承受的电压应该在输入电压的1.5倍左右，所以本发明选择了470uf耐压50V的极性电解电容。L1是一个330uh的电感用作储能电感。D4是一个SS54的续流二极管，为L1续流。虽然二级管的额定电流值应大于最大负载电流的1.2倍，但考虑到负载短路的情况，二极管的额定电流值大于LM2575的最大电流限制。C7是一个470uf极性大电容，主要作用是配合L1滤波，同时增加电路的稳定性，如果电容太大，将会对其他元器件有所损害，如果电容太小，就会使整个环路不稳定。C8、C9电容的主要作用是为了滤波，C8的作用是输入滤波，C9的作用是输出滤波。

采用双控多档位球阀控制系统对球阀转动进行控制时，具体操作如下：

当手控模块接收到外界传入信号时，手控模块中的光电耦合器将位置信号通过STM8单片机U1的PD0、PF4、PD2引脚将信号传入单片机控制模块，遥控模块则直接通过单片机U1的PD4、PD5、PD6、PD7引脚将信号传入单片机控制模块。单片机控制模块将信号处理完后通过PB0、PB1、PC1、PC2控制主电路驱动模块，从而达到控制阀芯转动。同时，主电路驱动模块的电流将通过NMOS管Q2、Q4的漏极流入反馈预警模块，通过反馈预警模块中的运算放大器U6放大后，通过单片机U1的PB3引脚传入单片机控制模块，若单片机控制模块判断电流异常，则立即通过单片机STM8单片机U1的PB4传出信号，触发反馈预警模块中的蜂鸣器BUZ1，同时通过单片机U1的PD0、PF4、PD2引脚输入至主电路驱动模块，从而使阀芯停止运动。整个控制过程中由电源模块为该系统供电。

Claims (5)

1.一种双控多档位球阀控制系统，其特征在于：

包括单片机控制模块、主电路驱动模块、控制模块、电源模块、反馈预警模块与状态显示模块；

所述主电路驱动模块包括整流桥BRIGR1，以及由四个NMOS管构成的全桥驱动电路与驱动芯片IR2101组成的BOOST升压电路；所述主电路驱动模块与单片机控制模块、反馈预警模块相连接；

所述单片机控制模块的核心芯片采用STM8芯片，与主电路驱动模块、控制模块、反馈预警模块、状态显示模块相连接；

所述反馈预警模块包括运算放大器U6、蜂鸣器BUZ1，用于阀芯工作时电流异常触发蜂鸣预警；

所述状态显示模块包括五个霍尔开关和三个LED灯，均与单片机控制模块相连接，用以确定阀芯所在位置；

所述控制模块包括手控模块和遥控模块，实现远近控制；

所述电源模块包括24V转12V和12V转5V两个子模块，为整个控制系统提供稳定的电源。

2.根据权利要求1所述的一种双控多档位球阀控制系统，其特征在于：

所述电源模块则采用LM2575和SPX117作为电源转换芯片。

3.根据权利要求1所述的一种双控多档位球阀控制系统，其特征在于：

所述反馈预警模块中采用OPA376运算放大器作为核心芯片。

4.根据权利要求1所述的一种双控多档位球阀控制系统，其特征在于：

所述霍尔开关等角度、等距离布置在以阀芯转动轴为圆心的半圆上，将阀芯所处0°、45°、90°、135°和180°的五个位置状态分别对应三盏LED灯的五个显示状态。

5.一种双控多档位球阀控制方法，采用根据权利要求1-4任一项所述的一种多档位球阀控制系统，其特征在于：

当手控模块接收到外界输入信号时，手控模块中的光电耦合器将位置信号输入至单片机控制模块；

当遥控模块输入信号时，通过STM8芯片的PD4、PD5、PD6、PD7引脚将位置信号输入单片机控制模块；

所述单片机控制模块将接收的阀芯即将抵达位置的信号进行处理后，输入至主电路驱动模块，从而控制球阀阀芯的转动；同时，主电路驱动模块的电流将通过NMOS管流入反馈预警模块，反馈预警模块将电流信号处理后输入至单片机控制模块，由单片机控制模块判断电流是否异常；如检测得到信号异常，单片机控制模块触发反馈预警模块中的蜂鸣器BUZ1，并通过主电路驱动模块控制阀芯停止运动。

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