引言

目前，國(guó)產(chǎn)閥門(mén)定位器很少有遙控功能，但在許多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作條件惡劣，而且閥門(mén)一般都是高位，給現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作帶來(lái)很多不便。

1　總體設(shè)計(jì)

智能閥門(mén)控制器遙控裝置直接對(duì)閥門(mén)進(jìn)行控制，不僅能完成信號(hào)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(lái)的實(shí)際值。該遙控裝備主要包含5個(gè)模塊：電源模塊、鍵盤(pán)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(shí)鐘調(diào)度等，然后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，這時(shí)系統(tǒng)的功耗在協(xié)A數(shù)量級(jí)的范圍。任何一個(gè)中斷事件都可以在6微秒的時(shí)間內(nèi)把系統(tǒng)從低功耗模式喚醒，進(jìn)入活動(dòng)模式，執(zhí)行中斷服務(wù)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(duì)應(yīng)于本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，把P2.0口設(shè)置為紅外接受信號(hào)的捕獲中斷口，把單片機(jī)P1.0，Pl.l，P1.2，P1.3設(shè)置為鍵盤(pán)輸入中斷口，同時(shí)利用鎖頻環(huán)FLL+技術(shù)將系統(tǒng)頻率MCLK的時(shí)鐘源鎖定為DCOCLK，經(jīng)計(jì)算為1MHz。

在主程序進(jìn)入低功耗模式時(shí)還有兩個(gè)外部中斷子程序來(lái)響應(yīng)外部事件，一個(gè)是鍵盤(pán)子程序，當(dāng)有鍵按下的時(shí)候，把鍵值存下來(lái)，對(duì)鍵值標(biāo)志位置位，然后執(zhí)行響應(yīng)的操作；另一個(gè)外部中斷程序是紅外信號(hào)中斷子程序，當(dāng)有紅外信號(hào)輸入時(shí)，程序自動(dòng)跳入紅外中斷子程序，完成紅外信號(hào)的接收以及對(duì)接收數(shù)據(jù)的處理。

3　各功能模塊的選擇與設(shè)計(jì)

3.1　單片機(jī)的選擇

設(shè)計(jì)紅外遙控器選用了單片機(jī)MSP430F413.MSP430單片機(jī)是TI公司1999年通過(guò)利爾達(dá)單片機(jī)技術(shù)有限公司向國(guó)內(nèi)推廣的一種新型超低功耗單片機(jī)，其主要特點(diǎn)是超低功耗，可以用3V電源供電，具有強(qiáng)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(kāi)發(fā)環(huán)境，使用壽命也很長(zhǎng)。

3.2　電源模塊

由于MSP430單片機(jī)的工作電壓為1.8～3.6V，所以選用兩節(jié)普通5號(hào)電池供電即可，其電路圖如圖2所示，左端為電池輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)兩個(gè)電容濾波后供給MSP430作電源。此外，由于系統(tǒng)復(fù)位的需要，作者設(shè)計(jì)了上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位電路，復(fù)位信號(hào)給MSP430F413的RST/NMI引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)位。

圖2　電源模塊電路圖

3.3　鍵盤(pán)模塊

鍵盤(pán)是人機(jī)對(duì)話的輸入設(shè)備，借助鍵盤(pán)可向系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)，發(fā)出控制指令等。在實(shí)際使用中，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的運(yùn)行速度相對(duì)于操作者的按鍵速度非常快，所以當(dāng)一次按鍵按下的時(shí)候，由于實(shí)際鍵盤(pán)的抖動(dòng)，單片機(jī)就會(huì)檢測(cè)到幾個(gè)低電平，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為按下了幾次鍵，為此在設(shè)計(jì)鍵盤(pán)時(shí)加入了軟件延時(shí)來(lái)去抖。

鍵盤(pán)電路根據(jù)需要設(shè)計(jì)了16位的鍵盤(pán)，其中0~9為10個(gè)數(shù)字鍵，剩下的6個(gè)鍵依次為“給定值"鍵、“改零值"鍵“、改幅值"鍵“、小數(shù)點(diǎn)"鍵、“確定"鍵和“取消"鍵。其中“給定值"鍵是用來(lái)給定執(zhí)行器的開(kāi)度的“，改零值"鍵用來(lái)修改執(zhí)行器的零點(diǎn)位置“，“改幅度"鍵用來(lái)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(lái)發(fā)出指令的按鍵“，取消"鍵是當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)輸入錯(cuò)誤指令時(shí)用來(lái)修改指令的按鍵。

在硬件的設(shè)計(jì)中，利用MSP430F413單片機(jī)的P1.0～P1.3腳和P6.4～P6.7腳做鍵盤(pán)的行列掃描線，其中引腳P1.0～P1.3具有中斷功能。初始化時(shí)把P6.4～P6.7設(shè)為高電平，當(dāng)有鍵按下時(shí)，Pl.0～P1.3具有中斷功能的引腳會(huì)有電平的跳變，于是程序跳入鍵盤(pán)中斷服務(wù)程序。

在鍵盤(pán)中斷服務(wù)程序中，為了防止單片機(jī)把鍵盤(pán)抖動(dòng)看作是按鍵過(guò)程，設(shè)置了軟件延時(shí)程序來(lái)消抖。

程序開(kāi)始時(shí)關(guān)閉所有P1口的中斷，然后判斷有無(wú)按鍵按下，如果沒(méi)有則跳出中斷程序；如果有按鍵按下則延時(shí)10ms再次判斷有無(wú)按鍵按下，如果沒(méi)有，則說(shuō)明剛才是干擾信號(hào)，程序跳出，如果這時(shí)還有鍵按下，則判斷鍵值，并存儲(chǔ)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(kāi)，等待下一個(gè)鍵盤(pán)中斷的進(jìn)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(guò)反射環(huán)境光線來(lái)實(shí)現(xiàn)其顯示的。液晶的驅(qū)動(dòng)需要交流信號(hào)，直流驅(qū)動(dòng)將會(huì)損壞液晶。在驅(qū)動(dòng)電路中，液晶可以等效為電容，兩個(gè)電極板分別為公共極與段極。公共極由MSP430F413的COMn信號(hào)驅(qū)動(dòng)，段極由SEGn信號(hào)驅(qū)動(dòng)。液晶所需要的模擬信號(hào)由外部提供，加在R33、R23、R13及R03的引腳上，一般是通過(guò)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(dāng)沒(méi)有R33和R03時(shí)，V1就是Vcc，V5就是Vss，它們?cè)趦?nèi)部已經(jīng)連接好了。當(dāng)有R33和R03時(shí)，則將提供給設(shè)計(jì)者兩個(gè)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(méi)有直接接在Vss端，則允許設(shè)計(jì)者控制液晶的偏置電壓，那么可以在溫度漂移時(shí)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使得液晶對(duì)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(lái)發(fā)射紅外信號(hào)，利用MSP430F413的P2.1口作輸出口。當(dāng)P2.1口輸出高電平時(shí)，NPN管導(dǎo)通，于是紅外發(fā)光二極管開(kāi)始有導(dǎo)通電流通過(guò)，并開(kāi)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(jì)算出R9的阻值大約為R9=（3-1.4）/20mA=80Ω。

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，選用了100Ω的電阻作限流電阻，使發(fā)光距離達(dá)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(dòng)紅外接收模塊TSOP1838SS3V。該接收模塊是一個(gè)三端元件，使用單電源+3V電源，具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、輸入靈敏度高、對(duì)其他波長(zhǎng)（950nm以外）的紅外光不敏感的特點(diǎn)。

TSOP1838SS3V的工作原理為：首先，通過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再由前放大器和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行放大處理；然后，通過(guò)帶通濾波器進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)由解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)；zui后，由輸出級(jí)電路進(jìn)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(zhǔn)確性，要求發(fā)送端載波信號(hào)的頻率應(yīng)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(hào)從OUT引腳引出，進(jìn)入MSP430F413的P2.0口。MSP430F413的P2口是有中斷能力的引腳，當(dāng)TSOP1838SS3V接收到紅外信號(hào)就會(huì)將其轉(zhuǎn)換的電平從OUT腳輸出，P2.0口就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，進(jìn)入紅外中斷服務(wù)程序，進(jìn)而判斷是什么信號(hào)，并且對(duì)信號(hào)做出反應(yīng)。

4　結(jié)束語(yǔ)

作者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了智能閥門(mén)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(jī)的具體實(shí)現(xiàn)。采用遙控裝置可以確保在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)惡劣的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)的遠(yuǎn)端控制，保證操作者的安全以及控制的有效性和準(zhǔn)確性。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該遙控裝置操作簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，具有很強(qiáng)的應(yīng)用推廣價(jià)值，比進(jìn)口產(chǎn)品成本降低40%。