《基于单片机的数字流量控制阀的结构与控制设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的数字流量控制阀的结构与控制设计（49页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、+毕业设计说明书基于单片机的数字流量控制阀的结构与控制设计机电工程学院学生姓名： 学号： 探测制导与控制技术学 院： 焦国太专 业： 指导教师： 2012年6月中北大学2012届毕业设计说明书基于单片机的数字流量控制阀的结构设计与控制研究摘要随着计算机技术的发展以及现代工业数字化的发展要求，在流量控制领域出现了数字式流量控制阀技术，并且得到了迅速发展。而如何降低数字阀的成本，提高控制精度，简化数字阀结构成为当前数字阀研究的主要方向。本设计用MCS-51系列中的STC89C52RC单片机作为控制核心，以步进电机作为执行元件设计了一个低成本，高可靠性的增量式数字流量阀。通过矩阵键盘设定所需流量值，
2、流量计读取当前管道流量，经过单片机的处理，输出控制信号控制步进电机转动以改变阀口的通流面积，从而控制流量，并能实时显示当前流量状况。在对阀的结构设计和系统的硬件电路设计的基础上，分析和设计数字流量阀的控制方案和程序。整个系统结构简单，易于控制，工作可靠，很好的实现了在给定条件下的功能。关键词：数字流量控制阀，单片机，步进电机The Structural Design and Control Research of Digital Flow Control Valve based on MicrocontrollerAbstractWith the development of computer
3、 technology and the requirements of the development of modern industry and digitization, the digital flow control valve technology began to emerge in the flow control domain, and it developed rapidly. So the main research directions of digital valve are to reduce the cost of digital valve, improve t
4、he accuracy of control and simplify the structure of digital valve. This design uses the STC89C52RC chip of MCS-51 series microcontrollers as the core, and stepper motor as executive components to control, designed a cheap, high reliability incremental digital flow valve. Through the matrix keyboard
5、, we can set the required flow value, and the flowmeter read the current flow value, then the microcontroller output the control signal to control the stepper motor rotation, the pipeline section area will change and the flow can be controlled. Also，the current flow value will be showed on the LED.
6、Through the structure design and the hardware circuit design of digital valve, the control plans and procedures of the system are also be analysis and designed. The whole system structure is simple, easy to control, and reliable to work. And it is realized the function very well in a given situation
7、.Keyword: digital flow control valve, microcontroller, stepper motor中北大学2012届毕业设计说明书目 录1 绪论11.1 引言11.2 研究背景11.3 研究目的和意义21.4 数字流量阀的国内外研究现状21.5 研究的主要内容42 数字流量阀的总体方案设计52.1 单片机的选择52.1.1 MCS-51系列单片机概述52.1.2 STC89C52RC单片机简介62.1.3 STC89C52RC单片机引脚功能介绍72.2 流量传感器的选择102.2.1 常用流量传感器的介绍102.2.2 ZL-FE-4流量计基本参数112.
8、3 步进电机的选择112.3.1 步进电机概述112.3.2 28BYJ48型步进电机简介122.4 本章小结133 数字流量阀的硬件电路设计143.1 单片机的复位和时钟电路143.2 矩阵键盘电路143.3 数码管显示电路153.3.1 数码管工作原理简介153.3.2 四位八段共阴数码管的电路设计163.4 步进电机驱动电路173.4.1 ULN2003芯片介绍173.4.2 步进电机驱动电路设计183.5 本章小结194 数字流量阀的阀门结构设计204.1 阀门的结构设计204.1.1 阀体204.1.2 阀芯214.2 阀门的工作原理与分析224.2.1 阀门的工作原理224.2.2
9、 阀门的特性分析234.3 本章小结245 数字流量阀的控制方案与软件设计255.1 数字流量阀的控制方案设计255.1.1 数字流量阀的控制方式255.1.2 单片机的工作方式255.2 控制系统的软件设计265.3 本章小结266 结论28附录A 程序全文29附录B 电路原理图38附录B 电路原理图39附录C PCB图40附录D 样机实物图41参 考 文 献42致 谢44第 II 页 共 页中北大学2012届毕业设计说明书1 绪论1.1 引言 基于单片机的数字流量控制阀是利用数字信号直接控制液流的流量的阀类，是集机电液为一体的自动控制系统的结晶。在工业领域中流量控制是一种非常实用的控制系统
10、，它的准确控制在工业中随处可见1，近年来随着计算机技术的发展，把微处理器作为流量阀的控制单元变得简单而有效。本文主要以单片机作为控制单元控制步进电机改变阀口的通流面积以达到控制流量的目的，实现利用数字信号直接控制液流的流量功能。1.2 研究背景在工业控制中，流量控制系统属于过程控制系统，它们大多数都属于恒值控制系统或随动系统。工业生产中的过程控制是流量测量与仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。流量的
11、检测和控制在化工、能源电力、冶金、石油等领域应用广泛2。例如在电厂里常见的生产蒸汽的设备锅炉，需要维持锅炉液位为正常标准值，这就需要对锅炉进水量进行控制，使锅炉设备安全运行3。又如在化工生产过程中，需要控制化工原料投放速度，避免投料过快或过慢，影响产品质量和生产效率等，这些都是流量控制阀在工业生产中的具体应用。在常规的流量控制系统中，多采用人工控制流量阀来控制流量大小，这种控制方式在工业生产中生产效率低、成本高，已经越来越不适应更高的生产条件和控制要求。近年来随着计算机技术的发展，把微处理器作为流量阀的控制单元变得简单而有效。微处理器作为数字阀的组成部分，其优点是降低成本和提高可靠性，并给系统
12、带来许多必要的特性，如计算和编程的功能，与计算机直接连接无需模数转换等3。因此为了适应当代工业生产的自动化与数字化发展的要求，以及对于传统流量控制方式的改进，对于数字流量控制阀的研究是很有必要的。1.3 研究目的和意义数字流量控制阀可以对流量进行准确的控制，具有响应速度快，可靠性高，环境适应性强，能克服人力手动控制的诸多局限性，并且应用广泛，特别是在大批量需要流量控制的场合，数字流量控制阀能够很大的节约生产成本和管理费用，这使数字流量控制能够在现代农业、管道输送等领域成为不可替代的一项重要技术。但是由于国内生产技术以及工艺条件等原因，目前市场上的部分数字流量阀与国外先进水平相比还是有很大的差距
13、，同等规格下的产品在性能参数、可靠性、精确度等方面不及国外先进产品，而且大多结构复杂，操作不便，性价比低，对于数字流量阀的这些缺点和不足之处，本课题设计的数字流量控制阀应该满足以下几个要求：1.降低成本，低成本有利于产品的推广应用，所以本设计需要注意的一个重要方面就是降低成本；2.提高精度，高精度是数字流量阀与普通流量阀巨大优势所在，所以设计中应该保持控制精度，突出数字流量阀的优点；3.操作方便，这也是数字流量阀与一般控制阀门巨大区别之一，本设计要求只需按键设定流量值，然后由控制系统处理，自动完成控制，真正实现数字化操作；4.结构简单，与现今市场上的数字流量阀相比，设计应该结构简单，采取模块化
14、设计有利于系统维护； 以上所述也即是本课题研究的目的和意义所在。1.4 数字流量阀的国内外研究现状 早期的流量控制阀主要有伺服阀和电液阀两种，但是这两种阀门都是通过将电转换为模拟量来控制压力、流量和方向。它们不能直接接受计算机的数字控制信号，而是需要通过比较昂贵的模数转换和数模转换器，同时为了实现计算机的自动控制还需要安装位置和速度检测器等，使用操作比较复杂。自1981年第十届国际流体动力博览会上首次展出数字阀以来，发展很快。我国1987年在北京由中国科学技术交流中心举办的展览会上，第一次展出了数字阀，这是北京钢铁设计研究总院研制的4。数字阀的出现使电脑直接实行流量控制成为可能。目前市面上流量
15、控制系统发展的已经比较成熟，但是数字流量控制阀生产成本较高，虽然控制精度和可靠性都远远高于其他阀门种类，但是由于性价比不高，在一般的流量控制领域应用不是很广泛。应用比较普遍的流量阀还是功能单一，半数字化阀门，控制方式主要是依靠物理原理进行控制。例如在供暖以及空调系统中常用的流量控制系统自力式流量控制阀，它是一个新的调节阀种类，相对于手动调节阀，它的优点是能够自动调节，但是自力式流量阀从结构上说是一个双阀组合，即由一个手动调节阀组和自动平衡阀组组成，手动调节阀组的作用是设定流量，自动平衡阀组的作用是维持流量恒定，所以从本质上讲自力式调节阀主要是通过物理稳压实现控制。具有完全意义上的利用数字信号进行流量控制的系统在国内市场应用还不是很广泛，通过对
