[计算机软件及应用]微机控制阀门定位器设计正文.doc
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1、装订线安徽工业大学工商学院 毕业设计(论文)说明书目 录第一章 绪论311 课题目的312 课题的主要内容313 系统控制的要求3第二章 阀门定位器结构及其硬件电路设计421 引言4211 过程控制系统4212 电气阀门定位器作用原理422 智能电气阀门定位器5221 智能电气阀门定位器基本工作原理5222 智能阀门定位器的性能623 智能阀门定位器制部分硬件设计7231 智能阀门定位器控制系统7232 单片机的介绍和选型7233 单片机AT89S52的功能结构和原理9234 A/D转换电路15235 控制系统前向后向通道1724 显示、键盘及其它配置电路17241 键盘、显示器接口芯片172
2、42 复位电路18243 时钟报警电路18244 压电阀控制电路18245 电源监控电路及RS-232接口转换电路19第三章 软件设计2031 功能键说明2032 调节阀开度显示的设计2033 数字滤波2034 偏差判别与条件控制2135 程序框图21第四章 开发与调试2541 硬件调试工具介绍25411 ADC0809与AT89S52连接25412 I/V转换电路26413 Intel 8279键盘、显示器电路26414 报警电路28415 复位电路2942 软件调试工具介绍30421 Keil软件开发系统30422 INT1中断服务程序31423 INT0中断服务程序33结束语35致谢36
3、参考文献37第一章 绪论11 课题目的 本课题的设计是以微机为核心的阀门定位器控制系统,通过接收来自调节器设定的阀门开度信号区控制压电阀,推动阀心的移动或转动,从而达到阀心的准确定位,课题具有一定的实际使用意义;同时经过该课题的设计,可以培养设计者融会贯通所学的理论知识,将理论运用实际的能力。12 课题的主要内容 根据阀门定位控制的工作原理,设计微机控制的阀门定位系统的工作原理图、系统的硬件电路原理图以及系统的软件流程图,并编写适当的程序。13 系统控制的要求本课题要求学生能清楚详尽的阐述系统的工作过程,在了解国内外阀门控制发展状况的基础上,对系统中所使用到的微机及完成控制功能的主要器件进行选
4、型,并通过合理的组合构建出硬件电路系统,根据工艺要求设计出软件工作流程及部分软件程序。(1)能够接受来自调节器的电流信号并能将它转换成为电压信号,能够采集阀位反馈回来的模拟信号;(2)能对以上采集到的信号进行运算、整理,最后根据偏差的大小输出连续信号或一定宽度的脉冲来控制压电阀;(3)利用数码管能现场显示输入的参数以及阀门开度;(4)利用按键能在现场对阀门的工作流量特性的参数,以及阀心花怒放的最大、最小行程等参数进行设定;(5)调节阀在自动运行过程中,当阀心花怒放开度大于90%或小于10%时,以及阀心花怒放被卡住时,控制系统能进行报警;(6)具有断电保存功能、看门狗功能、电源电压监测功能;(7
5、)能够和上位机实现通信,使上位机能够对阀门定位器实现数据的设定、管理,并且可以显示、打印。第二章 阀门定位器结构及其硬件电路设计21 引言211 过程控制系统 过程控制通常指石油、化工、电力、冶金、轻工等工业生产过程中的自动控制,它在工业生产和国民经济各行业实现各种最优技术指标的控制,能提高劳动生产率和保护环境。生产过程自动控制系统中,被控对象的工艺参数经检测变送器获得测量信号、由控制器与设定信号比较得到偏差,并进行运算输出控制信号,送给执行器改变操纵变量,使对象的被控变量稳定在期望值上。控制作用就是不断抑制扰动影响,使被控变量保持不变 。 212 电气阀门定位器作用原理执行器是控制系统的终端
6、设备,它接收控制器信号,改变操纵变量,实现控制要求。执行器直接与生产过程接触,工作在高温、高压、腐蚀和振动等环境中。对不同的操纵变量,执行器可以是控制阀、风门、步进电机和变频调速器等。为保证执行器控制精度,在某些特定场合需用阀门定位器 。定位器控制执行器的阀位,能够增大执行机构的输出功率,减少信号传递滞后,克服阀杆摩擦力并消除不平衡力的影响等,保证准确定位。一般用于高压、高温处,克服摩擦力和不平衡力;用于高压差,增大输出力,克服不平衡力;控制器输出直接转换成气压信号去操作执行器,提高响应速度,输出信号的流量大,滞后明显减小;能实现气开式、气关式互换;改善和修正控制阀的流量特性,可实现分程控制。
7、 阀门定位器是控制阀的主要附件,它接收控制器的输出的电流控制信号,输出气压信号去控制阀门;当控制阀动作后,阀杆的位移通过反馈装置反馈到阀门定位器。因此,阀门定位器和控制阀构成一个闭环,如图1所示。定位器检测输入控制信号并和阀位反馈信号比较,若两信号有差异,就驱动阀门的 执行机构直到反馈信号和输入信号相匹配。当反馈信号和输入信号相等,驱动装置就停止对阀位的调整。普通电气定位器使控制阀的品质得到改善,但受结构等因素限制,仍易受温度波动、振动影响;安装调试技术要求高;喷嘴一挡板易堵、能耗较大;定位器零点和行程调整需反复进行等问题。 图1 阀门定位器和控制阀连接回路22 智能电气阀门定位器阀门定位器是
8、过程控制系统的重要辅助单元,已从气动阀门定位器、电一气阀门定位器,发展到智能式。智能阀门定位器,具有控制精度高、自动校准和自诊断的能力,能灵活地改变特性,实现高级控制。目前,国外一些公司相继研制推出了HART总线、FF总线协议等智能阀门定位器,国内智能阀门定 位器研制起步较晚。本文根据智能阀门定位器的功能,进行定位器硬件系统的研制,主要包括单片机系统配置及相关部件 之间接 口设计,使之实现一定的智能动作。 221 智能电气阀门定位器基本工作原理智能电气阀门定位器原理如图2所示,以单片机为核心的控制电路,接收来自控制器的设定阀门开度的信号(420mA),与实际开度的反馈信号比较得到偏差,根据偏差
9、的方向和大小输出电压信号去控制压电气动放大器 PV1和PV2,气压通过单向阀A和B的开关控制,控制阀门的膜头的进气或排气量,推动阀芯移动,以改变阀的开度,达到阀门准确定位。若正偏差很大,则输出连续信号使单向阀 A开启、单向阀 B关闭,阀门膜头气压增大;反之若负偏差很大,则输出信号使阀A关闭、阀 B开启,膜头气压减小;如偏差为零,则输出信号使单向阀A、B均关闭,阀门膜头气压保持不变。随着电子技术的发展,单片机芯片集成度越来越高,以单片机为主体取代传统电子线路,便于与计算机技术结合,组成新一代的智能化控制仪表。在控制仪表中采用单片机能解决传统仪表不能解决的难题,提高可靠性,加快新产品开发速度。 图
10、2 智能电气阀门定位器原理图 222 智能阀门定位器的性能智能电气阀门定位器能解决传统阀门定位器问题,且在性能、使用、性价比等方面有表 1所示性能。 表1 智能阀门电位器性能 类型配用普通定位器的控制阀配用智能定位器的控制阀基本误差小于全行程的2%小于全行程的0.5%回差2%0.5%死区0.8%0.1%阀门的稳定性稳定很稳定调校现场手动调校现场、机柜或DCS调校信号源420mA或气动信号420mA或数字信号耗气量大极小性价比低高安装、调试不方便方便23 智能阀门定位器制部分硬件设计231 智能阀门定位器控制系统 智能阀门定位器的控制部分是以单片机为核心的控制电路。能接收来自控制器的电流信号并将
11、其转换为电压信号,采集阀位反馈信号,并进行运算和处理,控制压电气动放大器PV1、PV2的通断;并用数码管现场显示输入信号及阀门开度;还能用按键在现场对控制阀的行程等参数进行设定和开度报警。 智能阀门定位器原理结构图如图3所示。系统采用单片机AT89S52、A/D转换芯片ADC0809,键盘、显示电路,压电阀控制电路构成,以及复位电路、报警指示电路、420mA到05V的转换电路等一些附加电路。从控制器来的模拟信号(420mA),经I/V转换后,再经A/D转换后进人微处理器进行阀门相对开度换算,即通过所选定的阀门工作流量特性将相对流量信号换算成相对开度信号。同时,阀芯动作时带动阀位反馈杆动作,作把
12、阀门的开度通过电位计输出电压信号,并通过A/D转换后也送人微处理器。微处理器把设定的阀门开度与反馈的实际开度比较,通过数据处理、判断后输出相应的控制信号。如偏差处在允许范围内,即阀杆己准确定位,则微处理器不输出脉冲信号给压电阀PV1和PV2,单向阀均处于切断状态。若偏差很大,则输出连续信号给压电阀PV1或PV2,使压缩空气连续地进入执行机构气室,使阀芯动作。设控制阀是有弹簧正作用气开阀,若实际的阀门开度比设定阀门开度小,则应使单向阀A导通,同时切断单向阀B,使气源中的空气进入膜头,阀杆向下移动,开度增加;反之实际阀门开度比设定开度大,则应使单向阀B导通,同时切断单向阀A,使膜头的空气排出,阀杆
13、在弹簧的作用下向上移动,开度减小。232 单片机的介绍和选型 单片机种类繁多,但是一般常用的有以下几种: ATMEL公司的AVR单片机,是增强型RISC内载Flash的单片机,芯片上的Flash存储器附在用户的产品中,可随时编程,再编程,使用户的产品设计容易,更新换代方便.AVR单片机采用增强的RISC结构,使其具有高速处理能力,在一个时钟周期内可执行复杂的指令,每MHz可实现1MIPS的处理能力。AVR单片机工作电压为2.76.0V,可以实现耗电最优化.AVR的单片机广泛应用于计算机外部设备,工业实时控制,仪器仪表,通讯设备,家用电器,宇航设备等各个领域。Motorola单片机:Motoro
14、la是世界上最大的单片机厂商。从M6800开始,开发了广泛的品种,4位,8位,16位32位的单片机都能生产,其中典型的代表有:8位机M6805,M68HC05系列,8位增强型M68HC11,M68HC12 ,16位机M68HC16,32位机M683XX. Motorola单片机的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多,因而使得高频噪声低,抗干扰能力强,更适合于工控领域及恶劣的环境。图3 智能阀门定位器的原理结构图 MicroChip单片机: MicroChip单片机的主要产品是PIC 16C系列和17C系列8位单片机,CPU采用RISC结构,分别仅有33,35,58条
15、指令,采用Harvard双总线结构,运行速度快,低工作电压,低功耗,较大的输入输出直接驱动能力,价格低,一次性编程,小体积。适用于用量大,档次低,价格敏感的产品.。在办公自动化设备,消费电子产品,电讯通信,智能仪器仪表,汽车电子,金融电子,工业控制不同领域都有广泛的应用,PIC系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高.发展非常迅速。 MDT20XX系列单片机:工业级OTP单片机,Micon公司生产,与PIC单片机管脚完全一致,海尔集团的电冰箱控制器,TCL通信产品,长安奥拓铃木小轿车功率分配器就采用这种单片机。EM78系列OTP型单片机: 台湾义隆电子股份有限公司,直接替代PIC16CXX
16、,管脚兼容,软件可转换。Scenix单片机:Scenix公司推出的8位RISC结构SX系列单片机与Intel 的Pentium II等一起被Electronic Industry Yearbook 1998评选为1998年世界十大处理器。在技术上有其独到之处:SX系列双时钟设置,指令运行速度可达50/75/100MIPS(每秒执行百万条指令,XXX M Instruction Per Second) ;具有虚拟外设功能,柔性化I/O端口,所有的I/O端口都可单独编程设定,公司提供各种I/O的库函数,用于实现各种I/O模块的功能,如多路UART,多路A/D,PWM,SPI,DTMF,FS,LCD
17、驱动等等. 采用EEPROM/FLASH程序存储器,可以实现在线系统编程.通过计算机RS232C接口,采用专用串行电缆即可对目标系统进行在线实时仿真。 EPSON单片机: EPSON单片机以低电压,低功耗和内置LCD驱动器特点著名于世,尤其是LCD驱动部分做得很好.广泛用于工业控制,医疗设备,家用电器,仪器仪表,通信设备和手持式消费类产品等领域.目前EPSON已推出四位单片机SMC62系列,SMC63系列,SMC60系列和八位单片机SMC88系列。 东芝单片机: 东芝单片机门类齐全,4位机在家电领域有很大市场,8位机主要有870系列,90系列,该类单片机允许使用慢模式,采用32K时钟时功耗降至
18、10UA数量级。东芝的32位单片机采用MIPS 3000A RISC的CPU结构,面向VCD,数字相机,图像处理等市场。 8051单片机: 8051单片机最早由Intel公司推出,其后,多家公司购买了8051的内核,使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大,应用也最广泛,有人推测8051可能最终形成事实上的标准MCU芯片。 LG公司生产的GMS90系列单片机,与Intel MCS-51系列,Atmel 89C51/52,89C2051等单片机兼容,CMOS技术,高达40MHZ的时钟频率,应用于:多功能电话,智能传感器,电度表,工业控制,防盗报警装置,各种计费器,各种IC卡装置,D
19、VD,VCD,CD-ROM。 华邦单片机: 华邦公司的W77,W78系列8位单片机的脚位和指令集与8051兼容, 但每个指令周期只需要4个时钟周期,速度提高了三倍,工作频率最高可达 40MHz.同时增加了WatchDog Timer,6组外部中断源,2组UART,2组Data pointer及Wait state control pin。W741系列的4位单片机带液晶驱动,在线烧录,保密性高,低操作电压(1.2V1.8V)。 Zilog单片机: Z8单片机是Zilog公司的产品,采用多累加器结构,有较强的中断处理能力,开发工具价廉物美.Z8单片机以低价位面向低端应用。我想很多人都知道Z80单板
20、机,直到90年代后期,很多大学的微机原理还是讲述Z80。 NS单片机: COP8单片机是NS(美国国家半导体公司)的产品,内部集成了16位A/D,这是不多见的,在看门狗多路及STOP方式下单片机的唤醒方式上都有独到之处.此外,COP8的程序加密也做得比较好。233 单片机AT89S52的功能结构和原理AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有 8K 在系统可编程Flash存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80S52 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于 常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系
21、统 可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能: 8k字节Flash,256字节RAM, 32 位I/O 口线,看门狗定时器,2 个数据指针,三个16 位 定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口, 片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU 停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。(1)引脚说明: P0 口:
22、P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口,每位能驱动8个TTL逻 辑电平。对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下,P0不具有内部上拉电阻。 在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。程序校验 时,需要外部上拉电阻。 P1 口:P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口,p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。 此外,P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和定时器/计数器2 的触发输入(P1.1/T2EX)。 在flash
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