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智能閥門控制器遙控裝置的設(shè)計與開發(fā)
點擊次數(shù)：1080 發(fā)布時間：2015-9-17
引言
目前，國產(chǎn)閥門定位器很少有遙控功能，但在許多工業(yè)現(xiàn)場工作條件惡劣，而且閥門一般都是高位，給現(xiàn)場調(diào)試工作帶來很多不便。
1 總體設(shè)計
智能閥門控制器遙控裝置直接對閥門進行控制，不僅能完成信號給定、設(shè)置執(zhí)行器參數(shù)等功能，還能接收并顯示執(zhí)行器反饋回來的實際值。該遙控裝備主要包含5個模塊：電源模塊、鍵盤模塊、液晶顯示模塊、發(fā)送模塊和接收模塊。
2 紅外遙控程序的總體框圖
由于本系統(tǒng)使用電池供電，所以采用典型的低功耗程序框架，如圖1所示。主程序只是完成系統(tǒng)初始化，如中斷設(shè)置、端口分配和時鐘調(diào)度等，然后系統(tǒng)進入低功耗模式，這時系統(tǒng)的功耗在協(xié)A數(shù)量級的范圍。任何一個中斷事件都可以在6微秒的時間內(nèi)把系統(tǒng)從低功耗模式喚醒，進入活動模式，執(zhí)行中斷服務程序。執(zhí)行完畢，在RETI指令后，系統(tǒng)返回到中斷前的狀態(tài)，繼續(xù)低功耗模式。
圖1 遙控器總體框圖
對應于本系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，把P2.0口設(shè)置為紅外接受信號的捕獲中斷口，把單片機P1.0，Pl.l，P1.2，P1.3設(shè)置為鍵盤輸入中斷口，同時利用鎖頻環(huán)FLL+技術(shù)將系統(tǒng)頻率MCLK的時鐘源鎖定為DCOCLK，經(jīng)計算為1MHz。
在主程序進入低功耗模式時還有兩個外部中斷子程序來響應外部事件，一個是鍵盤子程序，當有鍵按下的時候，把鍵值存下來，對鍵值標志位置位，然后執(zhí)行響應的操作；另一個外部中斷程序是紅外信號中斷子程序，當有紅外信號輸入時，程序自動跳入紅外中斷子程序，完成紅外信號的接收以及對接收數(shù)據(jù)的處理。
3 各功能模塊的選擇與設(shè)計
3.1 單片機的選擇
設(shè)計紅外遙控器選用了單片機MSP430F413.MSP430單片機是TI公司1999年通過利爾達單片機技術(shù)有限公司向國內(nèi)推廣的一種新型超低功耗單片機，其主要特點是超低功耗，可以用3V電源供電，具有強大的處理功能，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并具有豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便的開發(fā)環(huán)境，使用壽命也很長。
3.2 電源模塊
由于MSP430單片機的工作電壓為1.8～3.6V，所以選用兩節(jié)普通5號電池供電即可，其電路圖如圖2所示，左端為電池輸入信號，經(jīng)過兩個電容濾波后供給MSP430作電源。此外，由于系統(tǒng)復位的需要，作者設(shè)計了上電復位和手動復位電路，復位信號給MSP430F413的RST/NMI引腳來實現(xiàn)復位。
圖2 電源模塊電路圖
3.3 鍵盤模塊
鍵盤是人機對話的輸入設(shè)備，借助鍵盤可向系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)，發(fā)出控制指令等。在實際使用中，因為單片機的運行速度相對于操作者的按鍵速度非?？?，所以當一次按鍵按下的時候，由于實際鍵盤的抖動，單片機就會檢測到幾個低電平，系統(tǒng)會認為按下了幾次鍵，為此在設(shè)計鍵盤時加入了軟件延時來去抖。
鍵盤電路根據(jù)需要設(shè)計了16位的鍵盤，其中0~9為10個數(shù)字鍵，剩下的6個鍵依次為“給定值"鍵、“改零值"鍵“、改幅值"鍵“、小數(shù)點"鍵、“確定"鍵和“取消"鍵。其中“給定值"鍵是用來給定執(zhí)行器的開度的“，改零值"鍵用來修改執(zhí)行器的零點位置“，“改幅度"鍵用來設(shè)定執(zhí)行器的幅值，“確定"鍵是用戶在輸入了正確的指令以后用來發(fā)出指令的按鍵“，取消"鍵是當用戶發(fā)現(xiàn)輸入錯誤指令時用來修改指令的按鍵。
在硬件的設(shè)計中，利用MSP430F413單片機的P1.0～P1.3腳和P6.4～P6.7腳做鍵盤的行列掃描線，其中引腳P1.0～P1.3具有中斷功能。初始化時把P6.4～P6.7設(shè)為高電平，當有鍵按下時，Pl.0～P1.3具有中斷功能的引腳會有電平的跳變，于是程序跳入鍵盤中斷服務程序。
在鍵盤中斷服務程序中，為了防止單片機把鍵盤抖動看作是按鍵過程，設(shè)置了軟件延時程序來消抖。
程序開始時關(guān)閉所有P1口的中斷，然后判斷有無按鍵按下，如果沒有則跳出中斷程序；如果有按鍵按下則延時10ms再次判斷有無按鍵按下，如果沒有，則說明剛才是干擾信號，程序跳出，如果這時還有鍵按下，則判斷鍵值，并存儲鍵值以備后用。然后判斷按鍵是否釋放，直到按鍵釋放，程序把P1端口中斷打開，等待下一個鍵盤中斷的進入，程序完畢。
3.4 顯示模塊
由于液晶的功耗較低，為此在遙控器的顯示模塊中選用液晶做顯示模塊。液晶本身是不發(fā)光的，它是通過反射環(huán)境光線來實現(xiàn)其顯示的。液晶的驅(qū)動需要交流信號，直流驅(qū)動將會損壞液晶。在驅(qū)動電路中，液晶可以等效為電容，兩個電極板分別為公共極與段極。公共極由MSP430F413的COMn信號驅(qū)動，段極由SEGn信號驅(qū)動。液晶所需要的模擬信號由外部提供，加在R33、R23、R13及R03的引腳上，一般是通過外接的等值電阻產(chǎn)生。液晶電路原理圖如圖3所示。
圖3 液晶電路原理圖
當沒有R33和R03時，V1就是Vcc，V5就是Vss，它們在內(nèi)部已經(jīng)連接好了。當有R33和R03時，則將提供給設(shè)計者兩個方便：（1）R33被轉(zhuǎn)換到Vcc輸出，由于Vcc串接了電阻，將降低電流消耗；（2）R03在內(nèi)部沒有直接接在Vss端，則允許設(shè)計者控制液晶的偏置電壓，那么可以在溫度漂移時進行溫度補償，使得液晶對比度在正常狀態(tài)。
3.5 紅外發(fā)送模塊
圖4 紅外發(fā)射電路
紅外發(fā)射電路如圖4所示，在這里選用普通的紅外發(fā)光二極管（SE303、PH303）來發(fā)射紅外信號，利用MSP430F413的P2.1口作輸出口。當P2.1口輸出高電平時，NPN管導通，于是紅外發(fā)光二極管開始有導通電流通過，并開始發(fā)射紅外光。紅外發(fā)光二極管的工作電流一般為20mA，它的壓降約為1.4V，可計算出R9的阻值大約為R9=（3-1.4）/20mA=80Ω。
經(jīng)過多次實驗，選用了100Ω的電阻作限流電阻，使發(fā)光距離達到8m的要求。
3.6 紅外接收模塊
紅外接收電路選用Vishay公司生產(chǎn)的3V驅(qū)動紅外接收模塊TSOP1838SS3V。該接收模塊是一個三端元件，使用單電源+3V電源，具有功耗低、抗干擾能力強、輸入靈敏度高、對其他波長（950nm以外）的紅外光不敏感的特點。
TSOP1838SS3V的工作原理為：首先，通過紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38kHz的脈沖調(diào)制紅外光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再由前放大器和自動增益控制電路進行放大處理；然后，通過帶通濾波器進行濾波，濾波后的信號由解調(diào)電路進行解調(diào)；zui后，由輸出級電路進行反向放大輸出。
圖5 紅外接收電路
為保證紅外接收模塊TSOP1838SS3V接收的準確性，要求發(fā)送端載波信號的頻率應盡可能接近38kHz。利用上述紅外收發(fā)電路構(gòu)成的紅外信道zui大通信距離為8m。如圖5所示，紅外接收頭需要工作在直流+3V的電源下，所以Vcc接+3V，GND接地，信號從OUT引腳引出，進入MSP430F413的P2.0口。MSP430F413的P2口是有中斷能力的引腳，當TSOP1838SS3V接收到紅外信號就會將其轉(zhuǎn)換的電平從OUT腳輸出，P2.0口就會產(chǎn)生一個中斷，進入紅外中斷服務程序，進而判斷是什么信號，并且對信號做出反應。
4 結(jié)束語
作者設(shè)計開發(fā)了智能閥門控制器遙控裝置，給出了整體結(jié)構(gòu)、發(fā)射接收電路及單片機的具體實現(xiàn)。采用遙控裝置可以確保在現(xiàn)場調(diào)節(jié)惡劣的環(huán)境下實現(xiàn)對閥門的遠端控制，保證操作者的安全以及控制的有效性和準確性。實際應用結(jié)果表明，該遙控裝置操作簡單，實現(xiàn)方便，具有很強的應用推廣價值，比進口產(chǎn)品成本降低40%。