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1、西北工业大学课程设计报告题目：基于单片机的智能阀门定位器测控系统 选 题 第七题 课程设计申报表学生信息姓名学号姓名学号姓名 学号姓名 学号2课程设计题目基于单片机的智能阀门定位器测控系统课程设计任务书一.设计目的 设计一个由单片机组成的智能阀门定位器测控系统。通过这个过程学习熟悉键盘控制和七段数码管使用，掌握智能阀门定位器控制和测试方法。二.预习与参考C程序语言、计算机控制技术、自动控制原理、三. 设计内容及要求1具有显示功能在显示器上显示任意四位十进制数；2具有按键输入和操作功能；3实现：（1）键盘功能；（2）显示界面；（3）给出原理图；（4）给出控制算法及相应程序；（5）开发串口通信功能
2、；进度计划1、 布置任务，查阅资料，确定系统方案（1天）2、 被控对象建模（1天）3、 算法推导，程序设计（3天）4、 仿真研究（2天）5、撰写、打印设计说明书（2天）6、答辩（1天）评语及成绩论文质量： 答辩： 总 成 绩： 指导教师签字： 年 月 日摘 要 在生产生活中，阀门作为主要的控制器件，在现代控制领域扮演着重要角色。所以，如何精确的定位阀门位置就显得特别的重要。利用传统的控制方法，阀门的定位存在诸多问题（如：控制精度不高，能耗大，安装不方便等），所以利用智能定位器改进阀门控制精度就显得尤为重要。基于上述问题，本文是以单片机为中心，利用数字控制理论，实现智能阀门定位系统的。以控制阀为
3、主要研究对象，围绕系统核心单片机，通过PID控制算法，产生PWM经驱动放大电路控制直流电机的转向、转速，进而控制阀门开度，达到阀门定位器的功能。建模阶段 针对被控对象控制阀和执行机构直流电机，经查阅大量相关资料和严密的理论推导，在合理假设的条件下，其传递函数为一阶惯性环节。算法控制 本文主要利用经典PID控制理论，并结合计算机仿真软件Matlab对系统的传递函数进行simulink仿真研究，通过试凑法对PID参数进行整定，得出相关的控制算法。硬件设计 本为选用STC89C52为主要控制芯片，主要包括采样调理及A/D转化模块，串行通信模块，数码显示模块，按键输入模块，PWM输出及驱动电路模块，电
4、源电路模块。软件编程 以硬件设计的电路为蓝本，利用C语言实现各部分的相关程序。通过以上四个环节，就实现了集数码显示，按键输入，串行通信为一体的智能阀门定位系统的功能。关键字：定位器 控制阀 PID 目 录第一章 绪论51.1 阀门定位器概述51.2 阀门定位器工作原理51.3 设计任务5第二章 总体方案设计与模拟仿真62.1 系统框图62.2 模块分析62.3 模块模拟9第3章 系统硬件设计103.1 采样调理电路103.2 数码管显示电路113.3 电机驱动模块133.4 单片机STC89C5213第4章 系统的软件设计144.1 主程序设计144.2 键盘扫描子程序设计154.3控制子程序
5、设计16参考文献18附录18第一章 绪论阀门定位器(又称：气动阀门定位器）是调节阀的主要附件，通常与气动调节阀配套使用，它接受调节器的输出信号，然后以它的输出信号去控制气动调节阀，当调节阀动作后，阀杆的位移又通过机械装置反馈到阀门定位器，阀位状况通过电信号传给上位系统。阀门定位器按输入信号分为气动阀门定位器、电气阀门定位器和智能阀门定位器。智能电气阀门定位器它将控制室输出的电流信号转换成驱动调节阀的气信号，根据调节阀工作时阀杆摩擦力，抵消介质压力波动而产生的不平衡力，使阀门开度对应于控制室输出的电流信号。并且可以进行智能组态设置相应的参数，达到改善控制阀性能的目的。1.1 阀门定位器概述阀门定
6、位器能够增大调节阀的输出功率，减少调节信号的传递滞后的情况发生，加快阀杆的移动速度，能够提高阀门的线性度，克服阀杆的摩擦力并消除不平衡力的影响，从而保证调节阀的正确定位。常用执行机构分气动执行机构，电动执行机构，有直行程、角行程之分。用以自动、手动开闭各类阀门、风板等。 阀门定位器按输入信号分为气动阀门定位器、电气阀门定位器和智能阀门定位器。按动作的方向可分为单向阀门定位器和双向阀门定位器。按阀门定位器是否带CPU可分为普通电气阀门定位器和智能电气阀门定位器。普通电气阀门定位器没有CPU，因此，不具有智能，不能处理有关的智能运算。智能电气阀门定位器带CPU，可处理有关智能运算，例如，可进行前向
7、通道的非线性补偿等，现场总线电气阀门定位器还可带PID等功能模块，实现相应的运算等。1.2 阀门定位器工作原理阀门定位器是控制阀的主要附件。它将阀杆位移信号作为输入的反馈测量信号,以控制器输出信号作为设定信号，进行比较，当两者有偏差时，改变其到执行机构的输出信号，使执行机构动作，建立了阀杆位移倍与控制器输出信号之间的一一对应关系。因此，阀门定位器组成以阀杆位移为测量信号，以控制器输出为设定信号的反馈控制系统。该控制系统的操纵变量是阀门定位器去执行机构的输出信号。1.3 设计任务本设计以STC89C52单片机为核心，用键盘控制模块、四个七段数码管显示模块、采样调理模块、电机驱动模块等模拟智能阀门
8、定位器测控系统，以实现在数码管上显示设定值和实际值；通过按键进行输入和操作功能等。第二章 总体方案设计与模拟仿真2.1 系统框图定位系统结构框图如图所示，该系统由PWM控制器，执行机构，电位传感器等组成。2.2 模块分析2.2.1 控制器本系统采用PWM方式和PID算法控制直流电机，当位置偏差较大时，则输出连续信号给压电阀（快速调节）；当位置偏差大小适中，则输出脉冲序列给压电阀（慢速调节）；当位置偏差在设定的很小范围0.1%（死区）内时，认为执行器到达设定位置，此时关闭调节阀，使执行器定位在当前位置。2.2.2 压电阀根据现实条件，本系统以直流电机模拟压电阀。建立其数学模型时，首先列写出电动机
9、主电路电压平衡方程式，轴上力矩平衡方程式和励磁电路电压平衡方程式等基本关系式，加以整理，然后进行拉普拉斯变换，根据此变换，即可求出电动机的动态结构图和传递函数的表达式。其过程为：（1）根据下图的直流电机的等效电路写出基本关系式：其中: 为电枢电路时间常数； 为励磁电路时间常数；为电动机磁极对数；为励磁绕组和电枢绕组的互感。（2）将其进行拉氏变换。经过化简，可得电动机磁场恒定时,其传递函数为：或写成： 式中: 固有振荡频率 衰减系数或阻尼比 电势系数或转矩系数 电动机的电气机械时间常数当2,即Tm4Ta时，传递函数可写成如下形式：上式表明，在外施阶跃电压作用下，首先产生由于时间常数而滞后的电枢电
10、流，然后下一步输出因滞后的响应速度。略去电枢电感时：其传递函数为： 其中： 在本次设计中选取某型号直流电机，经计算可得：电动机磁场恒定时， 略去电枢电感时，2.2.3 执行机构和反馈部分（1）执行机构在本次设计中，为了方便将其看作比例模型，比例系数为1。直流电机直接控制阀门的开度，直流电机通过正转和反转分别控制阀门开大和关小。其中，直流电机的输入电压为05V。（2）反馈环节反馈环节采用电位器传感器，将阀门的开度范围转化为电信号，经过放大器放大后与设定值进行比较。如果设定值大于反馈值，直流电机正转，阀门开度增大；如果设定值小于反馈值，直流电机反转，阀门开度减小。由于实际试验时，缺少电位器传感器原
11、件，我们用滑动变阻器代替。滑动变阻器的电阻范围为010K，通过改变滑动变阻器的阻值，改变电路反馈电压，与设定值进行比较。2.3 模块模拟采用simulink进行仿真，使用PID进行调节时，使用试凑法，方法如下：只采用比例调节，改变的值，得到最佳效果；采用比例积分调节，保持的值不变，改变的值，得到最佳效果；采用比例积分微分调节，保持、的值不变，改变的值，得到最佳效果。当、时，仿真效果最佳，simulink仿真图如下：这里，设定值，采用如上PID调节，simulink仿真结果如下。结果显示，调节效果较优。第3章 系统硬件设计 总方案：此方案所选用的主控芯片为STC89C52，整个控制系统的算法都有
12、此芯片负责完成。给单片机输入一个位移量作为阀门的的设定值，然后通过滑动变阻器模拟的位移传感器测得阀门的实际位移值，通过求差得到此时的偏移量e，利用设定好的控制算法计算得到此时的控制量输出u，再根据u可得知驱动电机的电压，由此即可知道所需的PWM波的占空比，据此输出一个与计算结果相符合的PWM波，用于驱动电机。电机转过一定的角度，则此时的偏差e减小，控制量u也因此而减小，电机的转速下降，直到实际测得的阀门位移量与设定值相等，则此时的偏差e与控制量u都为0，电机停止转动，此时电机的位置即为设定的位移量。在单片机的外围还有数码管显示电路与按键扫描电路。数码管显示电路用于显示当前的测量值与定值，该电路
13、通过两片74LS573锁存器实现数码管的动态显示。按键扫描电路共有3个按键，分别用于设定值的加一、减一与复位。电路当中所需的15V与5V供电电压由供电电路提供，供电电路先后通过变压器、电桥、滤波电路与稳压芯片产生15V与5V的电压，为整个电路供电。 由上述方案可知，此电路共分为供电电路、数控电路部分（包括按键扫描电路、数码管显示电路）、采样调理电路与电机驱动电路等5部分，下面分别介绍各部分电路的组成与作用。3.1 采样调理电路 由于阀门的位置信号为位移信号。因此这里的传感器应为位移式传感器。位移式传感器的原理为：通过指针与阀门相连，当阀门动作时带动其相连的指针一起运动。指针的另一端为精密滑动变
14、阻器的滑动端，如此便可改变滑动变阻器连入电路当中的阻值，进而改变此传感器的电压输出值。 在此系统中我们用一个滑动变阻器模拟位移式传感器，其上所加的电压为5伏，则此滑动变阻器的电压输出范围为0-5V正好可以被AD转化芯片所转化，变为数字量为单片机直接利用。3.1.1 ADC0809芯片介绍AD转换采用采用ADC0809CCN芯片，ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。（1）内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。（2）外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。下面说明各引脚功能。IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有
