基于单片机的数字流量控制阀的结构与控制设计.docx
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1、+基于单片机的数字流量控制阀的结构与控制设计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,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
2、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 technology and the requirements of the development of modern industry and
3、 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 the accuracy of control and simplify the structure of digital valve. This d
4、esign 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, we can set the required flow value, and the flowmeter read the current f
5、low 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. Through the structure design and the hardware circuit design of digital va
6、lve, 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.Keyword: digital flow control valve, microcontroller, stepper motor目 录1 绪
7、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112.3 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14
8、3.2 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 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2
9、55.2 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441 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,它的准确控制在工业中随处可见1,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1.3 研究目的和意义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
10、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。数字阀的出现使电脑直接实行流量控制成为可能。数字流量控制系统的核心部件是微处理器,现在大多采用与工业标准的MCS-5l指令集和输出管脚相兼容的MCS-51系列单片机。电动阀门是流量控制的执行元件,在目前市
11、场上用作流量控制的电动阀门主要有两种,一是步进电机,另外一种是电磁阀。利用步进电机作为执行元件时,控制模块根据所测的流量与给定流量比较,决定阀芯动作方向,并发出控制脉冲,驱动步进电机,使其带动阀芯转动,通过改变节流面积,即可达到控制出流量的目的。利用电磁阀作为执行元件时,主要由控制模块输出触发信号控制电磁阀的开闭,磁阀是用电磁效应进行控制,主要的控制方式由继电器控制。按照阀门的种类,数字阀主要可以分为两类:增量式数字阀与高速开关式数字阀。增量式数字阀,即步进电机式的数字阀,这一类产品在上世纪八十年代末至九十年代占据了液压数字阀领域的主流,国外的日本东京计器公司开发了全系列的液压数字阀,其中包括
12、数字压力阀、数字流量阀以及数字比例方向阀等,我国当时的广研所也是积极开展研究的知名单位之一。而高速开关数字阀即电磁阀,其应用到目前为止已经很多,从数量看已超过增量式数字阀,但其性能的提高至今仍处在研发过程,在上世纪八十年代,浙江大学、北京理工大学等院校就进行了很多的相关研究。近十年来控制阀技术的发展十分迅速,以数字式阀门定位器为核心的控制阀数字解决方案,极大提升了控制阀使用性能,使之有了一个质的飞跃,进而成为工业生产的智能设备。利用智能化控制阀(数字式阀门定位器)自带阀位(行程)、输出、气源等参量传感器直接进行状态监测,以故障识别、逻辑思维推理、鲁棒性的广义专家系统进行在线预测性维护,提升并维
13、持了性能,减少了运行故障和提高了使用寿命,对工业生产有显著的经济效益。在现阶段,控制阀技术的发展趋势是“三高”,即高集成、高性能、高智能8。本课题对于数字流量控制阀的研究设计只是作为基础性设计,利用单片机作微处理器,力争用最低的成本和最简的结构,而且易于控制来实现数字流量控制阀的功能。1.5 研究的主要内容2 数字流量阀的总体方案设计 数字流量阀的控制系统主要包括三个部分:输入部分,控制部分,输出部分。其中输入部分主要用来设定给定流量值和输入当前管道流量大小,所以输入部分包括两个模块即流量传感器输入模块和键盘输入模块;控制部分是整个控制系统的核心,本课题用单片机最小系统作为系统的控制模块;输出
14、部分的作用是显示设定的流量值和当前管道流量大小,以及控制阀门工作,本课题拟采用数码管作为显示器,用步进电机转动来控制阀门即增量式数字阀,所以输出部分包括显示模块和执行模块。 综上所述,本课题研究的基于单片机的数字流量控制阀系统结构模块总体框图如图2.1所示。图2.1 系统模块框图2.1 单片机的选择 单片机是整个控制系统的核心,其主要作用是接收来自流量传感器的信号,通过相应的运算和处理,输出数字信号对步进电机进行控制,所以选取合适的单片机对于整个数字流量阀的正常工作至关重要。根据实际需要和本课题的要求,选取单片机应该依据性价比高,功耗低,性能可靠稳定的原则。2.1.1 MCS-51系列单片机概
15、述 20世纪80年代以来,单片机的发展非常迅速。就通用单片机而言,世界上一些著名的计算机厂家已投放市场的产品就有几十个系列,数百个品种。尽管单片机的种类很多,但是在我国使用最多的是Intel公司的MCS-51系列单片机及其增强型、扩展型的衍生机型。Intel公司继1976年推出MCS-48系列8位单片机之后,又于1980年推出了MCS-51系列高档8位单片机,是最早进入国内的单片机主流品种之一,至今30多年来,51系列单片机经久不衰,并得到了极其广泛的应用。 近些年来,世界上很多大半导体公司都生产以8051为内核的单片机,如ATMEL/PHLIPS/SST公司的AT89/P89/STC89系列
16、。这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品,准确的说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。这些兼容机与8051的系统结构相同,采用CMOS工艺,因而常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机,简称51系列单片机。51系列单片机有多种型号的产品,如普通型80C51、80C31、87C51和89C51等,增强型80C32、80C52、87C52和89C52等。它们的结构基本相同,其主要差别反映在存储器的配置上,其中80C51内部设有4KB的掩膜ROM程序存储器,51增强型的程序存储器为普通型的2倍9- 11。 8051单片机包含中央处理器(CPU)、程序存储器(ROM)、数据存
17、储器(RAM)、定时/计数器、I/O接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线,其内部结构框图如图2.2所示。图2.2 8051单片机结构框图2.1.2 STC89C52RC单片机简介STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的高性能CMOS8位单片机,指令代码完全兼容传统8051单片机,是8051系列单片机的增强型一种。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash,使得STC89C52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。 STC89C52RC单片机具有以下标准功能:8K字节Flash,512字节R
18、AM,32位I/O 口线,看门狗定时器,内置4KB EEPROM,MAX810复位电路,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。另外STC89C52RC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,最高运作频率35MHz,6T/12T可选。STC89系列单片机是国产芯片,价格比较便宜,与其他品牌单片机相比性价比高,STC89C52RC参数和性能均满足本课题的要求,而且该单片机通用常见,运用
19、广泛,因此选择STC89C52RC单片机作为数字流量阀的控制核心。2.1.3 STC89C52RC单片机引脚功能介绍图2.3 STC89C52RC单片机引脚图 如图2.3所示,PDIP封装的STC89C52RC单片机有40个引脚,主要引脚功能如下: VCC(40引脚):电源电压。 VSS(20引脚):接地。 P0端口(P0.0P0.7,3932引脚):P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口,每个引脚能驱动8个TTL负载,对端口P0写入“1”时,可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时,P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线,此时,P0口内部上拉电阻有效。在Flas
20、h ROM编程时,P0端口接收指令字节,而在校验程序时,则输出指令字节,要求外接上拉电阻。 P1端口(P1.0P1.7,18引脚):P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器可驱动4个TTL输入。对端口写入1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可用作输入口。P1口作输入口使用时,因为有内部上拉电阻,那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。此外,P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入(P1.0/T2)和定时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),在对Flash ROM编程和程序校验时,P1接收低8位地址。 P2端口(P2.0P2.7,2128引脚
21、):P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可以驱动4个TTL输入。对端口写入1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,这时可用作输入口。P2作为输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器时,P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器时,P2口引脚上的内容,在整个访问期间不会改变。在对Flash ROM编程和程序校验期间,P2也接收高位地址和一些控制信号。 P3端口(P3.0P3.7,1017引脚):P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动4个TTL输入
22、。对端口写入1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可用作输入口。P3做输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流。在对Flash ROM编程或程序校验时,P3还接收一些控制信号。P3口除作为一般I/O口外,还有其他一些复用功能,如表2.1所示。表2.1 P3口引脚复用功能引脚号复用功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INT0(外部中断0)P3.3INT1(外部中断1)P3.4T0(定时器0的外部输入)P3.5T1(定时器1的外部输入)P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)RST(9引脚):
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