电动执行器作为工业过程控制中的重要设备，接收来自调节器的模拟信号（一般是4～20mA电流信号）或上位机的数字信号，并将接收的信号转换为电动执行器相应的角位移或直线位移输出，去带动调节阀、挡板等动作，实现对各种过程参数的自动控制。控制器可以预先设定阀门的灵敏度、零点和行程等整定参数，接受上位机发送来的阀门开度设定信号。在阀门开启和关闭过程中，控制器将上位机发送来的阀门开度设定信号与终端的开度反馈信号相比较，由单片机按一定的控制策略，向消除阀门开度设定值与反馈值之间差值的方向改变电机转向和转速，从而实现阀门开启、关闭或运行到指定开度位置。电动执行器的硬件总体框图如图1所示。
图1 电路执行器硬件总体框图
随着高新技术的迅猛发展，电子计算机技术、微机控制技术已经在电动执行器设计中得到广泛应用。可靠性高、通信功能强，诊断功能完善、使用方便的基于嵌入式微处理器的智能电动执行器将逐渐取代普通电动执行器。与普通电动执行器相比，除了以微处理器为核心外，人性化的人机接口也是不可缺少的重要组成部分。表现为以下两个方面：（1）便捷的参数设置功能。（2）丰富的在线显示功能。
一、智能电动执行器人机接口的主要模块
根据智能电动执行器的特点，设计了由液晶显示、红外遥控以及面板按钮等组成的智能电动执行器人机接口。液晶显示采用数字式显示，不但可以准确显示阀门的开、关状态和正常的阀门开度等，而且当有故障发生时，还可以及时准确地显示出故障信息，克服了普通电动执行器的不准确显示甚至显示故障等问题。面板按钮和红外遥控使得操作人员既可以在现场完成各种参数的设置和开、关、停等操作，在比较复杂的环境下还可以通过遥控器来完成上面的操作，实现了非接触式操作。
1、红外遥控信号的发射与接收
红外遥控系统由发射和接收两大部分组成。如图2所示，发射部分包括键盘矩阵、编码调制、红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。
图2 红外发送与接收
（1）红外遥控发射器
图3 红外遥控发射电路
红外遥控发射器主要由功能键盘，放大电路，红外发射管等组成。编码、调制由软件实现。电路如图3所示：以PHLIPS公司的LPC932单片机为核心，遥控键盘的八个按键分别和LPC932的P0口的八个I/O连接，P1.0口输出按键的编码经红外发光二极管发射。在遥控器的顶端，有一块可以通过红外光的滤光片，这是发射器的辐射窗口，里面是红外发光二极管。通过面板上的各遥控功能按键，产生不同的红外光调制信号，来实现遥控功能。当红外发射端有38kHz方波脉冲时，红外发射头输出为低，而无信号输入时红外发射头输出高电平，故可采用改变脉冲宽度来实现二进制信号的编码。编码时，二进制信号中的“0”的特征是脉冲低电平与高电平的宽度都等于0.5ms，即先保持0.5ms不发送38kHz方波然后再发送0.5ms的38kHz的方波；而二进制中的高电平“1”的特征是脉冲中高电平的宽度是0.5ms低电平的宽度是1ms，即先保持0.5ms不发送38kHz方波然后再发送1ms的38kHz方波。
按键的编码是遥控器软件撰写的重要部分，笔者对8个按键按以下方式进行编码。点切按键：0001B，取址按键：0010B，状态切换按键：0100B，开按键：1000B，取消按键：1001B，停止按键：1010B，紧急按键：1100B，关按键：1101B。当检测到有键按下时，便通过红外发送头发送相应的编码。数据格式由起始位+数据位组成。首先在发射头保持发送3ms的38kHz方波作为起始位，然后发送数据位，编码发送结束后一直维持高电平等待下一按键按下。
红外遥控器主函数如下：
void main（）
{
uchar keyptr；
P0M1=0x00； //P0口设置为准I/O口
P0M2=0x00；
P1M1&=0xF0； //P1.0口设置为推挽输出
P1M2=0xff；
P1_0=0； //P1.0口低电平
TMOD=0x02；//定时器0方式2
TAMOD=0x00；
while（1）
{
keyptr=keyflag（）； //按键判别
numkey=0；
if（keyptr!=0x55）
{
keyhandle（keyptr）； //发送按键编码
}
}
}
（2）红外信号的接收
选用一体化红外线接收器VF0038组成红外接收电路。VF0038集红外线接收和放大于一体，接收器对外只有3个引脚：Out、GND、Vcc与单片机接口非常方便。只需将接收器的输出通过两个反相器就可以直接连接到单片机的一个I/O端口，不需要再加任何外部电路就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，并且体积小，适合于红外线数据传输。本设计中，红外接收头的输出信号经过两个反相器接到LPC936的INT0，选择下降沿触发。每一个下降沿都进行外部计数，通过判断计数时间长度来判断接收的是二进制“0”还是“1”，从而识别接收到的按键信号。
红外接收部分的软件流程图如图4所示。
图4 红外信号接收软件流程图
2、液晶显示与面板按钮模块
液晶显示与面板按钮模块的核心控制芯片选用PHLIPS公司的LPC2136。LPC2136微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位ARM7TDMI-SCPU，并带有128KB嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。多个32位定时器、2个10位8路的ADC、10位DAC、PWM通道、47个GPIO以及多达9个边沿或电平触发的外部中断使它特别适用于工业控制应用。
在本设计中，LPC2136接收来自红外遥控信号、按键信号和执行器末端的反馈信号，根据设置的参数和反馈信号对电机进行控制，并将各种信息通过液晶屏出来，达到很好的人机通信效果。人机接口中各模块和LPC2136的连接如图5所示。
图5 人机接口个模块与单片机的连接图
（1）液晶显示模块
本设计的液晶显示模块选用OCM12864液晶屏。OCM12864是128×64点阵型液晶显示模块，点阵像素连续排列，行列间排布均没有间隔，所以可以显示各种字符及图形。具有8位标准数据总线、6条控制线及电源线、采用KS0108控制IC。OCM12864液晶屏的所有控制器、扫描电路和显示RAM集成于液品屏背面、并带有LED背光、采用单电源供电可与CPU直接连接。
液晶显示电路由OCM12864液晶屏与LPC2136直接连接组成。OCM12864液晶屏的1和3脚之间接10K电位器用来调节亮度，4和5脚接LPC2136的两个I/O口连接，区别读写操作和数据指令信号的种类，6脚接LPC2136的一个I/O口使能液晶显示器。7～15脚作为数据线接LPC2136的对应数据线，15和16脚控制片选信号分别选择左右半屏。19脚接到5V电源提供背光。
液晶屏初始化程序如下：
void Lcminit（void）
{
cbyte=DISPOFF； /*关闭显示屏*/WrcmdL（cbyte）；
WrcmdR（cbyte）；
cbyte=DISPON；
WrcmdL（cbyte）；
WrcmdR（cbyte）；
cbyte=DISPFIRST； /*定义显示起始行为零*/
WrcmdL（cbyte）；
WrcmdR（cbyte）；
Lcmcls（）；
col=0； /*清屏*/
row=0；Locatexy（）；
}
（2）面板按钮
霍尔开关器件是一种磁传感器，利用霍尔效应，可以方便的检测磁场及磁场变化并把磁输入信号转换为电信号。霍尔开关器件易操作、可靠性好，可应用于各种与磁场检测等相关场合。霍尔效应的原理：当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直的放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象称为霍尔效应。两端具有的电位差值即霍尔电势U，其表达式：
U=K×I×B/d
其中，K为霍尔系数，I为薄片中的电流，B为外加磁场的磁感应强度，d是薄片的厚度。
本设计选用霍尔开关器件作为面板按钮，霍尔开关器件输出端输出电平信号，可以加一上拉电阻接到两片级联的移位寄存器74HC165的并行输入口，第一片的串行输出端接到第二片的串行输入端口，第二片的串行输出口与LPC2136的P0.5口相连，将接收到的数据输出到LPC2136进行处理。
二、实验结果与结论
实验中按下红外遥控器的点切按键（编码：0001B），从红外发射头发出的信号波形和一体化接收头的输出信号波形分别如图6（a）和（b）所示。人机接口的红外遥控设定，实现了无线连接，发射距离超过5m，操作方便可靠。霍尔开关按钮能够很好实现各种参数设置和现场操作。液晶显示器视觉效果较好，在故障显示与报警方面也较普通数码管表示出更多的信息。在设备运转过程中，一旦发现故障可以准确及时地显示相应故障状态。在异常状态结束后，液晶显示屏会显示执行机构处在正常工作状态。
（a）红外发射头发出的信号波形
（b）一体化接收头的输出信号波形
图6 红外发射头发出的信号波形和一体化接收头的输出信号波形
通过实验发现，利用本文设计的人机接口在智能电动执行器的参数设定和操作方面具有相当的优势，不仅操作方便快捷，而且工作安全可靠。与上一代电动执行器的人机接口相比，其成本仅略有上升，但是在实际应用中这种智能电动执行器的人机接口具有很明显的优势，性价比高，具有广阔的应用前景。
