專利名稱：基于太陽能供電和CyFi通信技術(shù)的閥門控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種閥門控制裝置，特別是一種基于太陽能供電和無線通信技 術(shù)的閥門控制裝置。
背景技術(shù)：
目前，給排水應(yīng)用中的低壓電控大口徑閥門主要有兩種控制方式，一種是用 220VAC交流電驅(qū)動(dòng)，另一種是用直流電源驅(qū)動(dòng)。交流電源一般用于控制大型的直動(dòng)閥門，但 受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的限制，往往不容易獲得交流電源，而且額外的電能消耗也會(huì)給用戶或管 理部門增加負(fù)擔(dān)，所以在低壓管道中，并不是最佳的控制方式。直流電源驅(qū)動(dòng)方式一般是采 用不超過24VDC的適配電源或電池供電，利用管道中的水壓，驅(qū)動(dòng)控制水路通斷的電機(jī)閥、 電磁閥等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中，電池供電既能最大限度減少電磁干擾對(duì)控制系統(tǒng)的影響，又無需 在現(xiàn)場(chǎng)配備交流電源，既降低了控制成本又提高了產(chǎn)品的可靠性，因此，電池供電方式被普 遍采用。電池供電方案中，目前主要采用一次性的鋰電池和堿性電池。相對(duì)而言，同等體積 的鋰電池比堿性電池能儲(chǔ)存更多的電量，因此也能使用更長的時(shí)間，所以，目前市場(chǎng)上使用 鋰電池作為大口徑閥門的電控動(dòng)力源仍是主流。但是，鋰電池本身在一定程度上存在著鈍 化(也稱之為記憶效應(yīng))、易失效、更換難、不環(huán)保的問題，如果再加上鋰電池產(chǎn)品的一致性 難以保證、負(fù)載不同導(dǎo)致放電曲線不同等因素，在實(shí)際應(yīng)用中，鋰電池也存在著讓使用者和 廠家無法控制的難題。另一方面，目前應(yīng)用于弱電控制的先導(dǎo)閥(此先導(dǎo)閥有別于前面所述的大口徑閥 門)，不論是電磁型的，還是電機(jī)型的，其原理上均以弱電驅(qū)動(dòng)的先導(dǎo)閥對(duì)閥封壓力腔(即泄 壓腔)進(jìn)行泄壓，以達(dá)到利用管道內(nèi)的水壓將主閥(即前面所述大口徑閥門的主閥體)或者 閥封打開的目的，同樣地，它也通過關(guān)閉泄壓腔，以達(dá)到利用腔內(nèi)水壓將主閥關(guān)閉的目的。 但在我國供水管道的實(shí)際使用中，已經(jīng)出現(xiàn)了由于長時(shí)間水質(zhì)問題導(dǎo)致先導(dǎo)閥內(nèi)的導(dǎo)流孔 堵塞、泄壓閥桿吸附鐵質(zhì)微?；蛭⑿∩车[造成閥桿被卡死等問題，再加上一些設(shè)計(jì)人員缺 乏實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況預(yù)估不足，在設(shè)計(jì)階段，閥門驅(qū)動(dòng)電路及其控制軟件的設(shè)計(jì)存 在缺陷，致使此類閥門在長期工作中的故障率偏高。除上述問題之外，目前國內(nèi)的低壓給排水閥門基本是簡(jiǎn)單的機(jī)械或電氣控制，甚 至還是手動(dòng)控制，智能化水平低。有些產(chǎn)品在應(yīng)用中采用了 RS-485、紅外、GSM、ZigBee等通 訊方式進(jìn)行集中或遙控管理，雖從一定程度上提高了產(chǎn)品的智能化水平，但在應(yīng)用中也有 不足，或多或少地存在著通訊速率低、工程造價(jià)高、故障率高、組網(wǎng)不靈活、網(wǎng)絡(luò)容量有限、 功耗大、協(xié)議復(fù)雜等問題，既增加了設(shè)計(jì)人員的開發(fā)難度，又制約了用戶管理水平的提高， 尤其在商業(yè)用水環(huán)節(jié)，給收費(fèi)管理帶來不便。綜上所述，供電源、閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的日常維護(hù)、 智能化控制及管理是當(dāng)前閥門應(yīng)用的薄弱環(huán)節(jié)，需要探索一種既經(jīng)濟(jì)可靠又普遍適用的技 術(shù)和解決方案，提升現(xiàn)有電控閥門的應(yīng)用水平。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種基于太陽能供電和CyFi通信技術(shù)的閥門控制 裝置，要解決閥門通訊速率低、組網(wǎng)不靈活的技術(shù)問題；并解決閥門故障率高和耗能大的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種基于太陽能供電和CyFi通信技術(shù)的閥門控制裝置，包括驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊 和電源模塊，所述控制模塊是嵌入式微處理器，嵌入式微處理器的通用接口與H橋驅(qū)動(dòng)模 塊連接，嵌入式微處理器的UART接口與可編程片上系統(tǒng)連接，可編程片上系統(tǒng)植入有嵌入 式微處理器的功能，可編程片上系統(tǒng)的通用接口與用戶應(yīng)用系統(tǒng)接口模塊連接，可編程片 上系統(tǒng)的SPI接口與CyFi無線通訊模塊連接。上述嵌入式微處理器、H橋驅(qū)動(dòng)模塊、可編程片上系統(tǒng)和CyFi無線通訊模塊的電 源接口經(jīng)電源模塊與太陽能電池板和蓄電池連接。所述嵌入式微處理器是8位、16位或32位的嵌入式單片機(jī)或處理器。 所述太陽能電池板與蓄電池之間連接充電管理芯片。所述電源模塊是由穩(wěn)壓芯片和法拉電容充電電路組成，法拉電容充電電路的輸入 端直接與用戶應(yīng)用系統(tǒng)的供電源連接，在電源兩端設(shè)置一個(gè)電壓抑制管D1，電源電壓輸入， PNP型三極管Ql連接輸入偏置電阻Rl和限流電阻R2，NPN型三極管Q2的連接輸入偏置 電阻R3，R3的另一端接地，經(jīng)Ql和Q2的整流控制，向法拉電容Cl充電。所述法拉電容充電電路由兩個(gè)三極管和與之并聯(lián)的二極管組成。所述CyFi無線通訊模塊包括CyFi收發(fā)器和射頻放大電路。所述CyFi無線通訊模塊配置有星形網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，與一臺(tái)帶USB接口的計(jì)算機(jī)連接。所述H橋驅(qū)動(dòng)模塊的兩個(gè)正反向驅(qū)動(dòng)端分別經(jīng)兩組三極管與太陽能電池板和蓄 電池連接，H橋驅(qū)動(dòng)模塊分為開和關(guān)兩路電路，每路電路由3個(gè)NPN型三極管和1個(gè)PNP型 三極管組成，輸入偏執(zhí)電阻R5和R6分別并入開關(guān)兩路電路。開電路電源輸入是用戶應(yīng)用 系統(tǒng)的供電電壓或者太陽能供電源的輸出電壓BAT，關(guān)電路電源輸入是電源電壓VCC。電路 的輸入端分別連接NPN三極管Ql和Q2，分別設(shè)置一個(gè)由NPN型三極管構(gòu)成的反相器Q3和 Q6，電路的輸出端分別連接NPN型三極管Q4和Q5，PNP型三極管Q7和Q8與電機(jī)Ml相連， 在電路的輸出兩端并入一個(gè)雙向電壓抑制管D1。所述用戶應(yīng)用系統(tǒng)接口模塊的兩個(gè)電源接口分別經(jīng)電阻、三極管和電阻與太陽能 電池板和蓄電池連接；用戶應(yīng)用系統(tǒng)接口模塊的用戶接口為6線接口，分別是正電源BAT接 口、負(fù)電源GNT接口、開關(guān)到位接口 KDW和GDW、開關(guān)控制接口 KZL和GZL ；開關(guān)控制接口 KZL 串聯(lián)電阻R1，經(jīng)R2連接用于電平轉(zhuǎn)換的NPN型三極管反相器Tl，NPN型三極管反相器Tl 的基極和發(fā)射極之間并聯(lián)電阻R2和電容Cl ；開關(guān)控制接口 GZL串聯(lián)電阻R3，經(jīng)R3連接用 于電平轉(zhuǎn)換的NPN型三極管反相器T2，NPN型三極管反相器T2的基極和發(fā)射極之間并聯(lián)電 阻R4和電容C2 ；開關(guān)到位接口 KDW并聯(lián)上拉電阻R7和R9，開關(guān)到位接口 GDW并聯(lián)下拉電 阻R8和RlO。與現(xiàn)有技術(shù)相比本實(shí)用新型具有以下特點(diǎn)和有益效果本實(shí)用新型采用H橋式驅(qū)動(dòng)電路，該電路具有驅(qū)動(dòng)能力大、可雙向快速靈活控制。 考慮到用戶的應(yīng)用系統(tǒng)可能存在不直接給本裝置提供電源的情況，再者，當(dāng)用戶的應(yīng)用系統(tǒng)與本裝置斷開連接時(shí)，收費(fèi)運(yùn)營下的閥門也需要及時(shí)將閥門關(guān)閉，所以需要可以在沒有 獨(dú)立電源的場(chǎng)合為本裝置配置足夠關(guān)閉閥門的備用電源。而一般的鋁電解電容容量不夠而 且體積龐大，另外，也為了盡可能減少閥門啟動(dòng)的大電流對(duì)系統(tǒng)電源電壓的影響，采用了法 拉電容充電電路，兼顧系統(tǒng)的低功耗，尤其是對(duì)于用戶應(yīng)用系統(tǒng)向本裝置供電的情況，為了 快速充電和盡可能降低靜態(tài)，即指法拉電容已基本充滿電，電壓升至接近充電電源電壓，同 時(shí)本控制裝置無任務(wù)執(zhí)行處于休眠等待的狀態(tài)的電流。 本實(shí)用新型克服了傳統(tǒng)的閥門控制裝置的通訊速率低、工程造價(jià)高、故障率高、組 網(wǎng)不靈活、網(wǎng)絡(luò)容量有限、功耗大、協(xié)議復(fù)雜的確定，為閥門提供長久的電源供電，使閥門系 統(tǒng)能更智能、更高效、更可靠、更環(huán)保地運(yùn)行。閥門自動(dòng)維護(hù)功能包括上電后延時(shí)接受動(dòng)作 指令、定時(shí)/定量進(jìn)行小角度開關(guān)動(dòng)作，從而減輕使用閥門的用戶的應(yīng)用系統(tǒng)的工作負(fù)擔(dān)， 大大提升當(dāng)前電控閥門的可靠性和應(yīng)用水平，使水資源得到更加有效的利用。由于采用了 基于太陽能供電，本實(shí)用新型具有自我維護(hù)功能、同時(shí)具備無線通訊功能的技術(shù)進(jìn)步。
本實(shí)用新型可廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合的閥門控制。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1是本實(shí)用新型的模塊示意圖。圖2是太陽能電池充電電源模塊示意圖。圖3是法拉電容充電電路原理圖。圖4是H橋式閥門電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖。圖5是用戶應(yīng)用系統(tǒng)接口電路原理圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1所示，本實(shí)用新型整體方案實(shí)施例，這種基于太陽能供電和CyFi通信 技術(shù)的閥門控制裝置，包括驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊和電源模塊。所述控制模塊是嵌入式微處 理器，嵌入式微處理器是8位、16位或32位的嵌入式單片機(jī)或處理器。嵌入式微處理器 的GPIO通用接口與H橋驅(qū)動(dòng)模塊連接，嵌入式微處理器的UART接口與可編程片上系統(tǒng) CY8C27x43連接，可編程片上系統(tǒng)植入有嵌入式微處理器的功能，可編程片上系統(tǒng)的GPIO 通用接口與用戶應(yīng)用系統(tǒng)接口模塊連接，可編程片上系統(tǒng)CY8C27x43的SPI接口與CyFi無 線通訊模塊，即CyFi收發(fā)器CYRF7936和射頻功率放大電路連接。上述嵌入式微處理器、 H橋驅(qū)動(dòng)模塊、可編程片上系統(tǒng)和CyFi無線通訊模塊的電源接口經(jīng)電源模塊與太陽能電池 板和蓄電池連接，所述太陽能電池板與蓄電池之間連接充電管理芯片UC3906。圖中箭頭上的標(biāo)注表示各模塊之間的接口類型，其中GPIO表示通用輸入輸出口。 該實(shí)例的設(shè)計(jì)思路是基于通用控制裝置的考慮，是最基本的組成框圖，可以根據(jù)實(shí)際需要 選擇配置，除圖中標(biāo)出的接口，模塊之間的其它電氣連接按照芯片的使用要求進(jìn)行設(shè)置。當(dāng) 使用CyFi功能時(shí)，可編程片上系統(tǒng)是必需的，在這種情況下，可以不用單獨(dú)的嵌入式微處 理器，直接將嵌入式微處理器的功能植入該片上系統(tǒng)，這樣也降低了系統(tǒng)的成本。根據(jù)本裝 置的需求，可編程片上系統(tǒng)可以選擇器件CY8C27x43，該系列器件具有16k的Flash閃存，8 個(gè)可編程數(shù)字模塊以及12個(gè)可編程模擬模塊，最多可有44個(gè)GPIO資源，完全滿足本裝置的需求。但不局限于該系列，也可以采用其他系列的PSoC。當(dāng)不使用CyFi功能時(shí)，則可以 只使用嵌入式微處理器，選擇一個(gè)低功耗的8位單片機(jī)即可，但不限于使用8位單片機(jī)。當(dāng) 然，也可以同時(shí)具備，嵌入式微處理器專門負(fù)責(zé)閥門的控制維護(hù)，片上系統(tǒng)專門負(fù)責(zé)通訊。 閥門控制方面，在軟件編程中實(shí)現(xiàn)上電延時(shí)驅(qū)動(dòng)閥門，以保證系統(tǒng)建立穩(wěn)定的電壓；借助 到位開關(guān)的狀態(tài)，分析應(yīng)用系統(tǒng)控制指令的有效性，保證先導(dǎo)閥門的動(dòng)作控制在90°或者 180°范圍內(nèi)(根據(jù)閥門換向的角度要求，一般有90°和180°兩種)；利用微處理器內(nèi)的定 時(shí)/計(jì)數(shù)器進(jìn)行固定周期或固定用量循環(huán)統(tǒng)計(jì)，每個(gè)周期末將閥門小角度開關(guān)動(dòng)作一個(gè)來 回，以盡可能減少水垢、雜質(zhì)等對(duì)閥門機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響。該閥門裝置上的CyFi無線通訊模 塊配置為有星形網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(Node)，除了自動(dòng)上報(bào)功能外，其他操作主要采用應(yīng)答式工作模 式。對(duì)于組網(wǎng)應(yīng)用，可以另配一臺(tái)帶USB接口的計(jì)算機(jī)連接，再配一個(gè)帶USB接口的配置為 集中器(HUB)CyFi通訊模塊，通過計(jì)算機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。如果需要加大通訊距離，可以 在收發(fā)部分增加射頻功率放大電路。參見圖3所示，法拉電容充電電路原理圖，所述法拉電容充電電路由兩個(gè)三極管 和與之并聯(lián)的二極管組成。法拉電容充電電路的輸入端BAT可以與用戶應(yīng)用系統(tǒng)的電源輸 出連接，還可以與太陽能電池模塊的輸出，即蓄電池經(jīng)過降壓穩(wěn)壓后的輸出。在電源兩端設(shè) 置一個(gè)電壓抑制管D1，其作用有二，一方面是可以鉗制用戶錯(cuò)誤的高電壓輸入，另一方面可 以防止用戶電源極性接反對(duì)裝置內(nèi)部電路的損害。電源電壓輸入后，PNP型三極管Ql連接 輸入偏置電阻Rl和限流電阻R2，NPN型三極管Q2的連接輸入偏置電阻R3，R3的另一端接 地，經(jīng)過Ql和Q2三極管的控制，向法拉電容Cl充電。Ql為PNP型三極管，Q2為NPN型三 極管，電阻R2是限流電阻，Rl和R3是輸入偏置電阻。假設(shè)初次上電前，電容Cl沒有儲(chǔ)電， 接入電源后，Q2的基極和發(fā)射極得到足夠的正向偏置而導(dǎo)通，Q2導(dǎo)通后，Ql的導(dǎo)通條件也 得到滿足而立即導(dǎo)通，此時(shí)由于電容上電壓接近零，Ql進(jìn)入飽和狀態(tài)，以較大的電流給電容 充電，隨著儲(chǔ)存電荷的增加，電容兩端電壓逐漸升高，Ql也慢慢地隨之從飽和狀態(tài)回到放大 狀態(tài)，當(dāng)電容電壓繼續(xù)增大到一定值時(shí)，Ql就會(huì)進(jìn)入或接近截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)本電路就停止向 電容充電，直至電容電量被消耗而導(dǎo)致Ql集電極電壓下降。當(dāng)電容上的電壓下降時(shí)，Q2和 Ql又會(huì)如上所述進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，從而繼續(xù)給電容充電。如此，就能讓系統(tǒng)在靜態(tài)時(shí)減少在 電容上的漏電，提高用戶應(yīng)用系統(tǒng)的供電時(shí)長。同時(shí)，三極管的PN結(jié)又能防止用戶應(yīng)用系 統(tǒng)的電源移走后，電容上的電向外倒灌(這時(shí)，如果BAT和GND被短路，電容上的電荷會(huì)在很 短時(shí)間內(nèi)被放光，以至于控制裝置內(nèi)的微處理器無法及時(shí)響應(yīng))。該電路在應(yīng)用中，主要根 據(jù)實(shí)際電容規(guī)格和負(fù)載情況，調(diào)整3個(gè)電阻的大小，使Ql能在充電時(shí)盡量處在飽和狀態(tài)，Q2 能在工作電壓范圍內(nèi)可靠的導(dǎo)通和截止。根據(jù)圖3的原理設(shè)計(jì)的法拉電容充電電路。同樣地，基于低功耗設(shè)計(jì)的考慮，與 BAT連接的電阻應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)淖柚?，既要保證快速充電，又要盡量降低在這些電阻上的功 耗。法拉電容選擇功率型的，在使用中需要注意充電電壓不能超出其額定電壓，而且需要選 擇靜態(tài)漏電流比較小的型號(hào)。常用的法拉電容單粒的工作電壓為2. 7V左右，為了兼容5V 和3V工作環(huán)境，選用兩粒法拉電容串聯(lián)的組合，這樣工作電壓就能達(dá)到5. 5V。通過實(shí)驗(yàn)，選 擇1. 5F的容量能保證閥門在3 5V的工作電壓范圍內(nèi)可靠開關(guān)至少一個(gè)來回。參見圖4所示，H橋閥門電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖。所述H橋驅(qū)動(dòng)模塊的兩個(gè)正反向 驅(qū)動(dòng)端分別經(jīng)兩組三極管與太陽能電池板和蓄電池連接，H橋驅(qū)動(dòng)模塊分為開和關(guān)兩路電路，成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，每路電路由3個(gè)NPN型三極管和1個(gè)PNP型三極管組成，輸入偏執(zhí)電阻R5 和R6分別并入開關(guān)兩路電路；開電路電源輸入是用戶應(yīng)用系統(tǒng)的供電電壓或者太陽能供 電源的輸出電壓BAT，關(guān)電路電源輸入是電源電壓VCC ；電路的輸入端分別連接NPN三極管 Ql和Q2，分別設(shè)置一個(gè)由NPN型三極管構(gòu)成的反相器Q3和Q6，電路的輸出端分別連接NPN 型三極管Q4和Q5，PNP型三極管Q7和Q8與電機(jī)Ml相連，在電路的輸出兩端并入一個(gè)雙向 電壓抑制管Dl。開電路電源輸入是由單片機(jī)或處理器發(fā)出的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，采用正邏輯有效的方 式，即開控制或關(guān)控制的電平信號(hào)為高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電路才進(jìn)入工作狀態(tài)。這由接近控制信 號(hào)端的NPN三極管負(fù)責(zé)，它們起開關(guān)作用，開驅(qū)動(dòng)的Ql和關(guān)驅(qū)動(dòng)的Q2。電路的輸出就是電 機(jī)的輸入，圖中Ml表示閥門電機(jī)，此電機(jī)有兩個(gè)接線端，根據(jù)施加在這兩個(gè)接線端上的電 源正負(fù)極方向，閥門將向兩個(gè)相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。由與電機(jī)Ml直接相連的一對(duì)NPN和PNP管 組成，開驅(qū)動(dòng)的Q5、Q7以及關(guān)驅(qū)動(dòng)的Q4、Q8，正常工作時(shí)它們絕大部分時(shí)間均工作在飽和狀 態(tài)。輸出設(shè)計(jì)最大可以達(dá)到500mA，完全可以滿足目前大部分先導(dǎo)閥的驅(qū)動(dòng)要求。此外，在 該驅(qū)動(dòng)電路的輸入部分分別設(shè)置一個(gè)由NPN型三極管構(gòu)成的反相器，Q3和Q6起到硬件保 護(hù)作用，防止在微處理器軟件失控的意外情況下，開、關(guān)兩路同時(shí)出現(xiàn)控制信號(hào)時(shí)，將驅(qū)動(dòng) 的三極管擊穿燒毀。根據(jù)微處理器的控制端口情況，Q1、Q2也可以是PNP型的三極管，此時(shí) 相應(yīng)地，Q3、Q6也得使用PNP型三極管。同時(shí)，在輸出兩端即閥門開、閥門關(guān)兩節(jié)點(diǎn)并入一個(gè)雙向電壓抑制管，吸收閥門電 動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，以保護(hù)“H橋”上的4只驅(qū)動(dòng)三極管?！伴_控制” 和“關(guān)控制”分別與微處理器的普通輸出口連接，其有效控制電平應(yīng)根據(jù)上述三極管配置情 況而定。根據(jù)本實(shí)用新型，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)際電氣參數(shù)和所選用的三極 管的參數(shù)調(diào)整“H橋”上的4只三極管的工作狀態(tài)，亦即主要調(diào)整R5、R6電阻的阻值，使其 在允許的工作電壓范圍內(nèi)均能進(jìn)入飽和狀態(tài)，從而保證可靠的閥門驅(qū)動(dòng)。開關(guān)兩路的電源 并不一樣，開驅(qū)動(dòng)源自BAT，關(guān)驅(qū)動(dòng)源自VCC。儲(chǔ)能電容的端電壓就是控制裝置的微處理器 為核心的驅(qū)動(dòng)和控制模塊的電源電壓VCC，而BAT則是用戶應(yīng)用系統(tǒng)的供電電壓或者太陽 能供電源的輸出電壓。BAT和VCC是兩個(gè)不同的電源正極，但不局限于一定要分開使用，也 可以根據(jù)需要只用一個(gè)電源，將這兩處接線連接在一起。開、關(guān)電源分開的作用是減少連續(xù) 的頻繁開、關(guān)閥對(duì)儲(chǔ)能電容電量的損耗，首要保證閥門能被可靠關(guān)閉，同時(shí)可以保證用戶應(yīng) 用系統(tǒng)或太陽能電源未接上時(shí)，閥門不被開啟，這樣水資源就能有效受控。根據(jù)圖4的原理設(shè)計(jì)的“H橋”閥門電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)例?！癏橋”上的4只驅(qū)動(dòng) 三極管Q4、Q5、Q7、Q8應(yīng)選擇直流電流增益hFE較大、集電極發(fā)射極飽和壓降盡可能小、集電 極能承載的連續(xù)電流較大的型號(hào)，這樣能最大限度地將電源施加到電機(jī)線圈上。其它的4 只三極管Q1、Q2、Q3、Q6則無特殊的要求，只要集電極發(fā)射極飽和壓降小些即可。根據(jù)實(shí)際 使用經(jīng)驗(yàn)，按圖示分別選擇如下型號(hào)的三極管SS8550LT1、SS8050LT1、LBC817-16LT1，如果 閥門電機(jī)的工作電流在30mA左右，SS8550LTU SS8050LT1也可以相應(yīng)地用LBC807-40LT1、 LBC817-40LT1替換，LBC817-16LT1也完全可以換用LBC817-40LT1。Dl為雙向電壓抑制管， 要求靜態(tài)漏電流要盡可能小，一般此類元件的漏電流與額定鉗制電壓有關(guān)，同樣的工作電 壓下，額定鉗制電壓越高，靜態(tài)漏電流越小。根據(jù)實(shí)際測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，選用SA7. 5CA，其額定鉗制 電壓為7. 5V。直接影響驅(qū)動(dòng)三極管工作狀態(tài)的電阻是R5、R6，實(shí)際應(yīng)用中，使用電池供電時(shí)BAT或VCC可能最低能降到2. 7V左右，而上述三極管實(shí)際成品的電流增益hFE —般在230 300，假設(shè)微處理器的控制信號(hào)電壓最低到3. 0V，要保證得到200mA左右的驅(qū)動(dòng)電流，R5、R6 的阻值應(yīng)該在300 510 Ω，此處選用常用的390 Ω。應(yīng)用該硬件電路時(shí)，在控制方法上應(yīng) 注意“剎車”問題。由于大部分電機(jī)球閥的機(jī)械設(shè)計(jì)，閥門轉(zhuǎn)動(dòng)起來后有一定的慣性，當(dāng)檢 測(cè)到到位指示信號(hào)時(shí)，負(fù)責(zé)控制的微處理器立即停止原方向的驅(qū)動(dòng)，但此時(shí)閥門并不會(huì)立 即停住，如果不加處理，閥門會(huì)沿著原先轉(zhuǎn)動(dòng)的方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，這樣就很可能導(dǎo) 致用于到位指示的機(jī)械開關(guān)脫離到位指示的狀態(tài)，進(jìn)而給出錯(cuò)誤的指示信號(hào)。解決的方法 是，檢測(cè)到到位信號(hào)后，立即停止原先方向的驅(qū)動(dòng)，并施加一定延時(shí)的相反方向的驅(qū)動(dòng)，然 后再停止驅(qū)動(dòng)。此時(shí)可以再次檢測(cè)到位信號(hào)，以確認(rèn)可靠到位。該延時(shí)時(shí)間根據(jù)不同的控 制對(duì)象(閥門)、不同的驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)有差異，不能太短也不能太長，一般30 50ms即能可靠 停在正確位置。該參數(shù)應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)實(shí)際對(duì)象測(cè)定，然后固化到程序中，或者通過本裝置 的CyFi無線通訊進(jìn)行設(shè)置?！皠x車”控制的存在，也導(dǎo)致反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生，所以必須 使用上述電壓抑制管進(jìn)行吸收保護(hù)。參見圖5所示，用戶應(yīng)用系統(tǒng)接口模塊原理圖。所述用戶應(yīng)用系統(tǒng)接口模塊的兩 個(gè)電源接口分別經(jīng)電阻、三極管和電阻與太陽能電池板和蓄電池連接；用戶接口 Jl可以 是各種形式的接線端子、接插件、防水插頭等，用戶應(yīng)用系統(tǒng)接口模塊的用戶接口為6線接 口，分別是正電源BAT接口、負(fù)電源GNT接口、開關(guān)到位接口 KDW和GDW、開關(guān)控制接口 KZL 和GZL ；開關(guān)控制接口 KZL串聯(lián)電阻Rl，經(jīng)R2連接用于電平轉(zhuǎn)換的NPN型三極管反相器T1， NPN型三極管反相器Tl的基極和發(fā)射極之間并聯(lián)電阻R2和電容Cl ；開關(guān)控制接口 GZL串 聯(lián)電阻R3，經(jīng)R3連接用于電平轉(zhuǎn)換的NPN型三極管反相器T2，NPN型三極管反相器T2的 基極和發(fā)射極之間并聯(lián)電阻R4和電容C2 ；開關(guān)到位接口 KDW并聯(lián)上拉電阻R7和R9，開關(guān) 到位接口 GDW并聯(lián)下拉電阻R8和RlO。如果用戶不直接給閥門驅(qū)動(dòng)供電，則BAT可不接。考慮到用戶的系統(tǒng)可能是5VDC 的，也可能是3. 3 3. 6V的，需要對(duì)開關(guān)控制信號(hào)KZL、GZL的接口電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，“KZL”表 示用戶應(yīng)用系統(tǒng)開閥指令信號(hào)發(fā)出端，“GZL”表示應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)閥指令信號(hào)發(fā)出端，以保護(hù) 本裝置內(nèi)部電路。所以，用NPN型三極管反相器電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，該三極管均工作在開關(guān) 狀態(tài)。三極管的基極和發(fā)射極之間并接的電阻和電容用以降低輸入阻抗和濾波。為了讓用 戶應(yīng)用系統(tǒng)能知道當(dāng)前閥門的位置狀態(tài)并對(duì)開或關(guān)的過程進(jìn)行正確的控制，一般閥門內(nèi)設(shè) 置有指示開或關(guān)到位的機(jī)械開關(guān)，這兩個(gè)信號(hào)是裝置輸出給用戶應(yīng)用系統(tǒng)的，是可選的。當(dāng) 球閥轉(zhuǎn)動(dòng)到特定位置時(shí)，如通道完全打開或完全關(guān)閉，通知進(jìn)行控制的微處理器應(yīng)該停止 驅(qū)動(dòng)了。本接口電路也設(shè)計(jì)了到位檢測(cè)電路，一方面供本裝置的微處理器進(jìn)行到位檢測(cè)，另 一方面也可以給用戶應(yīng)用系統(tǒng)提供一個(gè)指示。該電路根據(jù)實(shí)際閥門到位開關(guān)為KDW和GDW “KDW”表示裝置給應(yīng)用系統(tǒng)提供的開閥到位指示信號(hào)，“GDW”表示關(guān)閥到位指示信號(hào)；其配 置情況可以選擇使用上拉電阻R7、R8或者下拉電阻R9、R10,當(dāng)使用其中某種組合時(shí)，另一 組的位置可以改用適當(dāng)容值的電容，起到去機(jī)械抖動(dòng)的作用，也可以不使用電容，由微處理 器進(jìn)行軟件濾波。“開指令”和“關(guān)指令”分別與微處理器的普通輸入口連接。應(yīng)用系統(tǒng)的 開關(guān)指令信號(hào)的時(shí)間長度可根據(jù)需要在微處理器的程序中加以設(shè)置，一旦裝置檢測(cè)到指令 信號(hào)，之后對(duì)閥門電機(jī)的全程控制則由本裝置負(fù)責(zé)，不論指令信號(hào)是否撤銷，也就是說用戶 發(fā)出動(dòng)作指令后可以不用理會(huì)后續(xù)的驅(qū)動(dòng)過程。[0038]根據(jù)圖5的原理設(shè)計(jì)的用戶應(yīng)用系統(tǒng)接口電路。該電路的關(guān)鍵是對(duì)輸入本裝置的 控制信號(hào)的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得當(dāng)用戶應(yīng)用系統(tǒng)的電壓比本裝置的電壓高時(shí)，不至于損壞 本裝置電路。該電路采用反相器設(shè)計(jì)，兩只三極管用作開關(guān)，同樣只要求其集電極和發(fā)射極 的飽和壓降盡可能小即可，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，微處理器的輸入口得到的將是與用戶應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)出 的控制信號(hào)相反的信號(hào)。為降低功耗，可以設(shè)置微處理器對(duì)該輸入的檢測(cè)采用邊沿觸發(fā)的 中斷方式。濾波電容C1、C2可選用，不使用時(shí)可以在微處理器內(nèi)作軟件濾波處理。同樣，基 于低功耗的原則，其它電阻應(yīng)在保證微處理器輸入可靠的前提下盡可能取大阻值。此外，當(dāng) 用戶使用5V的電源(SP Vbat=5. 0V)而本控制裝置使用3V (即3. 3 3. 6V的額定工作電壓， 下同)時(shí)，在法拉電容充電電路的輸出VCC后進(jìn)行降壓穩(wěn)壓處理，可以使用低壓差、大電流輸 出型的穩(wěn)壓器，比如S1206系列或HT7233系列，然后再給嵌入式微處理器及CyFi收發(fā)器等 {共 ο參見圖2所示，太陽能電池充電電源方案的實(shí)例框圖。所述電源模塊是由穩(wěn)壓芯片和法拉電容充電電路組成，箭頭表示電流的主要流 向。最末端的穩(wěn)壓芯片即“必要的穩(wěn)壓芯片為各模塊供電”是指根據(jù)用戶應(yīng)用系統(tǒng)和裝置 其他部分對(duì)供電源電壓的要求進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，得到穩(wěn)定的電壓后為各部分供電。如前所述， 本實(shí)用新型裝置電路的工作電壓在5VDC以內(nèi)，此外，閥門電機(jī)的正常工作電流在40mA左右 (啟動(dòng)瞬間的大電流不超過400mA，因?yàn)橛猩鲜龇ɡ娙莸木彌_作用，此短時(shí)間大電流可以 不考慮，方便和保險(xiǎn)起見取50mA進(jìn)行計(jì)算)，CyFi通訊模塊在加大發(fā)射功率時(shí)最大功耗亦 不超過200mA (發(fā)送狀態(tài)，平時(shí)大部分時(shí)間功耗遠(yuǎn)小于此，方便和保險(xiǎn)起見取200mA進(jìn)行計(jì) 算)。假設(shè)閥門每小時(shí)開關(guān)一回(實(shí)際應(yīng)用中閥門不可能頻繁開關(guān)，此處僅是計(jì)算舉例)，根 據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，閥門一個(gè)來回耗時(shí)不超過40秒(方便和保險(xiǎn)起見取50秒進(jìn)行計(jì)算)，在這期 間，假設(shè)CyFi也同時(shí)進(jìn)行發(fā)送操作。按7天陰雨天來計(jì)算，需要蓄電池儲(chǔ)能至少為(50mA+200mA) X24hX7dX50s+ (60sX60m) =583. 2mAh那么，以蓄電池0. 6的充電效率來計(jì)，其容量可以配置為24. 3 + 0. 6=972mAh那么蓄電池選擇一個(gè)6V、1. 2Ah的免維護(hù)鉛酸蓄電池即可。而的太陽能電池板可 按經(jīng)驗(yàn)公式配置為5VX (50mA+200mA) X24hX50s+ (60sX60m) X 1· 2+ (5X0. 6) =166. 67mff其中，1. 2是安全系數(shù)，5V是系統(tǒng)工作電壓，5是太陽能電池板平均每天有效工作 時(shí)間，0.6是充電效率，選用9V、1W的足以。
權(quán)利要求一種基于太陽能供電和CyFi通信技術(shù)的閥門控制裝置，包括驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊和電源模塊，其特征在于所述控制模塊是嵌入式微處理器，嵌入式微處理器的通用接口與H橋驅(qū)動(dòng)模塊連接，嵌入式微處理器的UART接口與可編程片上系統(tǒng)連接，可編程片上系統(tǒng)植入有嵌入式微處理器的功能，可編程片上系統(tǒng)的通用接口與用戶應(yīng)用系統(tǒng)接口模塊連接，可編程片上系統(tǒng)的SPI接口與CyFi無線通訊模塊連接；上述嵌入式微處理器、H橋驅(qū)動(dòng)模塊、可編程片上系統(tǒng)和CyFi無線通訊模塊的電源接口經(jīng)電源模塊與太陽能電池板和蓄電池連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽能供電和CyFi通信技術(shù)的閥門控制裝置，其特征在 于所述嵌入式微處理器是8位、16位或32位的嵌入式單片機(jī)或處理器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽能供電和CyFi通信技術(shù)的閥門控制裝置，其特征在 于所述太陽能電池板與蓄電池之間連接充電管理芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于太陽能供電和CyFi通信技術(shù)的閥門控制裝置，其特征在 于所述電源模塊是由穩(wěn)壓芯片和法拉電容充電電路組成，法拉電容充電電路的輸入端直 接與用戶應(yīng)用系統(tǒng)的供電源連接，在電源兩端設(shè)置一個(gè)電壓抑制管D1，電源電壓輸入，PNP 型三極管Ql連接輸入偏置電阻Rl和限流電阻R2，NPN型三極管Q2的連接輸入偏置電阻 R3，R3的另一端接地，經(jīng)Ql和Q2的整流控制，向法拉電容Cl充電。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于太陽能供電和CyFi通信技術(shù)的閥門控制裝置，其特征在 于所述法拉電容充電電路由兩個(gè)三極管和與之并聯(lián)的二極管組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于太陽能供電和CyFi通信技術(shù)的閥門控制裝置，其特征在 于所述CyFi無線通訊模塊包括CyFi收發(fā)器和射頻放大電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于太陽能供電和CyFi通信技術(shù)的閥門控制裝置，其特征在 于所述CyFi無線通訊模塊配置有星形網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，與一臺(tái)帶USB接口的計(jì)算機(jī)連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于太陽能供電和CyFi通信技術(shù)的閥門控制裝置，其特征在 于所述H橋驅(qū)動(dòng)模塊的兩個(gè)正反向驅(qū)動(dòng)端分別經(jīng)兩組三極管與太陽能電池板和蓄電池連 接，H橋驅(qū)動(dòng)模塊分為開和關(guān)兩路電路，每路電路由3個(gè)NPN型三極管和1個(gè)PNP型三極管 組成，輸入偏執(zhí)電阻R5和R6分別并入開關(guān)兩路電路；開電路電源輸入是用戶應(yīng)用系統(tǒng)的 供電電壓或者太陽能供電源的輸出電壓BAT，關(guān)電路電源輸入是電源電壓VCC;電路的輸入 端分別連接NPN三極管Ql和Q2，分別設(shè)置一個(gè)由NPN型三極管構(gòu)成的反相器Q3和Q6，電 路的輸出端分別連接NPN型三極管Q4和Q5，PNP型三極管Q7和Q8與電機(jī)Ml相連，在電路 的輸出兩端并入一個(gè)雙向電壓抑制管D1。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于太陽能供電和CyFi通信技術(shù)的閥門控制裝置，其特征在 于所述用戶應(yīng)用系統(tǒng)接口模塊的兩個(gè)電源接口分別經(jīng)電阻、三極管和電阻與太陽能電池 板和蓄電池連接；用戶應(yīng)用系統(tǒng)接口模塊的用戶接口為6線接口，分別是正電源BAT接口、 負(fù)電源GNT接口、開關(guān)到位接口 KDW和GDW、開關(guān)控制接口 KZL和GZL ；開關(guān)控制接口 KZL串 聯(lián)電阻R1，經(jīng)R2連接用于電平轉(zhuǎn)換的NPN型三極管反相器Tl，NPN型三極管反相器Tl的 基極和發(fā)射極之間并聯(lián)電阻R2和電容Cl ；開關(guān)控制接口 GZL串聯(lián)電阻R3，經(jīng)R3連接用于 電平轉(zhuǎn)換的NPN型三極管反相器T2，NPN型三極管反相器T2的基極和發(fā)射極之間并聯(lián)電阻 R4和電容C2 ；開關(guān)到位接口 KDW并聯(lián)上拉電阻R7和R9，開關(guān)到位接口 GDW并聯(lián)下拉電阻 R8 和 RlO。
專利摘要一種基于太陽能供電和CyFi通信技術(shù)的閥門控制裝置，包括驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊和電源模塊，所述控制模塊是嵌入式微處理器，嵌入式微處理器的通用接口與H橋驅(qū)動(dòng)模塊連接，嵌入式微處理器的UART接口與可編程片上系統(tǒng)連接，可編程片上系統(tǒng)植入有嵌入式微處理器的功能，可編程片上系統(tǒng)的通用接口與用戶應(yīng)用系統(tǒng)接口模塊連接，可編程片上系統(tǒng)的SPI接口與CyFi無線通訊模塊連接。具備閥門電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、閥門自動(dòng)維護(hù)、CyFi無線操控等功能，解決了電控閥門在電源、控制、網(wǎng)絡(luò)化管理等方面存在的問題和缺陷，可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和園林灌溉、地下水抽取、城市生活用水輸送、工業(yè)生產(chǎn)等給排水工程的大口徑直流電控的智能型閥門。
文檔編號(hào)H04B1/38GK201772127SQ20102029933
公開日2011年3月23日 申請(qǐng)日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者阮章瑩 申請(qǐng)人:泊頭市盛豐自控閥門有限公司