计算机控制技术与应用课程设计

正文

选题背景

在现代过程控制领域中，阀门电动控制机构得到广泛应用，与我们的日常生活更是密不可分。阀门电动控制器是阀门执行机构的核心部件。在水利、电力及化工等行业，不同种类的阀类，如截止阀、闸阀、蝶阀等得到了最广泛的应用。在对阀门实现远程控制、集中控制和自动控制的过程中，阀门电动执行机构是一种必不可少的执行部件。随着能源、化工、钢铁和建筑等现代工业高速发展以及与其有密切联系的水、汽、油等流体在工业上的应用，管道系统中的电动阀门在生产中发挥着重要作用，因而对阀门电动执行机构的功能和使用要求也不断的提高。要实现管网系统的工业自动化管理，更是离不开电动阀门这个管网系统中的执行机构。近年来，在满足各方面高参数新要求的同时，对阀门执行装置的结构、材料和生产工艺等方面，对如何做到更好地提高性能、可行性及降低成本等也予以密切关注。智能阀门执行装置在与传统旧式阀门执行装置的比较中，因其具有应用方便、灵活性和控制精度高、结构紧凑、有可靠的故障处理机制和及时的报警机制、人机界面友好等优点得到广泛的应用，并且其所具有的优异先进的总线通讯能力，完全满足了日益高速发展的自动化系统需求。

1 主要任务

设计一个基于单片机的小型电动阀门控制器，本控制器根据仪表输入信号（4～20mA）的大小来改变对应的电动阀门开度。三位数码显示阀门开度，报警指示阀门故障和电机温度故障，具有阀门全关、全开的限位保护和电机的温度保护功能。4～20mA信号输入，开关量信号输出，抗干扰能力强，以满足现场使用要求。

2 设计思路

电动阀门一般是根据仪表信号来控制小型双向伺服电机的正反转，之后经过减速机和涡轮蜗杆来改变阀门开度的。阀门开度是否到位可通过位置传感器反馈得知。阀门限位信号来自阀门内部安装的两个小型微动开关。阀门开度信号来自阀门联轴器上的5K电位器。如果阀位反馈信号与控制值有较大的偏差，则认为阀门出现故障，用发光二极管指示报警。电机温度信号来自其内部安装的温度传感器（AD590），温度高于70℃时发光二极管指示灯报警并停止动作。小型双向伺服电机为220V AC，6A。控制电机的正反向可用小型继电器或固态继电器来完成。

3 技术要求

1)如果阀位反馈信号与控制值有较大的偏差，则认为阀门出现故障，用发光二极管指示

报警。电机温度信号来自其内部安装的温度传感器（AD590），温度高于70℃时发光二极管指示灯报警并停止动作。

2)电机温度信号来自其内部安装的温度传感器（AD590），温度高于70℃时发光二极管指

示灯报警并停止动作。

4 系统框图

本文所设计的智能电动阀门控制器系统框图如图3-1所示。控制器接收上位控制系统4 - 20mA 给定信号和阀门位置的反馈信号，组成闭环系统去控制电机双向运动。电机的运动通过减速器最终带动阀门运动，使它稳定在所需的位置上。同时控制器将位置信号变换为4 - 20MA 反馈给上位控制系统。另外增加了RS - 485 通信接口。

图3-1 系统框图

RS485的功能介绍：

RS-485总线,在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线

RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。

RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。

RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器

4 硬件电路的设计

4.1 单片机的选取

从单片机开发周期及成本的角度考虑，本控制采用89C55WD单片机为核心。89C55WD 是一个低功耗、高性能CMOS8位微处理器,带有20K片内可编程闪存，256字节的RAM。最重要的是其内部有一个可编程控制的看门狗电路，非常适合于工业控制应用。

4.2 A/D转换电路

本系统阀门位置信号，4-20mA控制信号均是模拟信号，单片机要得到这些信号必须经

过模数转换器把模拟信号转换为数字信号。经过综合比较和查找，选用价格低廉、产品量大面广、的Microchip公司逐次逼近型12位A/D转换器MCP3204，下图展示的是MCP3204在本系统中的应用电路。图中的J6是阀门位置反馈信号，J1是4-20mA控制信号，经过R31转换为电压信号，再经过LM324构成的信号跟随电路输入A/D转换芯片。U33是LM336-5芯片，为转换芯片提供基准电压。具体电路如下图所示。

图4-2 A/D转换电路图

MCP3204工作原理介绍：

MCP3204主要由输入通道选通开关、采样保持单元、数据转换器、比较器、12逐次逼近寄存器、控制逻辑单元和移位逻辑单元组成，转换原理是：通过比较器，利用已知标准电压和被测电压进行比较，当二者相等时，则标准电压即为转换结果。每次进行转换的通道号通过控制逻辑选取，而转换后的二进制数据则通过移位寄存器串行输出。下图为MCP3204功能框图。

MCP3204功能框图

4.3 D/A转换电路

本系统要实现与传统的模拟系统兼容，就必须要通过D/ A 转换电路将单片机中的数字阀门位置信号转换为电压或电流信号。最后再转换为4- 20mA 电流输出. 选择线性度、转换速度、分辨宰等符合要求，价格低廉的DAC7512 , 它在本系统中的应用电路如图4所示。图中U43 是LM336- 5 芯片，为D/ A转换芯片提供基准电压。

图4-3 D/A转换电路图

DAC7512介绍：

TI公司推出的DAC7512器件是低功耗，单通道，12位缓冲电压输出模数转换器，在器件内部集成了高精度的输出放大器，允许达到轨对轨的输出摆幅。采用通用的三线串行接口对器件进行操控，时钟速率可达30MHz，兼容于标准的SPITM 、QSPITM 、Microwire?和DSP接口。正常工作状态下DAC7512在5V电压下的功耗仅为0.7mW，因此。低功耗的DAC7512得到了广泛应用。下图为DAC7512组成框图，图中输入控制逻辑用于控制DAC寄存器写操作，掉电控制逻辑与电阻网络一起用来设置器件的工作模式。

DAC7512结构框图

4.4 阀门位置反馈输出电路

阀门开度是控制系统中需要精确控制的量。本方案采用多圈阀位电阻测定其行程。它实际上是一个导电橡胶电位器。本控制器根据仪表输入信号（4～20mA）的大小来改变对应的电动阀门开度。阀门开度是否到位可通过位置传感器反馈得知。这里我们采用专用芯片AD694,原理图如下：

图4-4 AD694原理图

4.5电机正反转的控制

采用固态继电器来控制电机的正反转。如下图：

图5-3 继电器控制电机正反转

4.6 通信电路

在此环节为了完成工业现场远程控制和组网的需要, 系统支持RS485通讯方式。电平转换芯片采用MAX485。实际工作时, 可以与上位机进行远程通讯, 进行运行方式设定并监控运行状态, 如图所示:

图4-6 通信电路

4.7 阀门限位信号原理

阀门限位信号来自阀门内部安装的两个小型微动开关。阀门开度信号来自阀门联轴器上的5K电位器。

4.8 显示电路

控制器的液晶显示部分设计采用128*64的图形点阵液晶显示模块MCG12864-1。点阵为128X64, 外形尺寸93X70X10mm,视窗尺寸70.7X38.8mm, 功丑, 能显示各种字符和图形。可与CPU直接接口, 具有8位标准数据总线, 逻辑工作电压5V。由于C8051F005的引脚电压为3.3V, 因此要接上拉电阻。如图所示：

图4-7 显示电路

5软件设计

5.1系统的故障报警

如果测得阀位反馈信号与控制值有较大的偏差，则认为阀门出现故障，用发光二极管指示报警。电机温度信号来自其内部安装的温度传感器（AD590），温度高于70℃时发光二极管指示灯报警并停止动作。

软件要完成系统初始化的设置，模拟量的采集和比较，控制模块等。初始化模块主要完成单片机系统及外设的初始化；模拟量的采集和比较主要是检测由真空度变化产生的变化，决定是否中断，运行关阀子程序。控制模块主要是运行关阀子程序，控制阀门的开关。

软件的主要流程是：系统启动后，首先进行单片机和外围器件的初始化，接着对P1和P0口进行置

位，对数据进行比较和判断，当符合条件时，允许外部中断，跳转到中断服务子程序，启动关阀子程序。陷入循环，发出报警，等待处理。

6设计体会与方案特点

6.1 体会

对于此次课程设计，刚接到题目有点茫然，我就开始上网搜索资料，去图书馆查阅相关书籍，有了初步的思路，再经过和同学的相互探讨，各种途径，各种努力，花费了一周的时间最终圆满完成设计。

在课程设计的过程中，我首先熟悉了电动阀门控制器的工作特性及原理，初步有了一个概况，首先有俩个大的模块需要设计：硬件设计和软件设计。硬件需要哪些器件，具体分为几个小的部分，然后就对各个小的模块进行设计，化整体为部分，化复杂为简单。最终完成了设计要求。在做课设的过程中我们遇到了些困难，最后通过查资料，和同学相互讨论，最终解决了这些难题。通过不断分析，思考以及对电路进行思考，发现问题，不断改进，从而将电路设计的更好。这次的课程设计巩固并综合了我所学过的理论知识，尤其是plc控制和过程控制的知识有所应用，也给我培养了一种良好的习惯，事实说明百度很强大，身边的资源要合理运用，不能浪费。我的自主学习能力以及实践创新能力也变相的得到了培养。经过不懈努力，本电动阀门控制器已经完成了硬件设计，经过现场的实验调试，证明系统总体设计方案正确、可行，并取得了良好的预期效果。

6.2 本方案特点及存在问题

本方案特点是实现比较简单，但问题是可靠性与精度可能存在一定问题。

7 元件清单

器件型号用途介绍数量

AD590 温度传感器 1

C8051F005 单片机 1

KM 继电器10

LM358M A/D转换器 1

LM336-5 提供基准电压 1 R 电阻 6 DAC7512 D/A转换器 1 AD694 位置传感器 1 FU 熔断器 2 LED 发光二极管 2 LCD 数码管 3 双向伺服电机 1