基于紅外傳感器的數(shù)控電動閥

李自臣，陳 梅

（烏魯木齊職業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830002）

基于紅外傳感器的數(shù)控電動閥

李自臣，陳 梅

（烏魯木齊職業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830002）

以"0、1"組合的數(shù)字信號作為數(shù)控電動閥的執(zhí)行信號，以紅外傳感器、球閥、7字形電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動電路為硬件核心，完成了數(shù)控電動閥門的位置檢測、閥門電機(jī)驅(qū)動與信號傳輸電路等電路設(shè)計(jì)。采用紅外傳感器反饋閥門開合狀態(tài)的控制方式，對球閥開度進(jìn)行控制，進(jìn)而對管道內(nèi)的流動液體實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的流速與流量控制，經(jīng)試驗(yàn)測定表明此電動閥門裝置集成度高、控制靈活、結(jié)構(gòu)簡單，可操控性強(qiáng)，適合工農(nóng)業(yè)和科研實(shí)驗(yàn)室的流速與流量控制使用。

球閥流速控制；流量控制；紅外傳感器；電機(jī)；反饋控制

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究及科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，時(shí)常需要考慮流量計(jì)量和流速控制問題[1]。 目前用于管道中流量和流速控制的閥門主要以機(jī)械閥門和電磁閥門為主，這類計(jì)量儀器儀表已經(jīng)成為許多過程控制和檢測儀器儀表中的重要組成部分[2]。在選購流量儀表時(shí)需要考慮準(zhǔn)確度、抗干擾能力、集成度、接口及使用方便程度等因素，而國內(nèi)數(shù)控電動閥門技術(shù)與國外相比有較大差距，國內(nèi)數(shù)控電動閥主要存在結(jié)構(gòu)不合理，控制精度低，安全性能差等不足之處。隨著電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)廠家對數(shù)控電動閥門進(jìn)行研究，各項(xiàng)指標(biāo)和性能在逐步提高，但成本也隨之增加，產(chǎn)品價(jià)格比較昂貴[3]。文中描述了一種基于反饋控制的數(shù)控電動閥門的設(shè)計(jì)過程。

1 數(shù)控閥門整體結(jié)構(gòu)及實(shí)施原理

本裝置主要硬件包括7字型電機(jī)、球閥、電機(jī)與球閥連接支架、閥門驅(qū)動電路、扇形金屬片和紅外傳感器（U型光電開關(guān)）等組成。其中電機(jī)轉(zhuǎn)軸與球閥轉(zhuǎn)軸連為一體，并在電機(jī)轉(zhuǎn)軸末端固定有扇形金屬片，金屬片扇面角度與球閥閥體角度存在一定關(guān)系（無論電機(jī)帶動球閥正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，當(dāng)球閥開通或閉合的時(shí)候金屬片保證剛好使得紅外傳感器信號發(fā)生改變），并與球閥處于同一個(gè)中心，具體連接如圖1所示。

從圖1和圖2可知，7字型電機(jī)1與閥門驅(qū)動電路板2上的電機(jī)驅(qū)動接口15電聯(lián)接，U型光電開關(guān)8與閥門驅(qū)動電路板2上的紅外線反饋信號端口6電聯(lián)接，閥門驅(qū)動電路板2上的數(shù)字信號控制1端口4及數(shù)字信號控制2端口5與外部控制電路電聯(lián)接，閥門驅(qū)動電路板2上的12V電源接口與外部電源連接，為7字型電機(jī)1提供工作電源，閥門驅(qū)動電路板2上的5V電源接口7與外部電源連接，為閥門驅(qū)動電路板2提供工作電源；扇形阻擋片10的圓心固定設(shè)于7字型電機(jī)轉(zhuǎn)軸14軸心，扇形阻擋片10與U型光電開關(guān)8之間的相對位置關(guān)系為：當(dāng)球閥12剛剛開啟或完全閉合時(shí)，扇形阻擋片10剛好旋轉(zhuǎn)至U型光電開關(guān)8的接收端，對U型光電開關(guān)8形成信號阻斷；閥門驅(qū)動電路板2、U型光電開關(guān)8、扇形阻擋片10均置于所述7字型電機(jī)1的基座上。

此裝置的基本工作原理是通過紅外傳感器反饋閥門的開、閉信號，并通過外部控制電路與閥門驅(qū)動電路來實(shí)現(xiàn)球閥的開度調(diào)節(jié)。

圖1 數(shù)控電動閥門示意圖

圖2 扇形金屬片與球閥轉(zhuǎn)軸及紅外傳感器安裝縱面示意圖

2 主要硬件

2.1 7字型電機(jī)

7字型電機(jī)屬于直流減速電機(jī)的一種，因電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，易啟動，易維護(hù)，壽命長，低能耗，高轉(zhuǎn)速，高扭矩等優(yōu)點(diǎn)，被眾多工程設(shè)計(jì)者親眸[4]。該類產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于監(jiān)控系統(tǒng)、遙控窗簾、自動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、泵驅(qū)動，烤爐，舞臺燈光，電動閥門等多個(gè)應(yīng)用場景[5]。

2.2 球 閥

閥門是管路流體輸送系統(tǒng)中主要的控制部件，常用于調(diào)節(jié)介質(zhì)流動方向和通路斷面，具有導(dǎo)流、節(jié)流、分流、溢流卸壓、截止或止回等功能[6]。用于流體控制的閥門，其品種和規(guī)格繁多，可用于控制水、蒸汽、油品、熔融液體、泥漿、各種腐蝕性介質(zhì)、液態(tài)金屬和放射性流體等各種類型流體地流動。閥門的工作壓力可以從0.001 3MPa到1 000MPa的超高壓，工作溫度可以c-270℃的超低溫到1 430℃的高溫[7]。

球閥是眾多閥門品種中最常用的閥門之一。因其具有流體阻力小、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、緊密可靠、維修方便、適用范圍廣等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于石油煉制、長輸管線、化工、造紙、制藥、水利、電力、市政、鋼鐵等行業(yè)[8]。本應(yīng)用中通過電動方式控制球閥，閥門在傳感信號的作用下，通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)使啟閉件作回轉(zhuǎn)運(yùn)動，進(jìn)而改變其流道面積的大小以實(shí)現(xiàn)其控制功能。

2.3 U型光電開關(guān)

U型光電開關(guān)是對射式光電開關(guān)的一種即槽型光電開關(guān)，此類開關(guān)由紅外線發(fā)射管和紅外線接收管組合而成，是一款紅外線感應(yīng)光電產(chǎn)品[9]。U型光電開關(guān)中槽的寬度決定了感應(yīng)接收信號的強(qiáng)弱與接收信號的距離，它以光為媒體，由發(fā)光體與受光體間的紅外光進(jìn)行接收與轉(zhuǎn)換，檢測物體的位置。U型光電開關(guān)靈敏度高，高分辨率，抗干擾能力強(qiáng)，可直接與邏輯電路和光電耦器連接，比較安全可靠，適合檢測高速變化，可以調(diào)節(jié)靈敏度[10]。U型光電開關(guān)在電子設(shè)備上應(yīng)用非常廣泛[11]。

3 閥門電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，閥門電機(jī)驅(qū)動電路原理為：當(dāng)數(shù)字信號控制1通過圖的端口4和數(shù)字信號控制2通過圖1的端口5接收到“01”信號時(shí)，圖1中電機(jī)驅(qū)動接口15會產(chǎn)生促使7字型電機(jī)1向某一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的電壓，如順時(shí)針方向；當(dāng)數(shù)字信號控制1端口4和數(shù)字信號控制2端口5接收到“10”信號時(shí)，電機(jī)驅(qū)動接口15會產(chǎn)生促使7字型電機(jī)1向相反方向旋轉(zhuǎn)的電壓，如逆時(shí)針方向；7字型電機(jī)1的具體旋轉(zhuǎn)方向根據(jù)實(shí)際連接情況而定。圖1中U型光電開關(guān)8在扇形阻擋片10沒有遮擋光信號的情況下，傳遞的反饋信號是“1”；當(dāng)扇形阻擋片遮擋光信號后，傳遞的反饋信號是“0”。由此閥門的控制系統(tǒng)通過檢測傳遞的反饋信號來判斷閥門的開合狀態(tài)，通過檢測控制信號的執(zhí)行時(shí)間判斷閥門的開度。

圖3 控制驅(qū)動電路圖

4 系統(tǒng)測試

測試系統(tǒng)以水為測試對象，因4分管道最常見，故選用4分球閥。同時(shí)為實(shí)時(shí)檢測通過調(diào)節(jié)閥門開度進(jìn)而調(diào)節(jié)流速與流量，選擇4分口的水渦輪傳感器。流量范圍：流量1-30L/分，最小啟動流量1.25L/min，工作電壓范圍：DC3V-18V，額定電壓：5V[12]。7字形電機(jī)工作電壓：12～24V，DC:12V空載 47轉(zhuǎn)／分鐘，額定扭矩（kgf.cm）：6.5，最大扭矩（kgf.cm）：12，驅(qū)動電路中提供12V直流電壓[13]。測試系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為下位機(jī)控制中心的，承擔(dān)采樣計(jì)算、顯示控制和流量控制等過程，上位PC機(jī)通過RS485通訊電路與下位機(jī)通信，獲取控制狀態(tài)。本系統(tǒng)采用C語言進(jìn)行開發(fā)。

圖4 數(shù)控閥門對管道流體的控制測試

系統(tǒng)運(yùn)行原理：系統(tǒng)啟動后，初始化過程由單片機(jī)控制電路通過圖1的U型光電開關(guān)8傳遞給紅外線反饋信號端口6的反饋信號確定球閥12處于開啟（“1”表示開啟）還是關(guān)閉（“0”表示關(guān)閉）狀態(tài)，進(jìn)一步確定向圖1的數(shù)字信號控制1端口4和數(shù)字信號控制2端口5輸入代表7字型電機(jī)1旋轉(zhuǎn)方向的數(shù)字信號，將閥門調(diào)整到即將打開的臨界狀態(tài)。正常工作模式中，經(jīng)LCD1602顯示器提示用戶鍵盤輸入希望達(dá)到的瞬時(shí)流量范圍量值，按鍵確認(rèn)后，系統(tǒng)分析計(jì)算出打開閥門的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)數(shù)字信號“01”的執(zhí)行時(shí)間，輸送給電機(jī)驅(qū)動電路，驅(qū)動電路驅(qū)動7字形電機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)而確定閥門的開度。隨后，單片機(jī)在中斷子程序中以中斷方式采集渦輪傳感器經(jīng)放大送來的脈沖信號。此時(shí)，單片機(jī)中定時(shí)器計(jì)時(shí)也同時(shí)進(jìn)行著（系統(tǒng)中晶振為11.0592MHZ）瞬時(shí)流量統(tǒng)計(jì)，依據(jù)采集的瞬時(shí)流量適度調(diào)整閥門順時(shí)針或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)間，快速將瞬時(shí)流量調(diào)整在一定范圍內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)通過鍵盤或者pc端接收到停止工作指令后，關(guān)閉閥門，等待新一輪的控制。在這個(gè)過程中系統(tǒng)可以通過RS485串口響應(yīng)來自PC端的獲取流量數(shù)據(jù)的請求。

正常工作模式中，通過單片機(jī)控制電路輸入“01”信號，7字型電機(jī)1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，紅外線反饋信號由“0”變換成“1”時(shí)，說明球閥12開始逐漸打開；若紅外線反饋信號由“1”變換成“0”時(shí)，說明球閥12完全關(guān)閉；根據(jù)7字型電機(jī)1的旋轉(zhuǎn)時(shí)間，當(dāng)球閥12旋轉(zhuǎn)至所需開度時(shí)，通過單片機(jī)控制電路輸入“00”信號即可使球閥12停止旋轉(zhuǎn)。當(dāng)球閥12開度過大時(shí)，通過單片機(jī)控制電路輸入“10”信號，7字型電機(jī)1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整球閥12開度。當(dāng)球閥12需要關(guān)閉時(shí)，繼續(xù)通過單片機(jī)控制電路輸入“10”信號，直至紅外線反饋信號由“1”變換成“0”時(shí)再通過控制電路輸入“00”信號，球閥12處于關(guān)閉狀態(tài)。使用過程中，只需通過單片機(jī)控制電路做好數(shù)字信號控制1端口4、數(shù)字信號控制2端口5和紅外線反饋信號端口6的組合使用，便能靈活控制球閥12的開關(guān)和開度。實(shí)際測試結(jié)果（以民用自來水為例）如表5所示。

表5 實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

經(jīng)過多次測量，統(tǒng)計(jì)出的表5范圍值。分析表中測試數(shù)據(jù)可知，此裝置可以根據(jù)實(shí)際需要快速調(diào)節(jié)閥門的開度，通過開度大小的變化，進(jìn)一步調(diào)整管道流體的瞬時(shí)流量。后期可以嘗試對瞬時(shí)流量的精確控制，比如采用增量式PID控制算法。

5 注意事項(xiàng)

以單片機(jī)、7字形電機(jī)、渦輪流量傳感器和數(shù)控閥門為組件的控制系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：

1）整個(gè)測試裝置安裝時(shí)，如果渦輪流量計(jì)安裝在閥門出水口后端測試數(shù)據(jù)波動較大，最好安裝在數(shù)控閥門進(jìn)水口端，保證測量的準(zhǔn)確性。

2）如果希望提高整個(gè)控制裝置的閥門調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間，可以通過提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速，如果嘗試將此裝置用于大型管道，需要考慮電機(jī)轉(zhuǎn)動閥門的扭力大小比例。

3）在將電機(jī)轉(zhuǎn)軸與閥門轉(zhuǎn)軸進(jìn)行連接時(shí)，需要注意兩個(gè)軸心的對接，如果兩個(gè)軸的軸心不在一條線上，電機(jī)轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)閥門開度時(shí)易引起兩軸振動，不能保證裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語

數(shù)控電動閥門以7字形電機(jī)、紅外傳感器、電機(jī)驅(qū)動電路、球閥為主要裝置，通過單片機(jī)等外部控制電路發(fā)布“0、1”組合的數(shù)字信號及控制信號持續(xù)時(shí)間實(shí)現(xiàn)對閥門開度的控制，通過紅外傳感器反饋閥門的開合狀態(tài)，進(jìn)一步達(dá)到對流量和流速的監(jiān)測。測試系統(tǒng)中采用C語言進(jìn)行開發(fā)，用RS485串口連接PC機(jī)，適合工業(yè)控制和科研實(shí)驗(yàn)中對儀表的二次開發(fā)使用[14]。如果在控制系統(tǒng)的中加入增量式PID等控制算法，可以為流速控制提供較好的軟硬件環(huán)境[15]。另外，此裝置可以依據(jù)使用環(huán)境的要求不同采用不同的電機(jī)和不同尺寸的球閥，驅(qū)動電路電壓也可根據(jù)電機(jī)動力需求不同進(jìn)行調(diào)配。此裝置設(shè)計(jì)簡單、性價(jià)比較高，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

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Based on infrared sensors NC electric valve

LI Zi-chen，CHEN Mei
（Information and Technology College of Urumqi Vocational University，Urumqi 830002，China）

Digital signal"0、1"as a combination of numerical performing signal electric valve， infrared sensors， ball-shaped motor 7， the motor drive circuit as the hardware core， the position detection is completed NC electric valve，and the valve motor drive transmission signal circuit design circuit.Infrared sensor feedback valve open and close state control of the valve opening is controlled，and then the flow of fluid within the pipe to achieve a flow rate and flow control within a certain range，the test indicates that the measured electric valve device is highly integrated， flexible control simple structure，maneuverability， suitable for industry， agriculture and research laboratories velocity and flow control use.

ball valve； velocity control； flow control； infrared sensor； motors； feedback control

TN99

：A

：1674－6236（2017）15-0166-04

2016-07-05稿件編號：201607027

李自臣（1979—），男，重慶人，碩士，高級工程師。研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)。