智能阀门控制器遥控装置的设计与开发

引言

目前，国产阀门定位器很少有遥控功能，但在许多工业现场工作条件恶劣，而且阀门一般都是高位，给现场调试工作带来很多不便。

1　总体设计

智能阀门控制器遥控装置直接对阀门进行控制，不仅能完成信号给定、设置执行器参数等功能，还能接收并显示执行器反馈回来的实际值。该遥控装备主要包含5个模块：电源模块、键盘模块、液晶显示模块、发送模块和接收模块。

2　红外遥控程序的总体框图

由于本系统使用电池供电，所以采用典型的低功耗程序框架，如图1所示。主程序只是完成系统初始化，如中断设置、端口分配和时钟调度等，然后系统进入低功耗模式，这时系统的功耗在协A数量级的范围。任何一个中断事件都可以在6微秒的时间内把系统从低功耗模式唤醒，进入活动模式，执行中断服务程序。执行完毕，在RETI指令后，系统返回到中断前的状态，继续低功耗模式。

图1　遥控器总体框图

对应于本系统要实现的功能，把P2.0口设置为红外接受信号的捕获中断口，把单片机P1.0，Pl.l，P1.2，P1.3设置为键盘输入中断口，同时利用锁频环FLL+技术将系统频率MCLK的时钟源锁定为DCOCLK，经计算为1MHz。

在主程序进入低功耗模式时还有两个外部中断子程序来响应外部事件，一个是键盘子程序，当有键按下的时候，把键值存下来，对键值标志位置位，然后执行响应的操作；另一个外部中断程序是红外信号中断子程序，当有红外信号输入时，程序自动跳入红外中断子程序，完成红外信号的接收以及对接收数据的处理。

3　各功能模块的选择与设计

3.1　单片机的选择

设计红外遥控器选用了单片机MSP430F413.MSP430单片机是TI公司1999年通过利尔达单片机技术有限公司向国内推广的一种新型超低功耗单片机，其主要特点是超低功耗，可以用3V电源供电，具有强大的处理功能，系统工作稳定，并具有丰富的片内外设和方便的开发环境，使用寿命也很长。

3.2　电源模块

由于MSP430单片机的工作电压为1.8～3.6V，所以选用两节普通5号电池供电即可，其电路图如图2所示，左端为电池输入信号，经过两个电容滤波后供给MSP430作电源。此外，由于系统复位的需要，作者设计了上电复位和手动复位电路，复位信号给MSP430F413的RST/NMI引脚来实现复位。

图2　电源模块电路图

3.3　键盘模块

键盘是人机对话的输入设备，借助键盘可向系统设置参数，发出控制指令等。在实际使用中，因为单片机的运行速度相对于操作者的按键速度非常快，所以当一次按键按下的时候，由于实际键盘的抖动，单片机就会检测到几个低电平，系统会认为按下了几次键，为此在设计键盘时加入了软件延时来去抖。

键盘电路根据需要设计了16位的键盘，其中0~9为10个数字键，剩下的6个键依次为“给定值"键、“改零值"键“、改幅值"键“、小数点"键、“确定"键和“取消"键。其中“给定值"键是用来给定执行器的开度的“，改零值"键用来修改执行器的零点位置“，“改幅度"键用来设定执行器的幅值，“确定"键是用户在输入了正确的指令以后用来发出指令的按键“，取消"键是当用户发现输入错误指令时用来修改指令的按键。

在硬件的设计中，利用MSP430F413单片机的P1.0～P1.3脚和P6.4～P6.7脚做键盘的行列扫描线，其中引脚P1.0～P1.3具有中断功能。初始化时把P6.4～P6.7设为高电平，当有键按下时，Pl.0～P1.3具有中断功能的引脚会有电平的跳变，于是程序跳入键盘中断服务程序。

在键盘中断服务程序中，为了防止单片机把键盘抖动看作是按键过程，设置了软件延时程序来消抖。

程序开始时关闭所有P1口的中断，然后判断有无按键按下，如果没有则跳出中断程序；如果有按键按下则延时10ms再次判断有无按键按下，如果没有，则说明刚才是干扰信号，程序跳出，如果这时还有键按下，则判断键值，并存储键值以备后用。然后判断按键是否释放，直到按键释放，程序把P1端口中断打开，等待下一个键盘中断的进入，程序完毕。

3.4　显示模块

由于液晶的功耗较低，为此在遥控器的显示模块中选用液晶做显示模块。液晶本身是不发光的，它是通过反射环境光线来实现其显示的。液晶的驱动需要交流信号，直流驱动将会损坏液晶。在驱动电路中，液晶可以等效为电容，两个电极板分别为公共极与段极。公共极由MSP430F413的COMn信号驱动，段极由SEGn信号驱动。液晶所需要的模拟信号由外部提供，加在R33、R23、R13及R03的引脚上，一般是通过外接的等值电阻产生。液晶电路原理图如图3所示。

图3　液晶电路原理图

当没有R33和R03时，V1就是Vcc，V5就是Vss，它们在内部已经连接好了。当有R33和R03时，则将提供给设计者两个方便：（1）R33被转换到Vcc输出，由于Vcc串接了电阻，将降低电流消耗；（2）R03在内部没有直接接在Vss端，则允许设计者控制液晶的偏置电压，那么可以在温度漂移时进行温度补偿，使得液晶对比度在正常状态。

3.5　红外发送模块

图4　红外发射电路

红外发射电路如图4所示，在这里选用普通的红外发光二极管（SE303、PH303）来发射红外信号，利用MSP430F413的P2.1口作输出口。当P2.1口输出高电平时，NPN管导通，于是红外发光二极管开始有导通电流通过，并开始发射红外光。红外发光二极管的工作电流一般为20mA，它的压降约为1.4V，可计算出R9的阻值大约为R9=（3-1.4）/20mA=80Ω。

经过多次实验，选用了100Ω的电阻作限流电阻，使发光距离达到8m的要求。

3.6　红外接收模块

红外接收电路选用Vishay公司生产的3V驱动红外接收模块TSOP1838SS3V。该接收模块是一个三端元件，使用单电源+3V电源，具有功耗低、抗干扰能力强、输入灵敏度高、对其他波长（950nm以外）的红外光不敏感的特点。

TSOP1838SS3V的工作原理为：首先，通过红外光敏元件将接收到的载波频率为38kHz的脉冲调制红外光信号转化为电信号，再由前放大器和自动增益控制电路进行放大处理；然后，通过带通滤波器进行滤波，滤波后的信号由解调电路进行解调；zui后，由输出级电路进行反向放大输出。

图5　红外接收电路

为保证红外接收模块TSOP1838SS3V接收的准确性，要求发送端载波信号的频率应尽可能接近38kHz。利用上述红外收发电路构成的红外信道zui大通信距离为8m。如图5所示，红外接收头需要工作在直流+3V的电源下，所以Vcc接+3V，GND接地，信号从OUT引脚引出，进入MSP430F413的P2.0口。MSP430F413的P2口是有中断能力的引脚，当TSOP1838SS3V接收到红外信号就会将其转换的电平从OUT脚输出，P2.0口就会产生一个中断，进入红外中断服务程序，进而判断是什么信号，并且对信号做出反应。

4　结束语

作者设计开发了智能阀门控制器遥控装置，给出了整体结构、发射接收电路及单片机的具体实现。采用遥控装置可以确保在现场调节恶劣的环境下实现对阀门的远端控制，保证操作者的安全以及控制的有效性和准确性。实际应用结果表明，该遥控装置操作简单，实现方便，具有很强的应用推广价值，比进口产品成本降低40%。