基于LABVIEW與單片機(jī)的電控閥檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鮑雨翹 嚴(yán)挺 徐豪

（1.電子科技大學(xué) 四川成都 610054;2.杭州市特種設(shè)備檢測(cè)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(jī)的電控閥檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鮑雨翹1嚴(yán)挺2徐豪3

（1.電子科技大學(xué) 四川成都 610054;2.杭州市特種設(shè)備檢測(cè)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(yīng)用于熱水器、智能馬桶、數(shù)字恒溫閥等水流量控制領(lǐng)域，其性能直接與產(chǎn)品性能相關(guān)。電控閥品質(zhì)與性能可以通過(guò)檢測(cè)其環(huán)境水壓、出入水流量和施加于電控閥的電壓的關(guān)系曲線來(lái)檢驗(yàn)。本文介紹此電控閥檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，所述檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)與LABVIEW工業(yè)檢測(cè)上位機(jī)軟件技術(shù)設(shè)計(jì)，可快速分析電控閥結(jié)構(gòu)的合理性、檢驗(yàn)電控閥量產(chǎn)品質(zhì)與一致性，應(yīng)用于電控閥的研發(fā)與生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

LABVIEW；單片機(jī)；檢測(cè)系統(tǒng)；電控閥

1 引言

電控閥被廣泛應(yīng)用于熱水器、智能馬桶、數(shù)字恒溫閥等對(duì)水流量的控制領(lǐng)域，這些小家電或工業(yè)使用場(chǎng)合在需要對(duì)流量進(jìn)行較為精確的控制外，還要求成本低廉。同時(shí)，應(yīng)能滿足環(huán)境適用性，如高水壓下密封性、低水壓關(guān)閉密封性和低水壓低電壓?jiǎn)?dòng)，工作水壓下電壓與流量的調(diào)節(jié)量應(yīng)成近似線性關(guān)系以便應(yīng)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(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)功率或自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，抑或兩種方式相結(jié)合的形式實(shí)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(dāng)功率達(dá)到額定功率而因水流過(guò)大始終無(wú)法達(dá)到所需溫升時(shí)，功率調(diào)節(jié)將會(huì)超出控制范圍，無(wú)法滿足用戶需求。通過(guò)電控閥對(duì)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(yàn)。

也即說(shuō)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(guān)，這就要求企業(yè)的研發(fā)部門(mén)設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)與電氣特性，要求企業(yè)的生產(chǎn)檢驗(yàn)部門(mén)能夠通過(guò)檢驗(yàn)對(duì)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(cè)系統(tǒng)基于單片機(jī)與LABVIEW技術(shù)，能夠檢測(cè)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(duì)應(yīng)的流量，分析并獲得關(guān)系曲線，從而對(duì)電控閥的品質(zhì)進(jìn)行分析、檢驗(yàn)。

圖1 電控閥原理

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)框圖

2 檢測(cè)對(duì)象（電控閥）原理

電控閥結(jié)構(gòu)機(jī)理多種，其最大特點(diǎn)是開(kāi)度可調(diào)，有別于普通電磁閥，僅有開(kāi)、關(guān)兩種狀態(tài)，以下介紹一種結(jié)構(gòu)巧妙、成本低廉從而能夠被廣泛應(yīng)用于家電領(lǐng)域的電控閥，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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

由此可知，可通過(guò)上述電控閥實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的閉環(huán)控制，其信號(hào)流：電壓信號(hào)—（電控閥開(kāi)度）—流量信號(hào)—脈沖（頻率）信號(hào)。通過(guò)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(kāi)度，從而水流量發(fā)生改變，形成閉環(huán)控制。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(guān)閉狀態(tài)不漏水；且能夠在較低電壓時(shí)正常開(kāi)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(guān)系，以便實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制。

由此可見(jiàn)，本課題的電控閥檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)檢測(cè)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(jī)程序流程圖

圖6 上位機(jī)軟件模塊

（1）檢測(cè)電控閥在1.2MPa水壓沖擊下是否漏水；

（2）檢測(cè)電控閥在0.1MPa低水壓關(guān)閉時(shí)是否漏水，低電壓時(shí)能否正常啟動(dòng)；

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

根據(jù)以上檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)框架如圖2所示。

被檢對(duì)象被固定在夾具上，水流路徑：水路系統(tǒng)—夾具—被檢對(duì)象—水路系統(tǒng)。電路系統(tǒng)對(duì)水路中的執(zhí)行元件進(jìn)行控制，如控制電磁閥切換水路。同時(shí)，通過(guò)分布于水路中的傳感器采集物理信號(hào)，如水流、水壓，將信號(hào)采樣處理后，電路系統(tǒng)與上位機(jī)軟件通訊。上位機(jī)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)、顯示、分析、打印等操作，同時(shí)上位機(jī)軟件可通過(guò)向電路系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，控制檢測(cè)模式。

3.1 水路系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)的檢測(cè)需求，水路被分為三路，如圖3所示：

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

（2）0.2～0.4MPa調(diào)節(jié)測(cè)試水路：系統(tǒng)從水箱取水，通過(guò)水泵將水壓調(diào)節(jié)至0.2～0.4MPa，用戶可通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器（變頻器對(duì)水泵進(jìn)行控制），設(shè)定所需的實(shí)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(cè)試水路：0.2～0.4MPa取水并通過(guò)0.1MPa減壓閥獲得0.1MPa。同時(shí)，三個(gè)電磁閥用于切換水路。三個(gè)電磁閥由電路系統(tǒng)中三個(gè)繼電器控制，當(dāng)其中一個(gè)（對(duì)應(yīng)水路）的電磁閥開(kāi)啟時(shí)，其余兩路均關(guān)閉。

3.2 電路系統(tǒng)

根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求可知，電路需要對(duì)水路系統(tǒng)的執(zhí)行元件進(jìn)行控制，需要對(duì)環(huán)境和被檢對(duì)象的物理量進(jìn)行采樣，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和傳輸，需要與上位機(jī)軟件進(jìn)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(jī)系統(tǒng)、人機(jī)界面（按鍵輸入）、脈寬檢測(cè)、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(jī)等供電；單片機(jī)系統(tǒng)是電路系統(tǒng)的核心處理單元；人機(jī)界面（按鍵輸入）因上位機(jī)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(qiáng)制關(guān)閉檢測(cè)、強(qiáng)制轉(zhuǎn)換水路等特殊作業(yè)；脈寬檢測(cè)用于檢測(cè)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(jī)軟件通訊，接收控制命令，發(fā)送采樣信號(hào)。

表1 MODBUS協(xié)議基本格式

表2 下位機(jī)接收上位機(jī)的控制信號(hào)

表3 下位機(jī)發(fā)送給上位機(jī)的控制信號(hào)

3.3 單片機(jī)程序

系統(tǒng)下位機(jī)（單片機(jī)）程序首先接收來(lái)自上位機(jī)軟件發(fā)送的控制信號(hào)，控制信號(hào)內(nèi)容包含采取高壓沖擊（選擇1.2MPa水路）、低壓測(cè)試（選擇0.1MPa水路）或是性能測(cè)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(hào)等；而后單片機(jī)輸出繼電器對(duì)水路進(jìn)行控制，輸出PWM對(duì)電控閥進(jìn)行控制；繼而單片機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電控閥，同時(shí)實(shí)時(shí)采集水壓、電壓、入水流量脈寬、出水流量脈寬等信號(hào)，并將信號(hào)做緩存；緩存的信號(hào)通過(guò)處理轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)軟件。至此，下位機(jī)（單片機(jī)）程序的整個(gè)工作進(jìn)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(yàn)：無(wú)；

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(guò)上位機(jī)讀取下位機(jī)入水流量的信息，那么下位機(jī)接收上位機(jī)的控制信號(hào)如表2。其中地址0x0002為存儲(chǔ)流量的地址。下位機(jī)收到命令后，將信息傳輸給上位機(jī)，那么下位機(jī)發(fā)送給上位機(jī)的控制信號(hào)如表3。其中數(shù)據(jù)0x02代表2L，0x32即十進(jìn)制的50，代表500mL，也即流量為2.5L/min。

上述兩個(gè)例子都提及CRC校驗(yàn)碼，校驗(yàn)碼是用于識(shí)別傳輸?shù)男畔⑹欠裢暾?、?zhǔn)確的手段。系統(tǒng)采用的是CRC16校驗(yàn)碼，其計(jì)算方式如下：

CRC-16 x16+x15+x2+1

3.5 上位機(jī)軟件

本系統(tǒng)上位機(jī)軟件需要完成：

（1）提取用戶的操作，并向下位機(jī)發(fā)送控制命令；（2）接收來(lái)自下位機(jī)傳遞的信息，將其顯示在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)窗口；（3）將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為歷史文件；（4）將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)曲線顯示在曲線窗口；（5）能夠打印歷史文件或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)；（6）能夠輸出實(shí)時(shí)曲線圖片，并能夠打??；（7）能進(jìn)一步擬合曲線，并產(chǎn)生報(bào)表。

圖7 上位機(jī)主界面

圖8 分析子界面

根據(jù)上述軟件設(shè)計(jì)需求，本系統(tǒng)上位機(jī)軟件模塊如圖6所示。

上位機(jī)軟件的主界面如圖7所示包括測(cè)頭的圖形顯示、系統(tǒng)信息、電控閥測(cè)試（模式與調(diào)節(jié)的設(shè)定）、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)顯示、和測(cè)試操作界面。

圖形顯示用于顯示檢測(cè)時(shí)間內(nèi)的水壓、直流電壓、入水流量和出水流量，其橫坐標(biāo)為時(shí)間；并可將曲線保存為JPG和BMP圖片；系統(tǒng)信息主要為當(dāng)前的串口端口號(hào)，檢測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)，當(dāng)前時(shí)間和檢測(cè)時(shí)間，以及對(duì)串口的打開(kāi)控制；電控閥測(cè)試模塊，主要用于設(shè)定檢測(cè)的模式，以及設(shè)定電控閥施加的電壓；數(shù)據(jù)顯示模塊用于顯示實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)據(jù)；測(cè)試操作，主要用于保存當(dāng)前數(shù)據(jù)及進(jìn)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(lái)源、顯示對(duì)象及類型、關(guān)系曲線圖、擬合選項(xiàng)和輸出。

數(shù)據(jù)的來(lái)源為數(shù)據(jù)文件的路徑；現(xiàn)實(shí)對(duì)象及類型可供用戶選擇檢測(cè)對(duì)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(shí)間曲線；其中時(shí)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(guān)系曲線圖用于顯示曲線；擬合選項(xiàng)，可對(duì)曲線進(jìn)行線性擬合；輸出選項(xiàng)，可將結(jié)果輸出，輸出類型包括BMP圖片、JPG圖片、EXCEL表格和WORD報(bào)表類型，并可直接打印輸出。

4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

所述系統(tǒng)被用于對(duì)即熱式電熱水器恒溫調(diào)節(jié)的電控閥的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)員只需將被測(cè)對(duì)象安裝在夾具上，系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，并產(chǎn)生報(bào)表。同時(shí)，如研發(fā)部門(mén)需要通過(guò)結(jié)果分析結(jié)構(gòu)的合理性，系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、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(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)結(jié)合單片機(jī)與LABVIEW技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵器件（電控閥）檢測(cè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用解決了企業(yè)對(duì)于關(guān)鍵器件（電控閥）的自動(dòng)化檢驗(yàn)，從而大大提升關(guān)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(yīng)。

[1] 朱建平, 呂春峰. 基于Labview的單片機(jī)串口通訊實(shí)現(xiàn). 機(jī)械工程與自動(dòng)化, 2008

[2] 李后上, 張晶, 楊名. 基于UART的PCB板自檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)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