智能阀门定位器设计.docx

摘要摘要:智能阀门定位器具有高灵敏度、高可咏性以及内设整定参数可选择性，使有死区的阀门动态响应汨到很大的改善，并使阀门行程精确和稳定地操作.智能阀门定位器从二卜世纪中期产生至今，经历了几个不同的发展阶段”目前智能式阀门定位是国内外研究和使用的重点。本文主要针对料能式阀门定位沿的硬件部分进行研究设计，并对定位器的硬件控制系统的组成情况以及主要的模块特性进行了系统的分析研究。首先根据目前国内、外对智能阀门定位器的研究，通过深入分析典里智能阀门定位器的结构，工作原理及其实现的功能，制定出系统的设计方案。其次主要从宏观上设计出定位器的结构组成及工作原理，其次对该定位器做出软件设计的规划，包括主程序的设计、反馈信号采样和数据处理模块程序的设计、输入信号采样和数据处理模块程序的设计以及测试模块程序的设计等。最后对定位器硬件系统进行了详细设计.主要包括电源电路设计、信号采样模块的设计、人机交互模块的设计以及串口通讯模块的设计，并采用了功能强大的电路电子仿真软件Pmeus对系统进行了搭建实验.最终率先完成了定位器硬件系统整体设计要求.关键词：阀门定位器：Protcus;电路设计第1章绪论1.1背景及研究意义智能控制是门新兴的理论和技术,它是传统控制发展的高级阶段,主要用来介绍那些用传统方法难以解决的亚杂系统的控制、其中包括智能机器人系统，攵杂工业过程控制系统、航空航天控制系统、交通运输系统等。近十几年来，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃。智能控制技术发展迅速，已提出许多方法，如专家控制、模糊控制、神经网络控制、分层递阶控制、拟人智能控制和基因控制等。其目的是提高系统的也棒性、容错性和解决具有严重非线性和不确定性系统的控制问题。在应用方面，其研窕重点集中在智能控制元件、系统的智能控制方法和智能控制器的实时实现方面。面对现代化工业的特点和要求，一个理想的智能控制系统应具备以卜.一些的功能将点：(D学习功能。系统具有自行改善自身性能的能力，即在经历某种变化后，系统性能应优于变化前的系统性能.(2)适应功能。系统应具仃适应受控对象动力学特性变化、环境变化和运动条件变化的能力。(3)组织功能。对丁笑杂的任务和分散的传感信息具有自行组织和协调功能.该组织功能还表现为系统具T相应的主动性和灵活性,并满足多目标和高性能指标要求。(4)鲁棒性。系统性能应对环境干扰和不确定性等诸因素不域感。(5)容错性。系统对各类故障具有屏蔽和自修发的功能。(6)实时性.实时性是智能控制的生命，系统应具有相当的在线实时响应的能力.智能控制系统需要实时监控、实时处理、实时学习和实时动态推理。我们之所以在定位器中提出智能控制的概念，这说明我们之前的定位器是不具备智能的特点，这绐逐步发达的工业领域带来了极大的不便，面对些人工无法完成，计算庞大而艰涩的难超，对于传统的以力平衡为原理的阀门就显得有些力不从心了，面对这样的局面智能阀门的出现可以说是解决人们无能为力的问题，开拓了工业控制领域的新局面，给工业自动化带来了新的深刻变革，代表了气动执行耦的发展方向。智能阀门定位器辅助调节阀实现流量的控制，在工业控制领域发挥着重要的作用。对流量的控制精度的要求越来越高，对定位器的性能也提出了更高的要求，智能阀门定位器成为工业控制领域的研究热点。阀门定位器发展的趋势是电气化、智能化，并且必将与全数字化工业控制相适应。智能阀门定位器通过自动调校、初始化等操作，进行参数的自整定，比如自动识别执行机构的作用方向、零点和行程范用，应用在不同类型的谢节何匕有利于克服调节阀阀杆所受填料摩擦力、不平衡力的影响，实现调节阀按用户设定的信号准确定位，提高定位精度、线性度.随着智能、网络、通信和控制与管理综合自动化技术的发展，在工业流量控制中对气动调节阀的智能化要求U益迫切。特别是现场总线和开放式控制系统对同门定位器提出了更高的要求，使得原有的阀门定位器无法满足控制要求，开发研制智能同门定位潞是工业自动化发展的必然结果。随着现场总线技术的日趋完善和成熟，加快r智能型定位器产品的研究开发：在国外，智能阀门定位器研究开发较早的有F1.SHER>SIEMENS.ABB,SAMSoN、山武等公司，共成熟产品已广泛应用于冶金、石油、化工、电力等行业的控制系统中。在国内，共主导产品还是基于力平衡原理的机械式和模拟电子技术的电一气阀门定位器，对智能阀门定位器的研究开发还处于起步阶段，行业单位研制开发的数字式阀门定位器等产品，虽然提高了产品技术水平，但不能湎足当今现场总线及开放式控制系统对定位器的要求。HvP系列智能阀门定位器是国家“九五”攻关项目一EHART协议智能阀门定位罂及防爆品种研究开发的科技成果，主要包括HVP1.I“2和HVPo8，09两大类四个品种，是我公司拥有完全自主知识产权的创新产品，它埴补了国内在该领域的空白，其技术水平处于国内领先地位。1.2 国内外研究现状早期的阀门定位器采用力平衡原理,1.P转换部分为喷嘴挡板机构，输入信号为气压信号，输出信号也为气压信号，通过改变喷嘴和挡板的距离从而改变进入气动薄膜气室的气压，调节进气量和排气量，使执行机构的动作，从而进行阀门定位，凸轮的形状决定阀门的流量特性，一种凸轮形状对应一种流量特性，一旦凸轮安装完成，调节阀的流量特性就已经确定，要想使阀门具有多种流量特性,须改变凸轮的形状，重新安装凸轮。电气阀门定位器的诞生，采用了电磁铁，增加r电气转换功能，输入信号是4-2OmA的电流信号，输出信号是气压信号，实现的功能和气动阀门定位器一样。将微处理器应用于电气阀门定位器，发展成智能阀门定位器，采用电平衡原理取代力平衡原理，改善了之前阀门定位器容易受环境干扰、安装调试工作量大等不足，增加了同门定位器的灵活性,实现直行程和角行程的选择，正反作用的选择、流量特性的选择等功能，自动实现调校过程，初始化操作后可自动获得零位和行程范围等参数，提高调节阀的性能。现场总线是一种新型的工业控制方式，数字信号与模拟信号同时传送，互不卜扰，基于现场总线的阀门定位器，通过双向通讯，可实时将阀门定位器信息传送至上位机，查看阶跃响应、动态偏差及执行机构特性等，常见的控制总线有HART、PRoF1.BUS和FF总线等，配有现场总线的阀门定位落是发展的前沿。对智能阀门定位器的优点总结如下：(1)定位精度高与早期的气动阀门定位器相比，智能阀门定位器的可动部件就比较少了，没仃必要反更调节螺检和弹簧，外界振动的卜扰和温度对它的影响也大大减少，这样一来它的稳定性就比较可靠。安装好调节阀之后，摩擦力具行多变性，这主要是因为调节阀参数规格的大小存在差异,相对于智能阀门定位器的调节阀的最佳工作状态，那么喷嘴挡板式的就显得捉襟见肘而智能阀门定位器以微处理器为核心，以电平衡原理进行闭环自动控制，可自动识别调节阀的特性，克服了填料摩擦力，消除不平衡力的影响,还可采用软件方式对阀位反馈非线性进行补偿，提高了定位精度。(2)自调整功能智能阀门定位器通过初始化操作，可自动识别执行机构的正反作用方式、行程范围大小，调整零点和量程参数。阀门的安装调试方便，减少成本，节约安袋调试时间。(3)多流量特性的选择传统的气动阀门定位落通过凸轮的形状取得用户期望的流量特性，若要改变流量特性，需要重新更改反馈凸轮形状，重新安装凸轮。在执行器上安装智能阀门定位器之后，不需要调节机械部件，通过软件编程使调节阀具备多种流量特性，用户通过按键或手持港选择设定流量特性，快槌方便。(4)低功耗在喷嘴挡板式的阀门定位器工作的时候，它的能耗是比较大。这主要是因为要连续不断地供给压缩空气，在阀门定位之后，依然需要气压供给.气源的不干净，环境的污染，这使得喷嘴容易堵塞，因此经常需要清洁，清洁时还需要进行拆装，费时费事。智能阀门定位器在阀门定位之后，耗气量几乎为零。(5)数字通讯功能智能阀门定位器接收数字信号，进行主从双向通讯，不但可以接受来自上位机的发来信号，而且可以将当前的工作状态发送给上位机。所以，用户可以远距离进行阀门定位器的组态、查看当前阀门运行状态,通过远程终端进行操控，可以避免工作人员在恶劣的环境下的操作，避免高危作业。1.3 论文的主要研究内容本课题研究智能二线制电气阀门定位器,以微处理器为核心，将压电技术应用于同门定位器系统，可用于控制直行程或角行程的土构。六课题的研究内容如下所述：U)智能阀门定位器系统的各组成部分的研4：(2)控制主板的硬件电路的设计：(3)软件规划设计.本论文研究中主要工作如下：查阅相关文献，深入了解智能阀门定位器的工作原理，控制系统的构成，明确本文所研究的智能阀门定位罂的功能及要求。以微处理器1.PC2290为核心，进行智能阀门定位器硬件电路的设计与改进，针对硬件电路存在的不足进行优化和改进，使得硬件电路更加的稳定可靠。完成智能阀门定位器按键程序、A心采样程序和液晶显示程序等，进行任务的规划和优先级的安排，最终实现软件程序的规划。第2章智能阀门定位器系统智能定位器是一个基于二线制的机电产品，是一个比较典型的化工仪表，它综合了机械、电子、电磁技术、气动技术等学科内容。智能定位器以微处理器为核心，利用了新型的压电阳代替传统定位器中的喷喷、挡板调压系统来实现时输出压力的调节。它与传统定位瑞从控制规律上基本相同，都是将输入信号与位置反馈进行比较后对输出压力信号进行调节。但在执行元件上智能定位器和传统定位器完全不同，也就是工作方式上二苕完全不同。控制阀是过程控制的终端执行元件，通常配置阀门定位器.这主要是为了使其按照控制指令能更加准确的定位，传统的阀门定位器长期采用机械式的模拟技术，功能单一、结构包杂旦故障率高，也使控制阀整体性能低下，常常不能实现有效控制。近年来，随着自动化技术的发展，在流程工业过程强化、功能安全和现场设备资产管理的强劲需求卜.，控制阀利用计算机技术、通信技术和人工智能技术(智能预估诊断)，嵌入式数字解决方案实现智能化，要点是配置和应用智能阀门定位器。经过智能阀门定位器的数字化数据处理、双向通信以及人工智能应用，控制阀成为智能现场设备并得以功能强化和具有高可用性。智能阀门定位器定义是一种通过数据处理、决策生成和双向通信数字技术来实现其功能的仪表，可以配备附加的传感器和附加的功能来补充其主要功能。智能阀门定位器采用在板微处理器、应用软件和功能模块，可实现定位功能的自适应、自校准、阀位控制和控制阀在线状态监测及离线测试的自诊断，数据处理和通信，还可以本机显示、操作或附加更多功能以及设备集成。2.1智能阀门定位器的结构原理及设计2.1.1智能阀门定位器的结构组成当前趋势是固件依存功能、硬件依存软件,架构相似。因生产厂商不同，智能阀门定位瑞存有各种各样不同的设计，面对众多型号的智能阀门定位器，应按结构化方法去解择和鉴别，可以通过区分硬件模块、外部连接和应用环境，建立起智能阀门定位器物理结构的常规模式，如图2.1所示的方框图1。(1)电源单元大多数智能阀门定位器是二线制仪表，是通过控制系统及仪表的模拟控制信号（电流）来取得工作电源，此时所需的电源转换部分并接在输入上，常规方法是用稳压管取出电压，再使用集成器件转换出CPU及接口的工作电压（例如3VDC）、输出子系统所需驱动电压（例如驱动压电阀的24VDC）,只有少数智能阀门定位器设计有四线制或三线制，需要专门的外部供电，设置电源单元接受外接电源电压。再就是二线制使用数字量控制信号的通过通信接口连接现场总线取得总线供电。翔作AM仪表'对去执行机构的输出压力A数字输出气动即件图2.I智能阀门定位器物理结构的模式（2）人机接口人机接口是用于交互的重要工具，应能读出数据（本机显示）、提供输入组态操作并请求访问数据（本机按键）。只有阀门定位器所产生的数据可与外部交互时,才能归类于智能型。目前大多数智能阀门定位器都仃本机显示1.a）和本机操作按键，区别在于1.CD显示的具体形式，以及按键或多或少。（3）辅助输入组件只是为了区别首要的定位控制功能的信号输入，才将其它辅助信号输入单独作为一个模块分析。为了是功能更加齐全和实施预测性维护，一些智能阀门定位器壳内配置了多个传感器，如气源压力、输出驱动乐力、定位落内部温度等，辅助输入组件与输入组件集成在一起，共同构成数据处理单元的输入接口。通信接口部分智能阀门定位器没有通信接口，只能使用人机接口进行组态和读取数据。通信接口进一步增强了阀门定位器的智能化，使之与外部系统连接在一起，成为现场总线的一个节点并通过总线网络实现数据传输(控制设定、组态和过程监视).(5)数据处理单元数据处理单元以在板微处理器为特征，软件及硬件可提供多种功能，不同产品的数据处理雎元会有较大差异，可被实现的功能有：控制运算功能、组态配置、校准、整定、状态监测和识别、外部过程控制功能、自诊断、趋势记录和数据存储、以及部分功能(如组态、趋势记录)可分布到临时连接或长久连接在数据通信接口上的外部设备.(6)外部功能通过数据通信接口和现场总线，智能阀门定位器可与手持式现场通信器、PC机和过程控制系统进行双向通信.这些外部设备也具备智能阀门定位器的一部分功能,设备集成以及强大的系统能力可助推智能阀门定位器的互操作性和可用性。2.1.2智能阀门定位器的工作原理以智能阀门定位器产品SEPP100o为例,说明智能阀门定位器的内部构成及作原理。定位器接受来自调节器的输出信号，通常4-2OmA的电流信号，转换成阀位设定信号,执行机构的直线或转角实际位移通过连接装置转换为角位移,由位置转换器测得，作为阀位反馈信号。微处理涔根据阀位设定信号与实际例位反馈信号偏差大小，进行闭环控制。检测到偏差后，根据偏差的大小和方向输出PwM至压电阀,控制薄膜气宽的进气量和排气量。当偏差很大时,定位器输出连续信号：当儡差不大时，输出脉冲信号，偏差越小，脉宽越小：当偏差调节至阀门调节精度范闱内,则不输出控制指令,使压电阀处理保持状态。通过控制压电阀，实现调节阀气室的进气或排气，通过气空气压调节陶杆的动作。闭环控制原理图如图2.2所示.喝节舒A阀门定位器AI/P转换单元执行机构T的t(B(U图2.2智能阀门定位器闭环控制原理智能阀门定位器控制系统由控制主板、位置传感器、压电驱动放大单元、模拟位置传感模块等组成，智能阀门定位器控制系统原理图如图2.3所示2。管道7二控制阀控制信号检测单元将阀位设定信号转换成中央控制单元所能接受的数字信号，包括I/P转换单元和A/D采样模块：阀杆的位移通过位苴转换端转换成电信号，阀位反馈检测电路的主要任务是检测位宜传感器的信号，反馈至中央处理单元：中央控制单元将所接受的阀位设定数字信号和阀位反僚数字信号进行比较，判断与所设定的流量特性关系是否相符，同时根据偏差的大小输出相应的控制信号，并通过压电阀控制电路控制压电阀，实现I/P转换：液晶显示用于实时显示阀门定位器工作状态。按键用于修改阀门定位器的组态信息，通过组态，实现阀门定位器的功能。控制主板图2.3阀门定位器控制系统图对于无弹簧气缸式执行机构需要二路输出的，一般是在物理结构上增加气动反向功放或者气动反向放大器,当执行机构处于平衡位置时，理论上正向输出气压与反向输出气乐大小相等方向相反，驱动力的大小与气源压力和气缸（活塞）有效及平衡压力有关。2.2控制主板的设计控制主板是接受来自调节器或上位机的输出信号（电流信号或数字信号），经过处理后，以电流信号的形式可通过模拟位置反馈模块将阀位相关信息传送至上位机3“也可以输出信号至压电驱动放大单元。控制主板主要由以卜.几个部分组成：中央控制单元（微处理器）、信号采集模块（电流信号检测比元和A/D采样单元）、压电阀胆动模块、阀位反馈检测模块、人机交互模块（按键与液晶显示）等。控制主板具有4-2OmA的电流接口、24V电源接口，压电阀驱动接口和位置传感器检测接口，方便与控制对象的连接。智能阀门定位器具有快速调校功能，用户通过此功能就可以简捷快速进行调校，使定位器迅速达到比较好的工作状态。组态调整方式主要完成定位其大部分参数的更改和保存，为简化操作,将各部分参数进行分组，进行规划，方便掾作修改。当系统运行在组态调整方式时,定位器的快作方式功能失效，停止运行二自动控制方式下，用户可以改变设定值的大小，定位器会自动按控制算法减小偏差，达到所期望的阀位，用户可以根据液晶查看阀位的大小。手动运行方式下，用户可能手动调整阀位，通过按键控制进气和排气，进行阀位的调节。在硬件电路的基础上，通过软件的规划和编程，实现智能阀门定位器的功能。在阀门定位器闭环控制中，不同类型的阀门定位器，选择不同的控制算法。控制主板硬件电路的设计是本课题的主要研究内容之一。目前，二线制的智能阀门定位据居多.所谓二线制，就是4-2OmA的电流输入信号既作为阀门定位器的控制信号，乂作为阀门定位器的电源信号，不采用额外的电源供电。要求整个阀门定位器在低功耗卜进行。本课题研尢并未直接从低功耗这一要求下手，而是踪合考虑之后，将4-2OmA的电流作为控制信号，而外部采用24Y电源供电。2.2.1压电驱动放大单元压电阀是智能阀门定位器的气动部件的一种，是基于压电材料逆压电效应的二位式控制阀。所谓逆压电效应，就是在晶体上施加电荷，晶体就会发生弯曲变形，通过电控制信号控制压电阀，实现气路的切换，控制气流。压电阀与喷嘴挡板式和线圈滑阀式相比，具有重量轻、不易受外界卜扰，抗振性强、功耗低、反应灵敬的优点，非常适合阀门定位器的要求，最早应川在西门子的S1.PARTPS系列的产品中。本文采用的是压电阀式的VP转换单元，实现电信号和气压的转换，阀门定位后，其耗气量可忽略不计，压电间为常用，停电时气源封闭。根据不同周期特性，压电阀胆动具有以卜特点:(1)高电平时间需要维持35ms以上，才能观察到进气状态下阀杆的动作，低电平需要维持9ms以上，才能观察到排气状态下阀杆的动作。(2)压电阀的进气动作与高电平的时间有关，PWM等同于实现了全速进气与保持之间的顽繁切换，高电平实现全速进气，低电平实现保持。(3)排气动作与低电平的时间有关，PWM等同于实现了全速排气与保持之间的频繁切换,低电平实现全速排气，高电平实现保持。2. 2.2位置传感器本文位置传感器采用高性能的导电塑料精密旋转电位器，其性能参数如表2.1所示。表21导电材料精密度旋转电位耦序号名称参数大小1有效电气角340°2阻抗值IOKQ3功率0.5W4线性度+1%5阻抗温度系数+100PPM°C6温度范围-40'100°C导电塑料精密旋转电位器的旋转角度和阀门升度存在线性对应关系，所以，阀门开度与反馈电位器的输出电压值也有线性对应的关系，所以，阀门开度与反馈电位器的输出电压值也有线性对应的关系，通过采样反馈电位器的电压值，就间接地得到阀门的开度值。A/D采样值与阀位的关系如图2.4所示。W图2.4A/D采样与阀位关系如果A，D采样值与阀位呈线性关系，将A/D值转化成阀位百分比即:ZT=PV.1.-PVPV1.-PVHXIo0%其中，PV1.为0¾时的AD采样值，PV_14是阀位为100¾时A/D的采样值。第3章智能阀门定位器软件规划3.1主程序设计定位器是一个典型的单片机应用系统，具有典型的硬件电路和软件结构。按其功能.可分为三部分，即准备程序、键功能程序和系统控制程序4。在准备程序中控制单元主要完成系统中所有的命令，状态和有关的存储单元置成初始状态，然后利用测试程序检查存储器以及硬件电路是否正常按键功能程序有键状态跳转指令控制的功能程序模块。每个模块完成键状态功能程序，主要包括定位器控制系统自动测试、分析、计算程序，定位器的死区手动设定程序，定位器的行程手动设定程序以及背压基准设定程序,系统功能程序主要完成对执行机构位置的实时检测与定位。3. 2反馈信号采样及数据处理模块程序设计反馈信号采样程序是时监测阀门行程的位移佶号进行采样、源波。由于反馈信号与位移信号不成线形关系，还必须进行查表运算，然后转化成控制系统中统一的数据格式进行控制运兑。3. 3输入信号采样及数据处理模块程序设计输入信号采用程序是对定位器输入的4-2OmA的信号进行采样，滤波然后进行归一化处理，转化成控制系统中统一的数据格式进行控制运算5.3. 4测试模块程序设计定位器的自动测试程序是主要完成对定位器所控制的阀门行程、执行机构正反作用形式、大小、供气压力以及阀门摩擦力等参数的自动测试与计算，从而实现阀门的最优化控制。定位器自动测试程序的好坏间接反映r定位器的智能化水平，是整个定位器控制程序的核心和难点。3. 5系统程序设计智能电气阀门定位器的系统程序由控制、管理及通信等3部分组成，控制程序的主要任务是完成对过程变量的采样、数据处理及根据控制算法和控制方式进行计电，并输出控制信号。管理程序主要完成1.eD显示及管理、处理用户按键中断，事故报警，对重要数据进行掉电保护，对系统进行自诊断等。控制程序的核心是数据采集、处理和控制，主要完成设定信号和阀位反馈信号的采集、源波、标度变换、控制信号的上下限判别等。第4章智能阀门定位器的硬件设计4.1电源电路电源模块的功能是为定位器控制板的各个硬件提供所需电压。其输入为24VDC电压信号，输出信号为定位器各个模块所需电压值。例如：UP转换电元使用的是压电陶谎控制阀，它需要24V或更高的电压：核心板需要同时供应3.3V电源和5.OV电源才能正常工作：显示模块及A2转换耦工作电压为5V.周理电路中的运放所需电源电压为+15或T5V所以电源模块的任务为整个定位器控制板提供各种不同电位的电压，下表是各模块所需的供电电压进行统计如表4.I所示.表4.1各模块所需的供电电压控制电路模块供电电压(V)1.PC22903.3"丫转换单元15A/D采样模块5液晶5按键5根据电源电路分析统计可知，电源电路主要困绕所需要提供的电压进行设计，同时要综合考虑电源电压的稳定性，进行沌波处理，通过并联电容，灌出波纹。线性稳压冷使用简单方便，具有尺寸小、噪声小和成本低的优点，还能起到隔离噪声的作用，在输入与输出接近时提供较高的转换效率，但线性稳压器的输出电压始终低于输入电压；开关电源又分为升压型和降压型，具有转换效率高的优点，但噪声太大，线路板上元件的布局布线更为讲究，成本相时较高：电荷泉具仃和开关电源相同的功能，利用外部电容实现升压和降压的转变。41.124VDC转5VDC电路DcDC的选择不仅考虑所转换的电压，转换的效率，同时还要考虑所能提供的功率，我在这里暂且不考虑功耗的多少，先说明问题的原理。采用21V电源进行供电。本文采用的是DaDC为金升阳电源模块7805,该电源可提供的功率是6W,电压的精度为2%,转换效率为85$,具有短路保护功能，24V转成5V电路原理图如图4.1所示。(«11.124V转5V电路原理图4.1. 25VDC转3.3VDC电路核心板需要提供3.3V电源，且电流消耗为90mA.故采用T1.783,线性稳压芯片，该芯片可提供80OmA的输出电流，电压精度在R以内，具仃电流保护和过热保护功能，3.3V电源设计电路原理如图4.2所示。图4.25V转3.3V电路原理图4.1.324VDC转15VDC电路对于+15V和T5V电源，输出功率需大于0.19VV,我们在这里所选用的是电源模块7805,可提供3VV的功率，具有短路保护功能，它的输出电压时+15V和-15V,电压的精度为1%,24V转+15V电路原理图如图4.3所示.图4.323转+15丫电路原理图4.2信号采样横块在本文当中信号采样模块包括1/V转换单元和AQ采样单元，主要是完成信号的检测，将信号转换成中央控制单元所能接收的数字信号。由干阀门控制信号的采样精度对定位器的控制精度有着很大的影响。因此，采样电路的设计显得尤为重要。4.2.1 IZV,转换单元闪为我们从单片机的功耗角度去考虑，尽量在有些使用上节约单片机的资源，以备在别的场所能充分的使用。下面我们所采用的就是通过增加运算放大器可以起到这样的效果，它也不需要耗费单片机内部的资源，尤其在采用A/D接口来接受这种零点信号不为零电压的输入时，可以保证A1D转换位数的资源能够全部应用于仃用信号上。此处采用的是廉价运放1.M324.其对零点的处理是在反相输入端上加入一个调整电压，柒大小恰好为输入4mA时在RAO上的压降。有j'运算放大器，还得RAO的取值可以更加小，因为这时电压不够大的部分可以通过配置.运放的放大倍数来补足。这样，就可以真正把4-20mA电流转换成0-5V电压了.不过使用运算放大器也会带来一些麻烦，尤其是在注重成本低的时候，这样的运放往往是最最廉价的，运放的失调与漂移，以及因为运放的供电与单片机电路供电的稳定性，电源电压是否可以保证足够稳定，运放的输入阻抗是否对信号有分流膨响，可以运放是否在整个信号范围内放大特性平坦，造成这种廉价电路的实际效果不尽人意。4.2.2 A/D采样单元AQ转换器是将模拟信号转换成微处理器所能接受的数字信号，所以本设计采川A/D转换芯;VAT89C5I6J°杳看：279次本文采用的单片机芯片是AT89C5I,它是采用高速CMOS制造工艺，通用型为40脚双列直插封装方式，其引脚如图4.4所示。只要将+5V电源接到VCC端，将晶振接到XTA1.1.和XTA1.2两端，给EA端加高电平控制电压，然后将机器码固化到ATB9C51内就可以使川了。PIOPI.IP1.2P1.3PI.4PI.SP1.6P1.7RSTP30P3IP32P33P34P35P36P37X!A1.2XTA1.I1111n11n1111nn1111111111n11111111111.J1.JU1.J1.J1.J1.J1.JUIJUUIJ1.JU1.J1.J1.JU1.JPOO(AD0>Pa1.(ADnP0.2(AD2)POJ(AD3)POJ(D4)PO5(D5>P0.6(AD6>PO7(AD7>EAATPA1.E/POO(AD0>P2.7(15)P26(14)P25(AI3>P24(A12)P2.3(AII)P2J(A10)P2.1.(A9)P2.0<8)1514.4AT89C51引脚图(1)夕卜接晶振引脚XTA1.1.与XTA1.2单片机之所以要加振荡器是因为单片机内的CPU在执行指定程序时，要经过“取指”、“译码”，再定时给相关电路发出控制信号，以实现“机器码指令”所要求的功能。这就要求内部必须有一个基准时钟。可通过外接晶振或振荡信号二种方式来实现，一般采用外接晶振的方法较方便。XTA1.1.(19)XTA1.2(18)为外接品振的两个引脚7。接入晶振时，还要接入两个20-30PF的兖片电容C1.C2,晶振频率因单片机工作速度而异，Inte1.MCS_51系列为1.2T2MHz.ATME1.S9C系列为0-24MHZ,目前常采用6MHZJ1.o59MHZ和12MHZQ石英晶振起振后，XTA1.2(18)脚有一个3V左右的正弦波。CkC2短路、晶振不良，AT89C51(18).(I9)脚内部反相器会损坏。VCC电源未加1.等故障可能造成晶振不起振，使总片机无法工作。当采用外部振荡器时,信外接入藩9)脚，(18)脚悬浮。振荡器的12分频为一个机罂周期,当外接12MHZ晶振时，一个机器周期为1.SoMCS51大多数指令为一个机器周期Q(2)复位与豆位电路单片机必须进行复位，是因为单片机内的CPU“取指”过程即为CPU从PC指针所指定的程序存储器ROM地址雎元中读取“机器码”的过程。玳片机加电后，PC指针应指向ROM中某个固定的单元，当然，程序开始的第一条指令也应放在ROM的这一地址单元内,这样整个程序才能仃序地执行。这个单元就是ROM的OooOH单元0只有上电复位正常后，PC值才为OOoQH,即指向ROM的OoOoH单元。此外，专用寄存器SFR中的SP为07H,即指向片内数据存储器(片内RAM)O7H单元，PO-P3值为OFFH.共余的专川寄存器值大多为OoH。包位的方法：当振荡器正常工作时，RST(9)脚上出现的两个机瑞周期的高电平将使单片机有效更位。考虑到振期器有一定的起振时间，该引脚必须保持10ms以上高电平，才能有效且位。曳位电路有开机自动旦位和手动且位。注意：竟位信号为2个以上机器周期的高电平，单片机夏位后正常工作时应该为低电平，如果未加红位电平或第位后凝位电平仍未撤除，则单片机不能正常J：作，此时，可检杳RST电压及相关器件。在掠电期问RS1.VVPD引脚如接入备用电源VPD(5V±O.5V),则可保存片内数据，当VCC下降到某一规定值时，VPD便向片内RAM供电。(3)EAVDD片内程序存储器选用端单片机曳位后，PC指针可能指向片内ROMOOooH或片外ROMOOOOH单元，这取决于EAVDD(31)脚外接高电平还是低电平.电路图如图4.5所示.图4.5AT89C5I的A/D转换实验,A/D采样值影响阀门定位器的控制精度，A/D采样主要是从AT89C51采样芯片时序考虑，在满足时序要求的前提下，通过优化和调试AT89C5I采样程序，尽可能短时间完成采样任务，使A/D采样稳定可靠。A,，D采样的程序流程图如图4.6所示。结束图4.6A/D采样程序流程图4.3人机交互模块人机交互模块包括液晶显示和按键，按键用于工作模式的切换、组态参数的设定和修改等.液晶显示用于实时显示阀门定位器的工作状态,方便用户观察和调试。在阀门定位器中，液晶用于显示阀门定位器工作状态信息，便于用户观察，4.3.1液晶显示液晶是一种介于固体和液体之间的特殊物质，它是一种有机化合物，常态下呈液态，但是它的分子排列却和固体晶体一样非常规则.因此取名液晶，它的另一个特殊性质在于，如果给液晶施加一个电场,会改变它的分子排列这时如果给它配合偏振光片,它就具有阴止光线通过的作用（在不施加电场时,光线可以顺利透过），液晶显示甥的高压板电路：液晶显示甥本身我们给它加了用动电路，但它并不发光，我们看到的液晶显示涔发出来的光是它内部灯管发出的，灯管的特性类似于家用的日光灯，它工作需要高压。也就是要和它配合的高压电路，这部分电路通常称为高压背光电路.或叫高压背光盟动电路，液晶品示涔所消耗的电能基本全是它消耗了。在阀门定位器的开发研究阶段,基于现实条件的限制，我们采用1.CD1.602液晶。液晶显示电路原理图如图4.7所示«IMCMNW3*t*0;七一宝工d÷KWtANiMay,2n17力KMo立川，*g，？p?u11F34Cnaoon图4.71.CD1.602液晶电路显示图1602液晶可以显示2行，每行16个字符，通过编程可以显示数据和字符串。用户需要显示当字符和字符串时，调用相应的函数即可，方便调试.程序流程图如图4.8所示。H始结束图4.81.CD显示子程序4.3.2按键本文设计采用独立按键结构，一个按键占用一个1/0,为阀门定位器设计四个按键:功能键.增加键，减小键和确认键，按键硬件原理图如图4.9所示.KIS)AESE图4.9按键电路显示图按键之间相互配合使用，完成工作模式的选择和切换，手动控制阀位，控制参数的设置和修改。按键有两种工作方式：杳询和中断。本文中断川于定时采样，所以查询扫描的方式实现按键输入，按键也可以长按和短按，通过软件扩展按键的功能，按键操作流程如图1.1.O所示。开始端口初始化有健按下？I是按健打描得按键位是-相应操作犍1按下？是A相应操作墟2按下？杏,链3按下？否键1按下？否组合键按下？结束ra.10按键操作流程图4.4串口通讯模块MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路，使用+5V电源供电。其主要作用是用来将普通5V的TT1.电平转为IOV串口通信电平8。内部结构基本可分为二个部分：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12V和-12V两个电源,提供给RS-232/口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚(RUN)、12脚(RIOuT)、11脚(TI1.N)、14脚(TIOUT)为第一数据通道。8脚(R21N)、9脚(R2OUT)、10脚(T2【N)、7脚(T20UT)为第二数据通道。ITITCMOS数据从T1.IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1.OUT、T20UT送到电脑DP9插头：DP9插头的RS-232数据从RHN、R2IN输入转换成TT1.CMOS数据后从RIOUT、R20UT输出。串口通讯模块的电路如图4.11所示。6_CX'IJ图4.11小1.I通讯模块电路第5章结论本课题研究智能阀门定位器，用户控制直行程或角行程执行机构的气动调节阀，将压电技术应用于定位器，HP转换总元采用压电阀，位置传感器采用导电材料精密旋转电位器。本文分析了智能阀门定位器的工作原理，控制系统构成，进行了硬件电路的设计，在硬件电路设计的基础上进行了软件的设计与规划。取得的主要研究成果如下：(D参考定位器设计的相关文献以后，在所要设计的论文中完成了定位器的结构组成及工作原理，并设计出A/D采样值与阀杆行程之间的关系。(2)在软件规划阶段时整个阀门定位涔的性能及作用在理论上给予规划和设计：(3)在完成了软件规划之后对硬件电路的控制主板电路进行了设计，包括电源电路、IN转换电路、A/D采样电路、按键电路、液晶显电路和W1.1.通讯电路的设计。总结了以力平衡原理为核心的传统阀门定位器后，考虑到当今世界工业领域一些工程量的复杂和繁琐，给工作的任务上增加J'难度，所以智能阀门定位器的研究说明J'_E业领域当中对它的应用及推广确实有现实可行的意义。这样以来在今后社会不断地进步和发展当中，智能阀门定位器也不断的跟随时代的需要，越来越给计算机领域住工业领域中的应用提供更加广阔的前景，可以达到使社会生产中工人的工作量减少,工作任务减轻，工作效率极大地提高，加速社会的发展等这样一个目标。需进一步研究的问题：在整个设计的过程中，面对硬件电路设计出现的一些问题，牵涉到单片机设计原理等相关知识的应用，综合理论与实际之后，乂在相关软件上进行设计，需要实际的仿真运行。(2)在研究和设计中还要结合相关的实验调试和运行，在根据实验空的调试结果，做出相关波形进行实地分析。