鮑雨翹 嚴挺 徐豪

（1.電子科技大學 四川成都 610054;2.杭州市特種設備檢測研究院 浙江杭州310003;3.寧波索頓飛羽電器有限公司 浙江寧波 315040）

基于LABVIEW與單片機的電控閥檢測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

鮑雨翹1嚴挺2徐豪3

（1.電子科技大學 四川成都 610054;2.杭州市特種設備檢測研究院 浙江杭州310003;3.寧波索頓飛羽電器有限公司 浙江寧波 315040）

電控閥被廣泛應用于熱水器、智能馬桶、數(shù)字恒溫閥等水流量控制領域，其性能直接與產(chǎn)品性能相關。電控閥品質(zhì)與性能可以通過檢測其環(huán)境水壓、出入水流量和施加于電控閥的電壓的關系曲線來檢驗。本文介紹此電控閥檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，所述檢測系統(tǒng)應用單片機技術與LABVIEW工業(yè)檢測上位機軟件技術設計，可快速分析電控閥結構的合理性、檢驗電控閥量產(chǎn)品質(zhì)與一致性，應用于電控閥的研發(fā)與生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

LABVIEW；單片機；檢測系統(tǒng)；電控閥

1 引言

電控閥被廣泛應用于熱水器、智能馬桶、數(shù)字恒溫閥等對水流量的控制領域，這些小家電或工業(yè)使用場合在需要對流量進行較為精確的控制外，還要求成本低廉。同時，應能滿足環(huán)境適用性，如高水壓下密封性、低水壓關閉密封性和低水壓低電壓啟動，工作水壓下電壓與流量的調(diào)節(jié)量應成近似線性關系以便應用于工業(yè)控制等。

以即熱式電熱水器為例，熱水器的出水溫升與功率成正比，與水流量成反比。通過自動調(diào)節(jié)功率或自動調(diào)節(jié)流量，抑或兩種方式相結合的形式實現(xiàn)恒定溫度調(diào)節(jié)。另一方面，單一的功率調(diào)節(jié)存在局限性，即當功率達到額定功率而因水流過大始終無法達到所需溫升時，功率調(diào)節(jié)將會超出控制范圍，無法滿足用戶需求。通過電控閥對水流量的調(diào)節(jié)，能夠給予用戶優(yōu)質(zhì)的恒溫淋浴體驗。

也即說明即熱式電熱水器的恒溫調(diào)節(jié)能力直接與電控閥的性能相關，這就要求企業(yè)的研發(fā)部門設計合理的結構與電氣特性，要求企業(yè)的生產(chǎn)檢驗部門能夠通過檢驗對電控閥有所篩選，以提升產(chǎn)品質(zhì)量。

本文所述電控閥檢測系統(tǒng)基于單片機與LABVIEW技術，能夠檢測不同的環(huán)境水壓、不同的加載在電控閥兩端的電壓與因此輸出的對應的流量，分析并獲得關系曲線，從而對電控閥的品質(zhì)進行分析、檢驗。

圖1 電控閥原理

圖2 檢測系統(tǒng)框圖

2 檢測對象（電控閥）原理

電控閥結構機理多種，其最大特點是開度可調(diào)，有別于普通電磁閥，僅有開、關兩種狀態(tài)，以下介紹一種結構巧妙、成本低廉從而能夠被廣泛應用于家電領域的電控閥，其內(nèi)部結構如圖1所示。

其實現(xiàn)水流調(diào)節(jié)的工作原理：通電時，電磁力把先導孔打開，上腔室壓力迅速下降，在關閉件周圍形成上低下高的壓差，推動關閉件向上移動，閥門打開；斷電時，彈簧力把先導孔關閉，入口壓力通過旁通孔迅速進入上腔室在關閉件周圍形成下低上高的壓差，推動關閉件向下移動，關閉閥門。施加的電壓不同產(chǎn)生不同的電磁力，此時形成的壓差就不同，閥門將不再是開和關兩種狀態(tài)，電控閥開度根據(jù)壓差不同而不同，故可根據(jù)對電控閥施加不同的電壓實現(xiàn)流量的減小或上升。

由此可知，可通過上述電控閥實現(xiàn)對流量的閉環(huán)控制，其信號流：電壓信號—（電控閥開度）—流量信號—脈沖（頻率）信號。通過所獲得的脈沖頻數(shù)可得到水流量（物理量）的反饋，根據(jù)反饋調(diào)節(jié)加載在電控閥的電壓值，調(diào)節(jié)電控閥開度，從而水流量發(fā)生改變，形成閉環(huán)控制。

3 系統(tǒng)設計

電控閥的品質(zhì)性能要求主要為三方面：

（1）承壓能力：1.2MPa水壓沖擊下電控閥不出現(xiàn)漏水；

（2）低壓封水：0.1MPa水壓下電控閥關閉狀態(tài)不漏水；且能夠在較低電壓時正常開啟；

（3）調(diào)節(jié)能力：0.2～0.4MPa水壓下電控閥水流的變化與施加在其兩端的電壓成近似線性的關系，以便實現(xiàn)工業(yè)控制。

由此可見，本課題的電控閥檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)檢測需求同樣為三方面：

圖3 水路圖

圖4 電路系統(tǒng)框圖

圖5 單片機程序流程圖

圖6 上位機軟件模塊

（1）檢測電控閥在1.2MPa水壓沖擊下是否漏水；

（2）檢測電控閥在0.1MPa低水壓關閉時是否漏水，低電壓時能否正常啟動；

（3）檢測電控閥在0.2MPa～0.4MPa水壓環(huán)境下水壓、水流與電壓的關系曲線、水流與電壓的關系曲線。

根據(jù)以上檢測系統(tǒng)的設計需求，設計檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)框架如圖2所示。

被檢對象被固定在夾具上，水流路徑：水路系統(tǒng)—夾具—被檢對象—水路系統(tǒng)。電路系統(tǒng)對水路中的執(zhí)行元件進行控制，如控制電磁閥切換水路。同時，通過分布于水路中的傳感器采集物理信號，如水流、水壓，將信號采樣處理后，電路系統(tǒng)與上位機軟件通訊。上位機系統(tǒng)對信號進行接收、存儲、顯示、分析、打印等操作，同時上位機軟件可通過向電路系統(tǒng)發(fā)送信號，控制檢測模式。

3.1 水路系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)的檢測需求，水路被分為三路，如圖3所示：

（1）1.2MPa高壓密封性測試水路：系統(tǒng)從水箱取水，通過高壓泵，將水壓上升至1.2MPa。

（2）0.2～0.4MPa調(diào)節(jié)測試水路：系統(tǒng)從水箱取水，通過水泵將水壓調(diào)節(jié)至0.2～0.4MPa，用戶可通過調(diào)節(jié)變頻器（變頻器對水泵進行控制），設定所需的實際流量，并聯(lián)的穩(wěn)壓管，能夠使所得水壓穩(wěn)定，從而獲得0.2～0.4MPa水路。

（3）0.1MPa低壓密封性測試水路：0.2～0.4MPa取水并通過0.1MPa減壓閥獲得0.1MPa。同時，三個電磁閥用于切換水路。三個電磁閥由電路系統(tǒng)中三個繼電器控制，當其中一個（對應水路）的電磁閥開啟時，其余兩路均關閉。

3.2 電路系統(tǒng)

根據(jù)檢測系統(tǒng)設計需求可知，電路需要對水路系統(tǒng)的執(zhí)行元件進行控制，需要對環(huán)境和被檢對象的物理量進行采樣，對采樣數(shù)據(jù)進行處理、存儲和傳輸，需要與上位機軟件進行通訊。綜合上述功能，其電路系統(tǒng)框圖如圖4所示。

電路系統(tǒng)由電源模塊、單片機系統(tǒng)、人機界面（按鍵輸入）、脈寬檢測、模擬采樣、PWM調(diào)節(jié)、繼電器輸出和UART通信模塊組成。

電源模塊用于為繼電器、單片機等供電；單片機系統(tǒng)是電路系統(tǒng)的核心處理單元；人機界面（按鍵輸入）因上位機已經(jīng)有豐富友好的界面面向用戶，故只需按鍵輸入，其主要作用是用于強制關閉檢測、強制轉(zhuǎn)換水路等特殊作業(yè)；脈寬檢測用于檢測出水、入水流量，模擬采樣用于采集環(huán)境水壓和電控閥兩端施加電壓；PWM調(diào)節(jié)用于向電控閥兩端施加不同的電壓值；繼電器輸出用于控制水路系統(tǒng)中電磁閥，用于切換水路；UART通信模塊用于與上位機軟件通訊，接收控制命令，發(fā)送采樣信號。

表1 MODBUS協(xié)議基本格式

表2 下位機接收上位機的控制信號

表3 下位機發(fā)送給上位機的控制信號

3.3 單片機程序

系統(tǒng)下位機（單片機）程序首先接收來自上位機軟件發(fā)送的控制信號，控制信號內(nèi)容包含采取高壓沖擊（選擇1.2MPa水路）、低壓測試（選擇0.1MPa水路）或是性能測試（選擇0.2～0.4MPa水路）的模式選擇，包括所施加的電控閥兩端的電壓控制信號等；而后單片機輸出繼電器對水路進行控制，輸出PWM對電控閥進行控制；繼而單片機實時調(diào)節(jié)電控閥，同時實時采集水壓、電壓、入水流量脈寬、出水流量脈寬等信號，并將信號做緩存；緩存的信號通過處理轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機軟件。至此，下位機（單片機）程序的整個工作進行循環(huán)。其流程圖如圖5所示。

3.4 串口通訊與MODBUS協(xié)議

本系統(tǒng)串口通訊配置如下：

起始位：1 bit；

停止位：1 bit；

數(shù)據(jù)位：8 bits；

奇偶校驗：無；

波特率：19600bps。

MODBUS協(xié)議是最常用的工業(yè)通訊協(xié)議之一，其基本格式如表1。如通過上位機讀取下位機入水流量的信息，那么下位機接收上位機的控制信號如表2。其中地址0x0002為存儲流量的地址。下位機收到命令后，將信息傳輸給上位機，那么下位機發(fā)送給上位機的控制信號如表3。其中數(shù)據(jù)0x02代表2L，0x32即十進制的50，代表500mL，也即流量為2.5L/min。

上述兩個例子都提及CRC校驗碼，校驗碼是用于識別傳輸?shù)男畔⑹欠裢暾?、準確的手段。系統(tǒng)采用的是CRC16校驗碼，其計算方式如下：

CRC-16 x16+x15+x2+1

3.5 上位機軟件

本系統(tǒng)上位機軟件需要完成：

（1）提取用戶的操作，并向下位機發(fā)送控制命令；（2）接收來自下位機傳遞的信息，將其顯示在實時監(jiān)測窗口；（3）將數(shù)據(jù)存儲為歷史文件；（4）將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實時曲線顯示在曲線窗口；（5）能夠打印歷史文件或?qū)崟r數(shù)據(jù)；（6）能夠輸出實時曲線圖片，并能夠打??；（7）能進一步擬合曲線，并產(chǎn)生報表。

圖7 上位機主界面

圖8 分析子界面

根據(jù)上述軟件設計需求，本系統(tǒng)上位機軟件模塊如圖6所示。

上位機軟件的主界面如圖7所示包括測頭的圖形顯示、系統(tǒng)信息、電控閥測試（模式與調(diào)節(jié)的設定）、實時數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示、和測試操作界面。

圖形顯示用于顯示檢測時間內(nèi)的水壓、直流電壓、入水流量和出水流量，其橫坐標為時間；并可將曲線保存為JPG和BMP圖片；系統(tǒng)信息主要為當前的串口端口號，檢測系統(tǒng)的狀態(tài)，當前時間和檢測時間，以及對串口的打開控制；電控閥測試模塊，主要用于設定檢測的模式，以及設定電控閥施加的電壓；數(shù)據(jù)顯示模塊用于顯示實時監(jiān)控的數(shù)據(jù)；測試操作，主要用于保存當前數(shù)據(jù)及進入分析子界面。

分析子界面如圖8所示，包括分析數(shù)據(jù)的來源、顯示對象及類型、關系曲線圖、擬合選項和輸出。

數(shù)據(jù)的來源為數(shù)據(jù)文件的路徑；現(xiàn)實對象及類型可供用戶選擇檢測對象和索要顯示的曲線類型，包括流量/頻率曲線、流量/電壓曲線和時間曲線；其中時間曲線下另有水壓、直流電壓、入水流量、出水流量的曲線選擇；關系曲線圖用于顯示曲線；擬合選項，可對曲線進行線性擬合；輸出選項，可將結果輸出，輸出類型包括BMP圖片、JPG圖片、EXCEL表格和WORD報表類型，并可直接打印輸出。

4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

所述系統(tǒng)被用于對即熱式電熱水器恒溫調(diào)節(jié)的電控閥的檢驗，檢驗員只需將被測對象安裝在夾具上，系統(tǒng)即可實現(xiàn)自動檢測，并產(chǎn)生報表。同時，如研發(fā)部門需要通過結果分析結構的合理性，系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)進行存儲、分析，并產(chǎn)生曲線，如水壓—電壓—流量曲線和電壓—流量曲線等。

5 結束語

本系統(tǒng)結合單片機與LABVIEW技術設計并實現(xiàn)關鍵器件（電控閥）檢測系統(tǒng)，此系統(tǒng)的實現(xiàn)與應用解決了企業(yè)對于關鍵器件（電控閥）的自動化檢驗，從而大大提升關鍵器件和產(chǎn)品本身的品質(zhì)，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，降低管理成本，提升企業(yè)品牌效應。

[1] 朱建平, 呂春峰. 基于Labview的單片機串口通訊實現(xiàn). 機械工程與自動化, 2008

[2] 李后上, 張晶, 楊名. 基于UART的PCB板自檢系統(tǒng)設計與實現(xiàn). 家電科技, 2014.3

Design and implementation of electric control valve testing system based on LABVIEW and MCU

BAO Yuqiao1YAN Ting2XU Hao3
（1.University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054; 2.Hangzhou Special Equipment Inspection and Research Institute Hangzhou 310003; 3.Ningbo Sodn Feiyu Electrical Appliance Co.,Ltd. Ningbo 315040）

Electric control valve is widely used in the field of water flow controlling, for the heater, the smart toilet, the digital thermostatic valve and so on. And the product performance is directly related to its performance. Its quality and performance can be tested through the relationship curve of the water pressure, the water flow and the voltage loading on the electric control valve. This paper introduces design and implementation of this electric control valve testing system. The system is based on MCU and LABVIEW technique. It can quickly analysis the rationality of the valve structure and check the quality and consistency of valve of mass production. It will be used in the developing and production of the electric valve.

LABVIEW; MCU; Testing system; Electric control valve