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1、计算机应用单片机控制系统在阀门定位器中的应用四川大学制造学院( 四川 610065) 廖正军 薛心喜摘 要 文章介绍了以 89C51 为核心的单片机控制系统在阀门定位器中的应用, 它改变了传统的机械力平衡式或位移平衡式的阀门定位器的工作原理, 减少了可动部件, 并且使阀门定位器的精度更高、 操作更简便、 能耗更低, 减少现场振动对它的影响。同时该系统的应用也为工厂对现场 调节阀的统一操作、 管理奠定了基础。关键词 单片机 阀门定位器 89C511 系统工作原理阀门定位器的控制系统采用的是 89C51 为核心的单片机控制系统, 它接收来自调节器的设定阀 门开度的电流信号( 4 20mA) , 用
2、这个信号与从调节阀阀杆反馈回来的实际开度信号进行比较, 如果微处理器得到一个偏差信号, 就利用这个信号去控 制压电阀, 使一定量的压缩空气经过压电阀进入到调节阀的执行机构的气室, 推动阀芯的移动或转动,从而达到阀芯的准确定位。阀门定位器的控制原理图如图 1 所示。图 1 阀门定位器的控制原理图2 系统的控制要求阀门定位器对单片机控制系统的设计要求有以下几点:( 1) 能够接收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信号来控制压电阀;( 3) 利用数码管能现场
3、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, 以及阀芯的最大、 最小行程等参数进行设定;( 5) 调节阀在自动运行过程中, 当阀芯开度大于 90% 或小于 10% 时, 以及阀芯被卡住时, 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) 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。3 系统的硬件设计3. 1 系统的基本组成本系 统采用 89C51 单片 机, A/ D 转 换芯片ADC0808, 可编程的键盘、 显示接口芯片 8279, 兼有看门狗功能、 电源电压
4、监测和 EEPROM 功能的X25045 芯 片 以 及 标准 RS -232 接 口 转 换芯 片MAX232 组成基本系统。此外, 还有一些基本的附加电路, 如复位电路、 报警电路、 4 20mA 电流转换到 0 5V 电压的转换电路、 压电阀控制电路等。其电路原理图如图 2 所示。3. 2 A/ D转换电路ADC0808 是价格适中的逐次比较式 8 位 A/ D转换器, 可输入 8 路模拟信号, 在这里我们选用 IN0和 IN1 作为模拟信号输入通道。ADC0808 的最大5电子技术62002 年第 11 期 中国传感器 http: / / www. sensor. com. cn( 6
5、57)17图 2 单片机控制系统电路原理图不可调 误差 小 于 ? 1/ 2LSB, 典型 时 钟频 率 为640kHz, 每一通道的转换时间约为 100 Ls。89C51与ADC0808 的接口电路如图 2 所示。89C51 通过地址线 P2. 0 和读、 写控制线控制转换的模拟输入通道地址锁存、 启动和输出允许。模拟输入通道地址的译码输入A、 B、 C 由 P0. 0 P0. 2提供, 因为 ADC0808 具有通道地址锁存功能, 所以我们省掉了地址锁存器 74LS373, 直接将 P0. 0P0. 2 分别与 A、 B、 C 相连。例如, 当我们要选中IN0路模拟电路送入 ADC0808
6、 的时候, 执行如下的程序:MOVDPTR, # 0FEFFH; 输入 ADC0808 的地址FEFFH 给 DPTRMOVA, # 00H; 将 IN0 模拟电压地址送 AMOVX DPTR, A; 将 A 中数据送入 A、 B、 C, 并启动 ADC0808即可 通 过 P2. 0 和 WR 引 脚 将 ADC0808 中 的START 和ALE 引脚置高电平, 即启动 ADC0808 并锁存模拟输入通道地址。同时在模拟输入通道地址得以锁存后, P0. 0 P0. 7 将空出用于传送转换后的数字信号到 89C51 中。此外,ADC0808 的参考电压由外部精密参考电压源提供。由于阀芯的移动
7、速度很慢, 即通过阀位反馈杆带动电位器的动触点输出的信号是缓变信号, 它相对于ADC0808 的 100 Ls 的模数转换时间来说, 已相当慢, 所以我们在前向通道中无需设置采样/ 保持器。为了消除现场的电磁及噪声的干扰, 我们采用 数字滤波程序来消除采样系统中由于干扰造成的误差。这将在后面的程序设计中谈到。因为ADC0808 只接收模拟电压信号, 而从调节器过 来 的 信 号 是 4 20mV 电 流 信 号, 所 以 ADC0808 在采集从调节器过来的信号前, 需将 420mA 电流信号转换成 0 + 5V 电压信号。其 I/ V转换电路如图 2所示。3. 3 8279 通用键盘、 显示
8、板与 89C51 的连接电路 8279 是专用键盘、 显示控制芯片, 能对显示器自动扫描; 能识别键盘上按下的键号, 充分提高CPU 的工作效率。8279 与 MCS -51 接口简单, 由它 构成的标准键盘、 显示接口在单片机应用系统中使用愈来愈广泛。因此对于此系统的按键和显示电路, 我们采用启东计算机厂的型号为 CZ1 的 8279通用键盘、 显示板。该通用键盘、 显示板为 16 个按 键及 8 位显示的通用板。我们将它的按键设置为10 个数字键、 3 个字母键、 2 个功能键、 1 个小数点键。在 8279通用键盘、 显示板与 89C51 的连接中,我们同样省掉了 74LS373。因为
9、8279 的地址由 CS、 A0 决定。当我们在执行命令 MOVX DP -TR、 A 或 MOVX A, DPT R 时, 在整个命令执行18( 658)中国自动化 http: / / www. automation. com. cn 5电子技术62002 年第 11 期周期中 P2. 0 P2. 7 一直处于有效电平, 即 8279 的 CS、 A0 一直处于有效电平, 而 P0. 0 P0. 7 虽然在命令执行的前半周期被地址线所占据, 但在命令执行的后半周期里 P0. 0 P0. 7 被空出用于传送数据 线。3. 4 压电阀控制电路图 2中 89C51单片机控制信号经 P1. 6 和
10、P1. 7端口输出, 并在 P1. 5 的控制下锁存在 74LS273 中, 74LS273 的输出再经达林顿驱动器 MC1413 后驱动固态继电器 SSR1、 SSR2。当MC1413 的 Q1 端有高电平输出, SSR1 的 3、 4 引脚端接通, 使压电阀 1 接通并向调节阀执行机构气室中输送气。当 MC1413 的Q2 端输出高电平, SSR2 的 3、 4 引脚接通, 使压电阀 2 接通并排放出调节阀执行机构气室中的气。74LS273 锁存控制信号, 一方面增加输出功率, 另一 方面也防止单片机复位时引起控制的误动作。采用固态继电器作为压电阀的开关属于无触点开关, 内部是大功率的晶闸
11、管电路, 不产生火花, 无电磁干扰并使高电压与单片机系统隔离。 3. 5 电源监测电路及 RS -232 接口转换电路图 2 中的 X25045 是一种新型的/ 看门狗0和EEPROM 存储芯片, 它兼有电压监测、 / 看门狗0定 时器和 EEPROM 三种功能。X25045 还为 89C51提供上电复位, 当程序紊乱或电压失常时启动内部的/ 看门狗0电路以强制单片机复位, 使程序从头开始执行。X25045 内置的 512字节EEPROM 存储单 元, 可随时保存各种重要数据, 这使系统断电后重要数据不会丢失。图2 中, MAX232 为标准的 RS -232 接口转换芯 片, 其主要是完成T
12、 TL 至 RS -232 电平的转换, 为单片机和 PC 通信提供通路。整个控制系统中, PC 除了处理各种采样数据之外, 还负责管理单片机系统,例如故障诊断、 参数设置等。它的设置参数保存在 X25045 的 EEPROM 存储单元中, 下次设置之前,该参数不会被更改。根据实际情况可以将 MAX232更换为 MAX485 接口芯片, 采用 485 总线标准, 通过一台 PC 可在几千米范围内管理数十台单片机系 统。4 软件设计4. 1 功能键说明因为调节阀有直线流量特性、 百分比流量特性和快开流量特性三种基本的流量特性。当阀门定位器安装在不同流量特性的调节阀上时, 用户可通过 按键 A、
13、B 或 C 分别进入直线流量特性、 百分比流量特性和快开流量特性的功能程序区, 从而针对不同的流量特性设置不同的参数。同时也将公式( 1) 中换算后的 H 和h 值键入其中。4. 2 调节阀开度显示的设计因为系统设计中要求显示 0 100% 的阀门开度, 而通过A/ D 转换后得到的是 0 255 的数, 为此我们采用如下公式来把 A/ D 转换的数据换算成阀门的开度。K =X - h H - h 100%(1)其中: X 为电位器动触点输出的转换后的实际值;H 为电位器动触点最大行程时输出的转换后的值,其默认值为 255; h 为电位器动触点最小行程时输出的转换后的值, 其默认值为 0。通过
14、公式( 1) , 我们可以为阀门定位器的电位器在现场与阀芯反馈杆的连接带来方便。因为电位器的最大行程距离与阀芯的最大行程距离是不可能相同的, 而我们要通过改变机械结构使阀芯的最大行程与电位器的最大行程完全匹配是相当困难的, 所以可以根据实际安装时候阀芯的最大行程的 X 1 来替换默认的 H 值, 用最小行程时候的 X 2 来替换默认的 h 值。这样就可以在阀芯的最大行程距离小于且接近电位器的最大行程距离的条件下, 无论阀芯的最大行程距离是多少, 都可以准确地测出阀芯的开度。从调节器过来的信号经 A/ D 转换后得到的数据也需通过式( 1) 进行转换。所得到的设定开度与阀门的实际开度进行比较即可
15、得出偏差, 如果偏差大于所允许的误差值( 小于 0. 2% ) , 89C51 便输出控制信号给压电阀。4. 3 数字滤波在由微型机组成的自动控制系统中, 为了减少对采样值的干扰, 提高系统的可靠性, 常常采用数字滤波的方法。本系统采用算术平均值滤波和中值滤波相结合的复合数字滤波。它即可消除周期性脉冲干扰又可消除随机脉冲干扰。中值滤波是把几次采样值按一定顺序排列, 如从小到大排列, 然后取其中间值为本次采样值。这种方法适用于变量变化比较缓慢的过程, 消除由于偶然因素造成的干扰。算术平均值滤波是把几次连续采样值相加求和, 除以采样次数 n, 所得结果作为该次采样值。设第 K 个采样周期内共采样i
16、 次, 每次采样为 xi,则该次采样值 Y( K )计算公式为:5电子技术62002 年第 11 期 中国传感器 http: / / www. sensor. com. cn( 659)19Y (K ) =1 nEii= 1xi这种方法适用于周期性脉冲变化的采样信号。4. 4 偏差判别与条件控制 在对阀位的控制中, 我们采用五接点开关控制算法。所谓五接点开关, 是指把误差范围分正大、 正中、 死区、 负中、 负大五大区域, 在不同区域中执行不同的动作来减小误差。当误差在正大或负大区时, 控制器输出连续信号给压电控制阀, 持续进气或排气, 使行程快速改变; 在正中或负中区, 输出一定宽度的脉冲信号, 断续进气或排气, 行程缓慢改变; 在 死区内, 不输出信号, 行程不改变。4. 5 程序框图阀门定位器控制系统的软件主要由系统控制主程序( 如图 3 所示) 、 INT 0 中断服务程序( 如图 4 所 示) 和INT1中断服务程序( 如图5所示) 三部分组成。图 3 系统主控制程序5 结束语相对原来的机械力平衡
