2.1 器件和原理
阀门的流量QV为
QV?kA0?P
式中k——流量系数;
A0——阀口的面积,mm2
?P——阀门前后的压力差，MPa.
本设计的目的是为了得到一定的流量，即当负载变化时流量保持不变。那么就要调节压力和阀口面积，其中压力我们可以用压差传感器测得，然后根据公式调整阀口面积既可，即调节阀柄转角。
其具体流为程单片机接收A/D转化器转换的压差传感器传来的压力信号，经过计算，模拟出PWM信号，精确控制脉宽的变化，从而控制舵机的转角，带动球阀阀柄转动，实现流量的调节。其流程图如图2-1。
A/D转换器差压传感器单片机计数器舵机球阀角位移传感器图2-1 流量阀智能控制流程图
本设计所需要的主要器件有舵机，89C51单片机，差压传感器，角位移传感器，A/D转化器，锁存器以及8253计数器。
表2-1 主要器件和数量
名称
数量
FUTABA-S3003
89c51单片机
1
通用差压传感器（CYX-28系列）
1
Vert-X_13E_eAD0809A/D转8253计数舵机
1
角位移传感器
1
化器
1
器
1
2.2 压力与开度的数据处理
压力和开度的关系有实验推得。实验实验系统由电磁流量计、电动球阀、标准容器、U形管差压计、计时器、流量标准装置组成。实验温度t =18℃,阀门通径D = 50×10-3 m , 实验介质的运动粘度v =1.0672×10 - 2 cm2/s ,管道压力P =0.35MPa。其数据如表1-2、表1-3。
表2-2 Φ50 mm阀门实验数据 ( 开度由小到大)
阀门开度 k
流量 qv/m3·h-1
压差(阀前后) Δp/ kPa
5
30% 40%
3.45 8.63 3.55 17.65 22.62
2.186 9.919 0.48 9.066 15.065 0.427 3.52 8.559 0.107 1.12 2.986 0.053 0.587 1.545 0.027 0.32 0.853 0.027 0.213 0.48
50% 4.63 18.66 29.65
60% 4.63 18.59 30.25
70% 5.09 17.74 29.58
80% 5.1 17.78 29.75
90% 5.15 18.1 29.86
表2-3 Φ50 mm阀门实验数据及分析( 开度由小到大) 阀门开度 k 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%
流量 qv/m3·h-1 5.1 18.35 30.85 5.09 17.77 30 5.64 18.29 29.94 5.64 17.93 30.3 5.29 18.25 29.45 5.26 17.8 29.8 5.65 17.86
压差(阀前后) Δp/ kPa 0.027 0.213 0.56 0.027 0.213 0.533 0.053 0.267 0.693 0.053 0.533 1.573 0.16 1.387 3.706 0.347 3.786 10.586 1.573 15.039
由以上数据可得出：阀的开度由小到大调节时, 在各开度点,随压力从大到小变化时,
6
各对应的压力值变化较大，说明这时阀的调节作用较明显, 对流量的控制能力较强；阀的开度由大到小调节时,在各开度点,随压力从小到大变化时,各对应的压力值变化没有开度由小到大调节时的变化大，说明这种阀开度的调节法,对流量的控制能力较弱；在开度k = 30 %～60 %时,压力从大到小变化时,各对应的压力值值变化较大,说明在这段中阀流量控制能力较强，而在开度k =70%～90%时,压力变化不大,说明在这段中阀流量控制能力较弱。
具体数据及其关系由另行论文得出，本文不对此部分研究。
2.3 舵机的输出特点
2.3.1舵机的工作原理
舵机可以再微机电系统和航模系统中作为基本的输出执行机构。其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。单片机系统的舵机控制具备精确定位和工作可靠地特点。
舵机由一个小型的直流单机驱动。电机随着极性的改变而变换旋转方向。舵机的内部电路如图2-2所示。
图2-2 舵机内部电路
舵机的工作原理是：PWM信号由接收通道进入信号解调电路BA66881的12脚进行解调，获得一个直流偏置电压。该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差由BA6688的3脚输出。该输出送人电机驱动集成电路BA6686，以驱动电机正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器R旋转，直到电压差为O，电机停止转动。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。
2.3.2 舵机的控制方法
标准的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线，如图2-3所示。
电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源。电压通常介于4～6V，一般取5V。注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为18 ms。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。舵机的极限转角变化和舵机的静止中立点所对应的控制信号脉冲图如图2-4所示。
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输出转轴电源线Vcc地线GND控制线图2-3 舵机接线图
图2-4 控制舵机的PWM信号
在图中，舵机处于3种极限位置时的脉宽信号如下。 舵机静止
控制信号的周期T2=18.00（ms），脉宽T1=1.5(ms) 舵机右极限位置
控制信号的周期T2=18.00（ms），脉宽T3=1.1(ms) 舵机左极限位置
控制信号的周期T2=18.00（ms），脉宽T4=1.9(ms)
2.4 单片机系统中如何实现对舵机转角的控制
可以使用FPGA、模拟电路、单片机来产生舵机的控制信号，但FPGA成本高且电路复杂。对于脉宽调制信号的脉宽变换，常用的一种方法是采用调制信号获取有源滤波后的直流电压，但是需要50Hz(周期是20ms)的信号，这对运放器件的选择有较高要求，从电路体积和功耗考虑也不易采用。5mV以上的控制电压的变化就会引起舵机的抖动，对于机载的测控系统而言，电源和其他器件的信号噪声都远大于5mV，所以滤波电路的精度难以达到舵机的控制精度要求。
也可以用单片机作为舵机的控制单元，使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度。单片机完成控制算法，再将计算结果转化为PWM信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。
单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：首先是产生基本的PWM周期信号，本设计是产生18ms的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比。
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