74HC14 片内共有 6 路施密特触发反相器，74HC86为 2 输入端四异或门。不同型号的编码器其旋转一圈发出的脉冲个数 n 也有所不同，但其信号时序都相同。旋转增量式编码器出来的信号一般为 A 相、B 相两路方波信号和 Z 信号，采用 TTL 电平。A 相脉冲在前，B 相脉冲在后，两路脉冲相差 90°，每转一圈发出一个 Z脉冲，可作为参考机械零位。这里，顺时针旋转为正转，A 相超前B 相为 90°；逆时针旋转为反转，B相超前 A相为 90°。经过该电路进行解码后，可直接细分输出 2 倍脉冲信号OUT和辨向信号 DIR，并可以直接与单片机相连接。

编码器出来的信号 AB 经过 74HC14 的**二个反相器，其波形为相位差为 90°的方波信号。74HC86**个异或门输出为 1CP 信号，CP 信号为 D 触发器提供了 CLOCK。74HC86输入为 A 和-A，当 VCC 为 4.5 V 时，输入信号高于 3.15 V 被认为高电平，低于 1.35 V 时被认为低电平，加之任何方波信号波形上升下降时间不可能为 0，因此，当信号下降到小于 1.35 V 而未上升到 3.15 V 时，其异或门输出就为低电平。同理，第四个异或门的输入 B 和-B信号产生的CP信号与之相同。1D输入为信号， 而RESET和SET又接的是高电平，同时，有了CP信号，即可得到 1Q 和 2Q 信号，然后再经过异或门就可以得到*终的OUT信号，如图4所示，实现了对输入信号的2倍频。

鉴向由第二片 74HC74 完成，其输入 1D 为 74HC86的第三个异或门的输出，即为信号 -B 和 -A 信号经过异或运算，其 RESET 和 SET 都接高电平，通过时序图即可得到 OUT 信号。当反转时，1D 信号不变，CP 信号相位会向后移动半个周期，输出恒为低电平，从而实现了方向信号的判别。 

2.3 驱动电路

阀门开度选用步进电机进行驱动，电机线圈由四相组成，即 A,B,C,D 四相，驱动方式为两相激磁方式[5]。电机驱动模块电路如图 5所示。

电机使用 12 V 工作电压，*大电流为 0.26 A，需要额外的驱动电路实现 PWM 控制。电机驱动模块采用STC15F104 将输入的 PWM 波形转换成 4 路方波输出，方波进步通过 ULN2003 大电流复合晶体管驱动，通过P3.0~P3.7 控制各线圈的接通与切断。电机采用四相双四拍工作方式，通电换相的正序为 AB⁃BC⁃CD⁃DA；反序为 AD⁃DC⁃CB⁃BA。如果 P3 口输出的控制信号中，0 代表使绕组通电，1代表使绕组断电，则可用 4个控制字来对应这 4个通电状态，双四拍工作方式的控制字见表 1。

2.4 上位机控制

上位机控制器采用 STC12C5A60S2 单片机作为控制器，其原理电路如图 6所示。

STC12C5A60S2 每 个 I/O 口 驱 动 能 力 均 可 达 到20 mA，因此，可用它直接驱动液晶显示器或者矩阵键盘而不用接上拉排阻，同时可以使用独立的串口波特率发生器，这样给设计带来了很大方便。上位机*小系统如图6所示。U1为LCD12864液晶显示器接口，P1为4 × 4矩阵键盘接口，晶振电路亦采用 11.059 2 MHz 晶振， P3.0 和 P3.1 接串口电路。限于篇幅原因，串口通信、液晶显示和矩阵键盘不再一一赘述。

本次系统设计得到的高压调节阀控制器 PCB 印刷电路板如图 7 所示。系统电路板上分别为模拟电路部分和数字电路部分，外接 LCD 显示屏和人机键盘。实验仪器主要有万能表、直流电源、示波器、仿真器等。

3 系统软件设计

3.1 阀门开度调节

系统软件开发平台为 KEIL，以 C 语言编程。软件主要完成系统的初始化设置[6]、控制、通信、显示等功能。系统中，上位机发送控制码，下位机根据控制码执行相应控制动作，并实时向上位机发送其工作状态以供显示。上电后，首先上下位机进行握手通信，然后建立连接后方可进行自动或手动控制，其系统软件流程图如图 8 所示。当单片机通过串口发送数据时，只需要将要发送的内容直接赋给缓冲寄存器 SBUF 就可以了，当单片机通过串口接收数据时，只需要缓冲寄存器 SBUF 中的内容直接读出即可。

控制方式和数据显示都是由上位机来完成指令发送和数据接收的。当下位机接收到命令指令后，经过判断来执行相应的动作，其中，主要指令有：手动正传、手动反转、自动运行、清零和停止运行。下位机在主函数中一直进行扫描判断，完成相应的动作执行。

上位机发送手动指令时，下位机工作在手动调节模式，而当检测到按键松开时，上位机停止发送手动指令，以实现阀门开度的点动控制。上位机发送自动指令时，下位机将工作在自动调节模式，上位机使用矩阵键盘输入阀门的目标开度，并将该目标开度发送给下位机。下位机将该目标开度值转换为目标脉冲个数，然后根据当前脉冲个数和目标脉冲个数的差值控制电机转动方向，即目标脉冲个数大于当前脉冲个数，步进电机正向转动，当前脉冲个数增计数，阀门开度增加；反之，目标脉冲个数小于当前脉冲个数，步进电机反向转动，当前脉冲个数减计数，阀门开度减小；当前脉冲个数等于目标脉冲个数时，即阀门已由当前开度调节至目标开度，电机停止调节，下位机停止计数。系统具备正反转互锁和延伸切换保护功能，同时，下位机的当前脉冲数转换为当前开度在上位机上进行显示。 

3.2 模糊 PID 算法

控制器使用 PWM 驱动步进电机，由于使用了硬件PWM 发生器，单位时间内 PWM 波的个数难以计算。另 外，考虑到位置偏差大时，控制要求快速跟踪，而偏差较小时，则要求提高控制精度，因此需要采用 PID 算法。

PID 控制程序流程图如图9所示，如果被控量远未接近给定值，仅刚开始向给定值变化时，由于比例和积分反向，将会减慢控制过程。为了加快开始的动态过程，可以设定一个偏差范围 v，当偏差| e ( t ) | < β时，即被控量接近给定值时，就按正常规律调节，而当| e ( t ) | ≥ β时，则不管比例作用为正或为负，都使它向有利于接近给定值的方向调整，即取其值为| e ( t ) - e ( t - 1 ) |，其符号与积分项一致。根据PWM相关寄存的使用方法，直接设置相应的寄存器，PWM 模块将会产生频率和占空比可调的 PWM波。当PWM模块一旦运行后，如果不使用软件方法去关闭，它将一直输出相应参数的 PWM 方波，与其他程序的运行没有关系，从而实现增量式模糊 PID 算法的实现。

系统利用模糊 PID 算法，通过 PID 的输出控制 PWM的频率，可加快控制的动态过程，以满足偏差大时的快速性要求和偏差小时的精确性控制，从而达到调节电机速度和防止开度调节惯性产生振荡的目的[7⁃10]。此外，系统还具备编码器故障或急停保护、掉电保持等功能。

4 结 语

本文研制成功的高压调节阀控制器，整个过程简单直观，能巧妙且低成本地解决高压阀调节问题。系统可以对调节阀门开度进行准确控制，同时能够实时地在线对调节阀进行监控。本远程调节阀控制器适用于工业生产、生活需要对流体流量实现自动化精确控制的过程环节中，也可适用于工业生产诸如石化行业中的炼油装置和合成氨装置等有毒有害流体的远程精确控制过程中。