基于單片機(jī)的閥門定位器設(shè)計(jì)與開發(fā),基于,單片機(jī),閥門,定位器,設(shè)計(jì),開發(fā) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 題題 目目 基于單片機(jī)的閥門定位器設(shè)計(jì)與開發(fā)專業(yè)名稱 自動(dòng)化 學(xué)生姓名 張瑞 指導(dǎo)教師 何振琦 畢業(yè)時(shí)間 2014 年 6 月 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文基于單片機(jī)的閥門定位器設(shè)計(jì)與開發(fā)摘 要閥門是管道系統(tǒng)介質(zhì)流量的重要調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，閥門定位器是其主要附件之一。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)定位器主要以力平衡式為主，所以行程和零點(diǎn)調(diào)整時(shí)需反復(fù)調(diào)整，調(diào)校麻煩、功能單一、可擴(kuò)充性差。而國(guó)外進(jìn)口的智能型閥門定位器價(jià)格昂貴。實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化診斷與無人看守的智能閥門定位器己經(jīng)變得十分迫切。本文就是根據(jù)這樣的實(shí)際需求，闡述了自主開發(fā)的閥門定位器的工作基本原理和設(shè)計(jì)過程中所涉及到的基本知識(shí)，并對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)分析。本文所述的閥門定位器是以單片機(jī) ATmega16 為核心部件，還包括顯示電路，RS485 接口、電源、復(fù)位電路、I/V 轉(zhuǎn)換電路、報(bào)警器等組成基本控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。因?yàn)橹悄荛y門定位器具有非線性和實(shí)時(shí)性，并且在控制過程中出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，所以采用模糊自整定 PID 結(jié)合產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，使閥芯準(zhǔn)確定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門工作的閉環(huán)控制。模糊自整定 PID 使系統(tǒng)可以進(jìn)行在線的、實(shí)時(shí)的控制。這些功能的實(shí)現(xiàn)是用C 語言的軟件程序支持。同時(shí)，在軟件程序的支持下其它的硬件也能夠?qū)Ω鞣N電信號(hào)進(jìn)行反應(yīng)和處理，并同時(shí)對(duì)閥門工作中出現(xiàn)的故障情況也可以做出緊急反應(yīng)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，該閥門定位器的設(shè)計(jì)方案是切實(shí)可行的。與國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)定位器相比，該閥門定位器不僅可以顯示閥位、與上位機(jī)進(jìn)行串口通信、故障報(bào)警且具有控制精度高、調(diào)整方便、能耗低、適用范圍廣等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：閥門定位器，模糊控制，PID 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文IDesign and Development of Valve Positioner Based on MCUABSTRACTThe valve as a executing agency adjust the medium flow of pipeline system,it is an very important implementation,and valve positioner is the one of main annex.Domestic traditional locators are mainly composed of force balance type, so when the stroke and the zero point adjustment needs to adjust repeatedly, set-up, single function, poor scalability. And abroad intelligent valve positioner is expensive. Realizes the digitalization, intelligent diagnosis and unattended intelligent valve positioner very urgently. is according to the actual needs of this, this paper expounds the independent development of valve positioner of the working principle and design process involved in the basic knowledge, and the key links are analyzed in detail.The ATmega16 is core of valve positioner in control system as the paper described, display circuit,RS485 interface converter ,as well as power supply,reset circuit,I/V conversion circuit,alarm and other components composed of the basic control system hardware structure. In that, process control can come true through the combination of grey predication and PID which can adjusted parameters by itself bases on fuzzy control.Grey precdication can play the action of ahead control,fuzzy self-tuning PID can make the system online and real-time control.The control combination of grey predication and fuzzy self-tuning PID can accurate spool positioning,to achieve closed-loop control of the valve work.The system would run by software supported in C language.Of course,other hardware using C language software program support for a variety of electrical signal can be processed. The experiments show that the design of intelligent valve positioner is feasible.Compared to the domestic traditional valve positioner ,the locator has control of high precision,easy adjustment,low energy consumption and for a wide range of characteristics,while the positioning device has a certain ability to think and solve,it can display valve position and fault alarm by itself.KEY WORDS:valve positioner, fuzzy control,PID西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文II目 錄摘摘 要要 .IABSTRACT.II第一章第一章 緒論緒論 .11.1 課題背景及發(fā)展?fàn)顩r .11.1.1 課題背景.11.1.2 發(fā)展?fàn)顩r.21.2 設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容和技術(shù)關(guān)鍵 .21.2.1 閥門定位器的原理 .21.2.2 研究?jī)?nèi)容.21.2.3 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù) .31.3 預(yù)期成果.31.4 本文的主要內(nèi)容.4第二章第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì).52.1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)思路 .52.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).52.3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).7第三章第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .73.1 單片機(jī)的選擇及功能介紹 .83.1.1 單片機(jī)的選擇 .83.1.2 ATmega16 的管腳說明.93.1.3 ATmega16 的主要特征.103.2 電源電路的設(shè)計(jì).113.3 前向通道的設(shè)計(jì).113.3.1 I/V 轉(zhuǎn)換電路.123.3.2 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) .123.3.3 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) .133.4 后向通道的設(shè)計(jì).133.4.1 輸出電路的設(shè)計(jì) .133.4.2 報(bào)警電路.143.5 單片機(jī)與上位機(jī)的接口電路 .143.6 鍵盤、顯示電路.153.7 硬件抗干擾.16第四章第四章 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì).174.1 開發(fā)環(huán)境和編程語言 .174.2 軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析與規(guī)劃 .174.2.1 軟件功能的規(guī)劃 .174.2.2 功能結(jié)構(gòu).174.3 主程序.18西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文III4.3.1 初始化程序 .184.3.2 數(shù)據(jù)處理模塊 .184.3.3 數(shù)字濾波.194.3.4 對(duì)閥門異常的判別和報(bào)警.194.4 通訊接口程序設(shè)計(jì) .214.4.1 通訊接口的協(xié)議 .214.4.2 單片機(jī)的通信程序設(shè)計(jì).22第五章第五章 系統(tǒng)控制策略系統(tǒng)控制策略 .245.1 模糊控制的概述.245.2 模糊控制原理.245.3 模糊自適應(yīng)整定 PID 控制原理.25第六章第六章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望.28參參 考考 文文 獻(xiàn)獻(xiàn) .29致致 謝謝.30畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié)畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié).31附錄附錄 設(shè)計(jì)原理圖設(shè)計(jì)原理圖.32西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文0第一章第一章 緒論緒論1.1 課題背景及發(fā)展?fàn)顩r 1.1.1 課題背景閥門定位器作為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的主要附件之一，主要以改善閥門特性、提高控制的精度、速度和增加控制的靈活性。智能閥門定位器數(shù)字化、通信化、智能化以及支持現(xiàn)場(chǎng)總線的特性，給工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)帶來了深刻的變革，代表了氣動(dòng)執(zhí)行器技術(shù)的發(fā)展方向。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和生產(chǎn)力的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)向大規(guī)模、自動(dòng)化的方向發(fā)展。目前，自動(dòng)化裝置已經(jīng)成為大型設(shè)備不可分割的一部分1。因此生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化程度成為衡量工業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志，而過程控制則是工業(yè)自動(dòng)化的一個(gè)重要分支。對(duì)于過程控制來講，調(diào)節(jié)閥是其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)閥性能的好壞直接影響著過程控制的性能指標(biāo)。閥門定位器是調(diào)節(jié)閥的一個(gè)輔助執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以改善閥門特性、提高控制的精度、速度和增加控制的靈活性?，F(xiàn)在我國(guó)市場(chǎng)上大量使用的還是被國(guó)外淘汰的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品有很多缺陷使得調(diào)節(jié)閥在控制過程中精度不高且機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這和現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求格格不入。在科技發(fā)展飛速的今天，對(duì)“閥門”進(jìn)行有效的改造使其更加智能化、且易于操作者對(duì)其進(jìn)行控制，這對(duì)實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域有著非凡的意義?；谶@些，實(shí)現(xiàn)閥門定位器的數(shù)字化和智能化是整個(gè)閥門系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵，并且基于此從而可以實(shí)現(xiàn)各種現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)通信功能，使閥門成為真正的智能化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的一部分。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，智能閥門定位器已經(jīng)將基于模擬和數(shù)字電子技術(shù)的產(chǎn)品淘汰，出現(xiàn)了新型產(chǎn)品智能閥門，產(chǎn)品作用也由最初的輔助有關(guān)人員工作，到現(xiàn)在代替操作員自動(dòng)化操作。新型智能閥門不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)閥門的缺陷，而且還改善了控制精度，并且節(jié)省了人力物力，可以大量對(duì)其進(jìn)行開發(fā)和推廣。隨著單片機(jī)技術(shù)的成熟，為智能閥門定位器的開發(fā)提供了堅(jiān)強(qiáng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，使閥門在一定程度上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，且也為各智能閥門組成局域網(wǎng)絡(luò)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，基于單片機(jī)，我們可以將專家解決問題的方法和思維方式以編程序的形式加入到單片機(jī)系統(tǒng)里，從而使閥門的智能化進(jìn)一步的提高。西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文11.1.2 發(fā)展?fàn)顩r自從閥門問世以來，基于閥門氣動(dòng)裝置本身的缺點(diǎn)國(guó)外很多公司都在進(jìn)行新產(chǎn)品和新技術(shù)的研發(fā)。時(shí)至今日，隨著單片機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的發(fā)展和技術(shù)的成熟，已經(jīng)取得了一些成果。目前已基本將基于力平衡原理的完全氣動(dòng)的定位器和電氣閥門定位器淘汰，智能閥門定位器這個(gè)新型定位器隨之搶占了市場(chǎng)。這些新型的閥門定位器表現(xiàn)出操作方便、質(zhì)量卓越、外形美觀的優(yōu)點(diǎn)。隨著產(chǎn)品的更新和普及，在美國(guó)就有二十多個(gè)從事專門或相關(guān)的氣動(dòng)執(zhí)行器研究所，如 Rockwell 公司具有非常完善的設(shè)備和測(cè)試基地，對(duì)產(chǎn)品可以進(jìn)行多方面性能參數(shù)的測(cè)定。由于高新技術(shù)的迅猛發(fā)展、大量人力物力的投入和關(guān)鍵元器件技術(shù)難關(guān)的突破，智能化閥門裝置在國(guó)外已經(jīng)形成許多系列產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域中。國(guó)外對(duì)這方面產(chǎn)品有特別研究的德國(guó) SIMENS 公司、英國(guó)的 ROTORK 公司、瑞典 ABB 公司等幾家生產(chǎn)智能閥門定位器的公司生產(chǎn)的產(chǎn)品功能強(qiáng)大，技術(shù)先進(jìn)，具有一體化的結(jié)構(gòu)、便捷的通訊功能、用于計(jì)算機(jī)控制、可以智能診斷，代表著此領(lǐng)域的世界領(lǐng)先水平。智能閥門定位器的發(fā)展給工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)帶來了新的局面，代表了氣動(dòng)閥門未來的發(fā)展趨勢(shì)。而我們國(guó)內(nèi)才開始著手研究，在國(guó)外各大公司競(jìng)先搶占市場(chǎng)的同時(shí)，我們得盡早投入研究，開發(fā)出擁有自主產(chǎn)權(quán)的智能化產(chǎn)品，使其規(guī)模生產(chǎn)。本課題在理解國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對(duì)閥門定位器的硬件組成、軟件設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究和探索。1.2 設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容和技術(shù)關(guān)鍵1.2.1 閥門定位器的原理閥門定位器是調(diào)節(jié)閥的主要附件之一，它與調(diào)節(jié)閥配套使用，接受來自調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，然后閥門定位器經(jīng)過一些控制算法得到一個(gè)輸出信號(hào)去控制調(diào)節(jié)閥，當(dāng)執(zhí)行器開始工作后，反饋機(jī)構(gòu)使閥門的位移信號(hào)反饋到定位器中，閥門定位器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)就構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)回路2。一個(gè)閥門定位器，不管是氣動(dòng)還是電動(dòng)的，都是由以下三部分組成：（1）輸入機(jī)構(gòu)：輸入部分檢測(cè)從前向通道引入的信號(hào)并將其送到比較裝置。（2）比較機(jī)構(gòu)：比較機(jī)構(gòu)比較設(shè)定信號(hào)和閥位反饋信號(hào)，如果檢測(cè)到這兩個(gè)信號(hào)之間有不同，就通過算法得到控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)閥門直至閥門反饋信號(hào)與設(shè)定信號(hào)一致。（3）反饋機(jī)構(gòu)：反饋裝置檢測(cè)閥門位置的變化，并把反饋信號(hào)傳遞到前向通道。1.2.2 研究?jī)?nèi)容本論文的研究中，主要的研究?jī)?nèi)容為以下幾方面：（1）深入了解傳統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理，并分析其不足。并了解氣動(dòng)閥門控制器的特點(diǎn)；西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文2（2）查閱相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)智能閥門定位器的系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，然后對(duì)系統(tǒng)中的芯片進(jìn)行選材；（3）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用單片機(jī)和 I/V 轉(zhuǎn)換；（4）對(duì)單片機(jī)輸出的 TTL 電平信號(hào)進(jìn)行 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，使單片機(jī)控制系統(tǒng)能與上位機(jī)進(jìn)行串口通訊；（5）對(duì)系統(tǒng)的后向信道、鍵盤、顯示電路、看門狗電路以及復(fù)位電路、報(bào)警等電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作；（6）將模糊自適應(yīng) PID 控制技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)中，使人們可以根據(jù)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)做出相應(yīng)的決策；（7）對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行程序的編寫，以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的各種功能和實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的控制策略。1.2.3 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)中可能遇到的問題如下：（1）由于系統(tǒng)對(duì)控制精度要求很高在全行程的 0.5%。另外現(xiàn)場(chǎng)有電磁和噪聲的干擾以及要求系統(tǒng)的尺寸在滿足系統(tǒng)功能的情況下盡可能的小且造價(jià)少。（2）進(jìn)入調(diào)節(jié)閥氣室的氣壓隨環(huán)境溫度和供氣壓力的變化而變化，被控過程難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)場(chǎng)有電磁、噪聲和電路板的干擾。解決的方法：采用模糊自整定 PID 控制技術(shù)可以得到很好的控制效果、電源進(jìn)線端接電解電容和集成芯片配置瓷片電容可以減少干擾且挑選性價(jià)比高的芯片。1.3 預(yù)期成果本論文的研究中，主要完成以下幾方面工作：（1）控制精度要很高，智能閥門定位器以微處理器為核心，設(shè)定信號(hào)與實(shí)際閥位的比較是數(shù)字比較，不易受影響，提高了精度和可靠性；（2）調(diào)整方便，適用范圍廣，滿足各類閥的要求；（3）現(xiàn)場(chǎng)閥位和設(shè)定閥門的顯示以及故障報(bào)警；（4）遙控功能的實(shí)現(xiàn)；（5）通訊功能：可以將單片機(jī)所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后傳送到上位機(jī)，使工作人員隨時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)閥的工作情況；（6）能耗低：定位器空氣泄漏小，在執(zhí)行器處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，將氣源切斷，能耗低；（7）故障報(bào)警和現(xiàn)場(chǎng)閥位的顯示。1.4 本文的主要內(nèi)容本文共包括七章：西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文3第一章：緒論。闡述閥門定位器的原理、發(fā)展以及現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上提出要研究的內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)要做的工作。第二章：總體方案的設(shè)計(jì)。介紹了本設(shè)計(jì)的軟、硬件構(gòu)成及整體設(shè)計(jì)方案，并在此基礎(chǔ)上提出了降低系統(tǒng)功耗的措施，使系統(tǒng)工作的綠色環(huán)保。 第三章：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要圍繞微處理器即單片機(jī)的選型、I/V 轉(zhuǎn)換、顯示電路、接口電路、鍵盤、遙控器等技術(shù)難題作了一定的研究工作，提出了相應(yīng)的解決方案。第四章：系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，介紹了主程序、控制程序、通訊程序等。第五章：控制策略。模糊自適應(yīng) PID 的闡述，詳細(xì)介紹了本系統(tǒng)的控制策略。第六章：工作總結(jié)。西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文4第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)思路本系統(tǒng)就是以氣動(dòng)智能閥門定位器系統(tǒng)的單片機(jī)為工作的核心，對(duì)氣動(dòng)閥門的開度進(jìn)行控制。其中，閥門定位器中的單片機(jī)接收操作人員通過鍵盤所設(shè)定的信號(hào)與反饋回來的閥位實(shí)際信號(hào)并通過計(jì)算出這兩個(gè)值的差值，再經(jīng)過控制算法對(duì)這個(gè)差值的計(jì)算會(huì)得出一個(gè)控制信號(hào)值，最后控制信號(hào)的值通過輸出驅(qū)動(dòng)閥門動(dòng)作，同時(shí)，閥門定位器還可以完成將各類信號(hào)液晶顯示，故障報(bào)警，串口通訊等功能，從而達(dá)到預(yù)想的控制效果。另外，也可以通過紅外遙控進(jìn)行信號(hào)量的無線傳輸或設(shè)定，提高系統(tǒng)的智能化3?？傮w方案設(shè)計(jì)圖如圖 2-1 所示。鍵盤、顯示等智能控制器執(zhí)行器PC控制中心RS485實(shí)際反饋圖 2-1 總體設(shè)計(jì)方案圖在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮如下幾個(gè)方面使得智能閥門定位器能達(dá)到預(yù)期的控制效果。（1）接收設(shè)定值信號(hào)， 進(jìn)行 I/V 轉(zhuǎn)換，經(jīng)過運(yùn)算處理，存入寄存器；（2）接收傳感器反饋回來的閥門實(shí)際開度量，進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換，并處理為相應(yīng)數(shù)字量，存入寄存器；（3）將閥門實(shí)際開度信號(hào)與設(shè)定信號(hào)送到液晶模塊進(jìn)行顯示；（4）將閥門實(shí)際開度信號(hào)與設(shè)定開度信號(hào)進(jìn)行比較處理后輸出并驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)；（5）在閥門工作時(shí)，進(jìn)行故障診斷，一旦發(fā)現(xiàn)異常就立刻進(jìn)行報(bào)警并及時(shí)處理故障；（6）智能控制算法的應(yīng)用；（7）閥門定位器與上位機(jī)通過 RS485 進(jìn)行串口通訊；（8）利用鍵盤對(duì)設(shè)定值進(jìn)行更改。西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文52.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 2-2 所示的閥門控制器原理圖，是以單片機(jī)為核心的閥門控制系統(tǒng)。電位計(jì)單片機(jī)鍵盤/顯示固態(tài)繼電器2I/V轉(zhuǎn)換報(bào)警電路MAX485固態(tài)繼電器2閥位反饋桿被控介質(zhì)調(diào)節(jié)閥（執(zhí)行部分）膜頭調(diào)節(jié)閥（調(diào)節(jié)部分）壓電閥A壓電閥B進(jìn)氣排氣氣源控制信號(hào)閥位反饋信號(hào)紅外遙控到PC圖 2-2 閥門控制器原理圖其中控制器和執(zhí)行器構(gòu)成一個(gè)反饋回路，標(biāo)準(zhǔn) RS485 接口轉(zhuǎn)換芯片 MAX485 連接單片機(jī)到 PC 機(jī)的通信，另外鍵盤、顯示電路、壓電閥控制電路等一起組成了基本系統(tǒng)。 其中，設(shè)定的 420mA 電流信號(hào)經(jīng) I/V 轉(zhuǎn)換后，在單片機(jī)中設(shè)定信號(hào)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后進(jìn)行閥門的開度換算后變?yōu)橄鄬?duì)的設(shè)定開度信號(hào)值。與此同時(shí)，由于控制算法后的輸出作用使閥芯動(dòng)作同時(shí)也帶動(dòng)閥位的反饋桿動(dòng)作，閥位反饋桿會(huì)經(jīng)過一些機(jī)械裝置帶動(dòng)電位計(jì)動(dòng)作，通過電位計(jì)動(dòng)作就把閥門的開度情況輸出得到相應(yīng)的電壓信號(hào)，并進(jìn)入微處理器后進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。閥位傳感器位置反饋信號(hào)與給定信號(hào)值的差值在單片機(jī)中進(jìn)行比較并通過算法處理，如果微處理器得到一個(gè)偏差信號(hào)，就輸出一個(gè)相應(yīng)的控制信號(hào)，如果實(shí)際開度信號(hào)與設(shè)定值的偏差在允許范圍之內(nèi)或偏差為 0，則認(rèn)為閥門控制系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，即閥門開度在所要求的位置上，單片機(jī)不再輸出控制信號(hào)給執(zhí)西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文6行機(jī)構(gòu)，使兩壓電閥均處于切斷狀態(tài)6。如果偏差很大，則輸出連續(xù)信號(hào)給壓電閥，使壓縮氣體連續(xù)地進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室，使閥芯快速動(dòng)作；如果偏差不是很大，則根據(jù)其大小程度，輸出不同寬度的脈沖序列給壓電閥，使壓縮氣體間斷性的進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室，使閥芯緩慢動(dòng)作。2.3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軟件采用模塊化設(shè)計(jì)、自上而下的結(jié)構(gòu)，采用當(dāng)下最為流行的高級(jí)語言 C 語言來編寫。其主要分為主程序、監(jiān)控程序、功能程序這三大塊。其功能分別如下：（1）主程序：?jiǎn)纹瑱C(jī)上電后，啟動(dòng)看門狗、對(duì)各個(gè)器件進(jìn)行初始化、開啟各中斷，隨時(shí)等待響應(yīng)中斷并進(jìn)入中斷服務(wù)程序里，等中斷完成后又返回到主程序，主程序繼續(xù)執(zhí)行其功能程序和監(jiān)控程序，如此循環(huán)下去。（2）監(jiān)控程序：主要負(fù)責(zé)故障診斷和報(bào)警。（3）功能程序：完成鍵盤功能、顯示功能、算法實(shí)現(xiàn)等各個(gè)具體的功能要求。圖 2-3 主程序流程框圖開中斷是否有中斷顯示模塊數(shù)據(jù)處理控制決策NYNY清時(shí)間寄存器初始化時(shí)間有1s？上電中斷服務(wù)程序結(jié)束西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文7第三章第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)硬件的主要目的是為控制系統(tǒng)提供實(shí)施其信號(hào)的載體，因此，控制電路的實(shí)現(xiàn)和選擇最合適的芯片是本技術(shù)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。其整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 3-1 所示，各部分的具體設(shè)計(jì)電路見以下各章節(jié)介紹。圖 3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖3.1 單片機(jī)的選擇及功能介紹3.1.1 單片機(jī)的選擇隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的功能也日趨完美，現(xiàn)在市場(chǎng)上的單片機(jī)種類非常多，主要分為 AT89 系列單片機(jī)、MSP430 系列單片機(jī)、PIC 系列單片機(jī)、AVR 系列單片機(jī)等。以下通過對(duì)各單片機(jī)的特點(diǎn)的介紹來選擇合適的單片機(jī)。（1）AT89 系列單片機(jī)的特點(diǎn)：AT89 系列單片機(jī)是 ATEML 公司的 8 位 Flash 單片機(jī)。AT89 系列的引腳的定義和排列與 MCS-51 完全一樣，可以直接替換。AT89 系列單片的CPUATMega16液晶顯示模塊（1602）四位獨(dú)立式鍵盤RS485通訊PWM輸出接口電路報(bào)警電路420mA信號(hào)前端處理電路電源模塊西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文8核心是 8031，在軟件和硬件方面與 MCS-51 系列完全兼容，AT89 系列的指令與有關(guān)定義和 MCS-51 完全相同，MCS-51 系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)編寫的程序可以直接使用。其缺點(diǎn)就是功能不是很多，并且可擴(kuò)充性差。（2）MSP430 系列單片機(jī)的特點(diǎn)：MSP430 系列單片機(jī)是 TI 公司推出的功耗極低的產(chǎn)品，待機(jī)電流僅為 1.5A/MHz，工作電流也小于 350A/MHz（3V 工作電壓)，有五種節(jié)能工作模式，正常工作溫度在-40 - +80。CPU 由 16 個(gè)寄存器、16 位的 ALU 和一套指令控制邏輯組成。CPU 內(nèi)部有 16 位的數(shù)據(jù)和地址總線。MSP430 單片機(jī)的外圍模塊包括定時(shí)器、基本定時(shí)器、I/O 端口、AD 轉(zhuǎn)換器、串行通訊口以及液晶顯示驅(qū)動(dòng)模塊。MSP430 的 ROM、RAM 和外圍模塊，都用一個(gè)公共空間進(jìn)行尋址，特殊寄存器及外圍模塊的地址在 0000H-1FFFH，ROM 的容量在 1-60KB，RAM、R0M 共享2000H-FFFFH 地址。對(duì)于 Flash 型的單片機(jī)，內(nèi)部還集成有兩段 128B 的信息內(nèi)存以及 1KB存放自舉程序。（3）PIC 系列單片機(jī)的特點(diǎn)：PIC 系列單片機(jī)是美國(guó) Microchip 公司生產(chǎn)的低功耗、低價(jià)格、小體積、片內(nèi)帶 EEPR0M 的 CM0S 單片機(jī)。它的指令速度比同類單片機(jī)的提高五倍左右，程序內(nèi)存可節(jié)約一半。具有容易學(xué)也容易用的精簡(jiǎn)指令集(RISC)結(jié)構(gòu)和一次性的編程技術(shù)(0TP 型)，可大大縮短開發(fā)周期。（4）AVR 系列單片機(jī)的特點(diǎn)：AVR 系列單片機(jī)是 ATMEL 公司的產(chǎn)品，該系列單片機(jī)吸收了 PIC 系列單片機(jī)與 MCS-51 系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)而開發(fā)的單片機(jī)，充分發(fā)揮了Flash 內(nèi)存的特長(zhǎng)，是性價(jià)比極高的單片機(jī)4。AVR 單片機(jī)是應(yīng)用低功耗、非揮發(fā)式的CMOS 工藝制造的，通過 SPI 口和一般的編程器，就可以對(duì) AVR 單片機(jī)的 Flash 內(nèi)存進(jìn)行編程。由于 AVR 單片機(jī)是采用哈佛結(jié)構(gòu)，所以程序內(nèi)存和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是分開的，并且可以直接訪問 8M 字節(jié)的程序內(nèi)存和 8M 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，能夠快速訪問SRAM 內(nèi)存。并且 AVR 單片機(jī)是精簡(jiǎn)指令 RISC 結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)綜合了半導(dǎo)體集成技術(shù)和軟件性能的新結(jié)構(gòu)。單片機(jī)使用高級(jí)語言編程,已經(jīng)成了一種標(biāo)準(zhǔn)編程方法，而AVR 結(jié)構(gòu)單片機(jī)的開發(fā)目的就是在于能夠采用 C 語言編程，從而能高效地開發(fā)出目標(biāo)產(chǎn)品。為了對(duì)目標(biāo)代碼大小、性能及功耗的優(yōu)化，AVR 單片機(jī)采用了大型快速存取寄存器文件和快速單周期指令。在 AVR 單片機(jī)中，使用通用工作寄存器來代替累加器，就避免了累加器和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送。在其指令中，前一條指令執(zhí)行的時(shí)候，就取出現(xiàn)行的指令，然后以一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行指令，AVR 單片機(jī)執(zhí)行一條指令的時(shí)間是一個(gè)時(shí)鐘周期。通過以上的介紹和比較，以及對(duì)本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的實(shí)際需求，本文選擇了一款性價(jià)比最高的單片機(jī) AVR 系列的 ATmega16。3.1.2 ATmega16 的管腳說明ATmega16 的引腳圖如下圖 3-2 所示：其每個(gè)引腳的含義如下2。西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文9PB0(XCK/T0)1PB1(T1)2PB2(INT2/AIN0)3PB3(OC0/AIN1)4PB4(SS)5PB5(MOSI)6PB6(MOSO)7PB7(SCK)8RESET9VCC10GND11XTAL212XTAL113PD0(RXD)14PD1(TXD)15PD2(INT0)16PD3(INT1)17PD4(OC1B)18PD5(OC1A)19PD6(ICP1)20(OC2)PD721(SCL)PC022(SDA)PC123(TCK)PC224(TMS)PC325(TDO)PC426(TDI)PC527(TOSC1)PC628(TOSC2)PC729AVCC30GND31AREF32(ADC7)PA733(ADC6)PA634(ADC5)PA535(ADC4)PA436(ADC3)PA337(ADC2)PA238(ADC1)PA139(ADC0)PA040U1ATMEGA16PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7VCCGNDRXDTXDPD2PD3PD4PD5PD7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7AREFRSTPD6PC7VCCGNDPA0圖 3-2 ATmega16 的引腳圖VCC：供電電壓。GND：接地。PA 口：PA 口為一個(gè) 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，埠 A 處于高阻狀態(tài)5。PB 口：PB 口的作用和 PA 口是一樣的，都是作為 I/O 口來使用。PC 口：PC 口的作用和 PA、PB 口一樣。不同的是如果 JTAG 接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被啟動(dòng)。PD 口：PD 口的作用和 PA、PB 口一樣，作為一個(gè) 8 為雙向的 I/O 口來使用。RST：復(fù)位輸入。持續(xù)時(shí)間超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。持續(xù)時(shí)間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。AVCC：AVCC 是埠 A 與 A/D 轉(zhuǎn)換器的電源。不使用 ADC 時(shí)，該引腳應(yīng)直接與Vcc 連接。使用 ADC 時(shí)應(yīng)通過一個(gè)低通濾波器與 Vcc 連接。AREF：A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。3.1.3 ATmega16 的主要特征ATmega16 是一款具有 16KB 系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash 的 8 位 AVR 微控制器，其主要特征如下6：（1）高性能、低功耗的 8 位 AVR 微處理器；（2）先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu)；（3）非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文10（4）JTAG 接口且與 IEEE1149.1 標(biāo)準(zhǔn)兼容；（5）兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較功能的 8 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；（6）具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器 RTC；（7）四通道 PWM；（8）8 路 10 位 ADC；（9）片內(nèi)/片外中斷源；（10）兩個(gè)可編程的串行 USART；（11）上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè)；（12）片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的 RC 振蕩器。3.2 電源電路的設(shè)計(jì)電源主要給電路和一些元器件提供電壓驅(qū)動(dòng)，是整體控制電路的一部分，是非常重要和關(guān)鍵的。如果電源電路設(shè)計(jì)的不夠合理將會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果，輕則電路不能正常運(yùn)行，重則會(huì)使電路或元器件燒毀。所以，在設(shè)計(jì)電源電路的時(shí)候，不僅要考慮所需要的電壓，還要考慮電壓的穩(wěn)定性等。根據(jù)控制電路的實(shí)際需要，ATmega16 需要 5V 電壓供電，而有的外設(shè)需要 12V 電壓供電，要對(duì)輸入電源電壓進(jìn)行變壓處理，所以本文采用芯片 LM317，將電壓通過電壓轉(zhuǎn)換變?yōu)?12V 和+5V 電壓輸出，分別給外設(shè)和其他元件提供電壓。與此同時(shí)，需要考慮電路的穩(wěn)定性和通用性等，在原電路的基礎(chǔ)上，加入 R3 做調(diào)節(jié)輸出電壓的作用，D1、D2 起保護(hù)電路作用，電容起穩(wěn)壓隔離作用，具體電路圖如圖 3-3 所示。+5VVinGNDU3E6D2330KR3104C3104C4D112J3+12VGNDVCC100F/16VE2100F/24VE3321圖 3-3 電源電路原理圖3.3 前向通道的設(shè)計(jì) 在以單片機(jī)為核心組成的測(cè)控系統(tǒng)中，被測(cè)信號(hào)需要有輸入信道進(jìn)入單片機(jī)中，使得單片機(jī)獲取其需要的輸入信息。作為測(cè)控系統(tǒng)，獲取被測(cè)對(duì)象的準(zhǔn)確原始信號(hào)是系統(tǒng)的核心任務(wù)6。ATmega16 單片機(jī)內(nèi)部集成了 A/D 轉(zhuǎn)換電路，所以，前向通道的主要任務(wù)就是要將 4-20mA 的電流設(shè)定信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以接收的電壓信號(hào)。西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文113.3.1 I/V 轉(zhuǎn)換電路 本控制系統(tǒng)前向信道中要進(jìn)入單片機(jī)的一路輸入信號(hào)就是操作者設(shè)定的 4-20mA的電流信號(hào)。而單片機(jī)只能識(shí)別電壓信號(hào)，所以在接收設(shè)定的 4-20mA 的電流信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)之前首先進(jìn)行 I/V 轉(zhuǎn)換。最簡(jiǎn)單的電路轉(zhuǎn)換其轉(zhuǎn)換電路圖如圖 3-4 所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)I/V轉(zhuǎn)換取樣電路4-20mA輸入輸入圖 3-4 最簡(jiǎn)單的 I/V 轉(zhuǎn)換電路原理圖僅僅使用一只 I/V 轉(zhuǎn)換取樣電阻，就可以把輸入電流轉(zhuǎn)換成為信號(hào)電壓，其取樣電阻可以按照 V/I=R 求出，V 是單片機(jī)需要的信號(hào)電壓，I 是輸入的最大信號(hào)電流。這種電路雖然簡(jiǎn)單，但是卻不實(shí)用，因?yàn)椴杉^來的電壓都很小，而傳輸過程中有很多干擾，使得輸入到單片機(jī)的時(shí)候信號(hào)已經(jīng)不準(zhǔn)確了。解決上面問題的簡(jiǎn)單方法是在單片機(jī)輸入之前配置一個(gè)由運(yùn)算放大器組成的電壓跟隨器，如圖 3-5 所示。其采用的是廉價(jià)運(yùn)放 LM258，當(dāng)轉(zhuǎn)換后的電壓送過來時(shí)，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)壓，而這一部分的電容也起到了保護(hù)隔離和濾波的作用，保護(hù)了單片機(jī)和信號(hào)的有效性。圖 3-5 中的 R 是電流取樣電阻，因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)部集成了 A/D 轉(zhuǎn)換，并且其基準(zhǔn)電壓為 2.56V，也就意味轉(zhuǎn)換后的最大電壓為 2.56V，根據(jù)這個(gè)要求取R=128，但是這樣會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問題，就是轉(zhuǎn)換后的電壓的范圍就不是 0-2.56V 了，而是 0.512V-2.56V。對(duì)這個(gè)問題，在編寫程序當(dāng)中做了相應(yīng)處理。PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7AREFPC7VCCGNDPA0104C612J54-20mA與與R8128104C5GNDLM258VCC321圖 3-5 I/V 轉(zhuǎn)換電路原理圖3.3.2 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路通常采用的方式是在 XTAL1，XTAL2 引腳上外接定時(shí)組件即電容和晶體，使之組成并聯(lián)諧振回路，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，產(chǎn)生自激振蕩。振蕩晶體可以在 1.2MHz12MHz 之間選擇，不同的值就對(duì)應(yīng)不同的時(shí)鐘頻率。電容值對(duì)振蕩頻率輸出的值略有影響，C2，C3 可在 20pF100pF 之間取值。本電路中，振蕩晶體選擇8MHz，C2 和 C3 選擇 30pF。具體電路圖如圖 3-6 所示。西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文12VCCGNDRXDTXDPD2PD3PD4PD5PD630PC130PC21MR2GND與與與與12Y18M圖 3-6 時(shí)鐘電路原理圖3.3.3 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)復(fù)位電路的實(shí)現(xiàn)就是當(dāng)按鍵按下時(shí)會(huì)在復(fù)位引腳上出現(xiàn) l0ms 以上的 0。本單片機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)位電路如圖 3-7 所示。D14001R110KVCCRESET與與與與4.7FE1S1GND圖 3-7 復(fù)位電路3.4 后向通道的設(shè)計(jì)3.4.1 輸出電路的設(shè)計(jì)在以單片機(jī)為核心的本測(cè)控系統(tǒng)中，后向通道的輸出量是通過單片機(jī)的 I/O 口輸出的，而這些 I/O 口根本直接驅(qū)動(dòng)不起來氣動(dòng)閥，所以本系統(tǒng)采用固態(tài)繼電器去驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)閥。智能閥門定位器的最主要功能就是對(duì)閥門運(yùn)行進(jìn)行精確控制，所以，本文采用 PWM 波的輸出方式來控制它的精確度，其按照 PWM 波的占空比來決定氣動(dòng)閥門開度的大小。而 PWM 波的占空比的具體比值是根據(jù)控制算法經(jīng)過精確計(jì)算得出的，其輸出是通過軟件實(shí)現(xiàn)的，這一部分將在后續(xù)章節(jié)中具體闡述。從單片機(jī) I/O 口的 PWM波，到最終驅(qū)動(dòng)氣缸，中間發(fā)揮重要作用的就是固態(tài)繼電器。其硬件電路如圖 3-8 所示。123與與與與PD4PD5圖 3-8 輸出電路原理圖西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文133.4.2 報(bào)警電路在閥門實(shí)際運(yùn)行時(shí)，閥門在開度較大和較小時(shí)會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的畸變，因此為了避免閥門損壞和延長(zhǎng)其壽命都會(huì)要求閥門工作在一定的開度范圍內(nèi)。由于這個(gè)原因，閥門定位器為系統(tǒng)設(shè)定了上、下開度的限位報(bào)警功能。一旦調(diào)節(jié)閥的閥芯開度大于 90%或小于 10%時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警。并且，在工作過程中閥門的閥芯被卡住時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)檢測(cè)到并自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警。報(bào)警器采用電子蜂鳴器。電子蜂鳴器可直接接+5V 電源即可無需驅(qū)動(dòng)使其鳴音。當(dāng)工作在正常情況時(shí)，因?yàn)?ATmega16 的 PD7 口一直為1，所以電子蜂鳴器不會(huì)鳴音，但是一旦工作在調(diào)節(jié)閥要求的開度外或閥芯被卡時(shí)，程序便會(huì)設(shè)置 ATmega16 的 PD7 口輸出 0 使電子蜂鳴器報(bào)警。報(bào)警電路如圖 3-9 所示。100KR122KR13SP1Q29012GNDVCC與與與與圖 3-9 報(bào)警電路原理圖3.5 單片機(jī)與上位機(jī)的接口電路RS-485 是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì) ELA(Electrical Indusrtial Association)于 1983 年提出的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，主要用于模擬信道傳輸數(shù)字信號(hào)的場(chǎng)合。RS(Recommeded Standard)代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，485 是標(biāo)識(shí)號(hào)。RS-485 的機(jī)械接口一般有 9 針、15 針和 25 針 3 種類型，標(biāo)準(zhǔn)的 RS-485 接口使用25 針的 DB 連接器(插頭、插座)。目前的大多數(shù)場(chǎng)合下采用最多的是 9 針插頭和插座，并且往往只使用其中的 3 根引腳：發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)線 TxD、接收數(shù)據(jù)信號(hào)線 RxD 和邏輯地線 GND，通信雙方進(jìn)行交叉連接，即可進(jìn)行串行通信，如圖 3-10 所示。通訊接口 通訊接口 功能電路功能電路TxDRxDGND通訊接口通訊接口功能電路功能電路TxDRxDGND設(shè)備A設(shè)備B圖 3-10 RS-485 最簡(jiǎn)單連接方式原理圖在電氣特性上，RS-485 采用正邏輯，-2-6V 為邏輯 0，+2+6V 為邏輯 1，空閑狀態(tài)為邏輯 0。接口信號(hào)電平比 RS-232-C 降低了，就不易損壞接口電路的芯片， 且該電平與 TTL 電平相容，可方便與 TTL 電路連接。RS-485 采用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現(xiàn)通信：發(fā)送端將串行口的 TTL 電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào) A,B 兩路輸出，經(jīng)過線纜傳輸之后在接收端將差分信號(hào)還原成 TTL 電平信號(hào)。由于傳輸線通常使用雙絞線，西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文14又是差分傳輸，所以有極強(qiáng)的抗共模干擾的能力。RS-485/422 最大的通信距離約為1219M，最大傳輸速率為 10Mb/S。RS-485 采用半雙工異步工作方式，支持多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信。RS-485 總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)。基于 RS-485 的各種優(yōu)點(diǎn)，本文采用 RS-485 通訊方式，單片機(jī) ATmega16 的接口和一般的 PC 機(jī)接口電氣規(guī)范不同，所以需要一個(gè) MAX485 的接口芯片來完成 PC 機(jī)與ATmega16 單片機(jī)之間的通訊。MAX485 接口芯片采用單一電源+5 V 工作，額定電流為 300 A，采用半雙工通訊方式。它完成將 TTL 電平轉(zhuǎn)換為 RS485 電平的功能。MAX485 芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡(jiǎn)單,內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。在與單片機(jī)連接時(shí)接線非常簡(jiǎn)單。只需要一個(gè)信號(hào)控制 MAX485 的接收和發(fā)送即可。同時(shí)將 A 和 B端之間加匹配電阻，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，120 的電阻可以達(dá)到最好效果。其具體連接圖如圖 3-11 所示。RO1VCC8RE2B7DE3A6DI4GND5U5MAX485與與與與VCC12J6120R10RXDPD6TXDRS485與與圖 3-11 MAX485 的接口電路原理圖3.6 鍵盤、顯示電路該設(shè)計(jì)中的顯示部分主要是用于開度的顯示、參數(shù)輸入的顯示和報(bào)警顯示。根據(jù)實(shí)際需要，本文選擇 LCD1602，其能夠同時(shí)顯示 16 列 2 行的字符。1602 采用標(biāo)準(zhǔn)的16 腳接口，其中：第 1 腳：GND 為電源地。第 2 腳：VCC 接 5V 電源正極。第 3 腳：V0 為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè) 10K 的電位器調(diào)整對(duì)比度） 。 第 4 腳：RS 為寄存器選擇，高電平 1 時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平 0 時(shí)選擇指令寄存器。4 腳和我們單片機(jī)的 PC4 口相連。第 5 腳：RW 為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。5 腳和我們單片機(jī)的 PC5 口相連。 第 6 腳：E 端為使能端。6 腳和我們單片機(jī)的 PC6 口相連。 第 714 腳：D0D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)端，向顯示器提供所要顯示的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)由單片機(jī) PB0-PB7 口提供。第 1516 腳：空腳或背燈電源。15 腳背光正極，16 腳背光負(fù)極。LCD1602 和單片機(jī)的連接圖如圖 3-12 所示。按鍵部分設(shè)計(jì)為 4 個(gè)鍵，采用獨(dú)立式鍵盤。其中，S2 是進(jìn)入菜單鍵、S3 是退出菜單鍵、S4 為調(diào)大設(shè)定值，短按為微調(diào)，毎按一次調(diào)大 1%，長(zhǎng)按為快調(diào)，毎按一次調(diào)大 5%、S5 為調(diào)小設(shè)定值，短按為微調(diào)，毎按一次調(diào)小 1%，長(zhǎng)按為快調(diào)，毎按一次調(diào)小 5%。在硬件的設(shè)計(jì)中，利用有中斷功能的 PD3 腳和 PC0PC3 腳做鍵盤的行列掃描線。當(dāng)有鍵按下的時(shí)候，具有中斷功能的 PD3 引腳會(huì)有電平的跳變，此時(shí)程序就進(jìn)西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文15入鍵盤中斷服務(wù)程序。鍵盤和單片機(jī)的連接圖如圖 3-13 所示。12345678910111213141516J4PC4PC5PC6PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7與與與與GND12J1VCCGNDVCCR31KR410K圖 3-12 顯示電路連接原理圖R410KR510KR610KR710KVCCPC0PC1PC2PC3PD3與與與與S2SW-PBS3SW-PBS4SW-PBS5SW-PBD2IN4148D3IN4148D4IN4148D5IN4148圖 3-13 鍵盤電路連接原理圖3.7 硬件抗干擾本系統(tǒng)在硬件抗干擾方面作了以下工作：（1）電源端接一個(gè)電解電容以防止脈沖干擾；（2）每個(gè)集成芯片都接一個(gè) 0.01uF 的瓷片電容以防止高頻干擾。西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文16第四章 軟件設(shè)計(jì)4.1 開發(fā)環(huán)境和編程語言由于該課題采用的是單片機(jī)開發(fā)的電子儀器，功能比較多，程序量也比較大，并且設(shè)計(jì)者面臨的是一個(gè)完全空白的單片機(jī)芯片如 ATmega16，及其相關(guān)周邊硬件電路，也屬于裸機(jī)環(huán)境，對(duì)于目前單片機(jī)軟件開發(fā)主要采用的匯編語言和 C 語言，相對(duì)來說C 語言可以在盡量少的代碼下實(shí)現(xiàn)其要求。所以采用 C 語言編程，其開發(fā)環(huán)境為 AVR studio。4.2 軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析與規(guī)劃4.2.1 軟件功能的規(guī)劃整個(gè)軟件系統(tǒng)可以看成是由若干程序模塊組成的，其主要的模塊如下：（1）初始化模塊：完成系統(tǒng)硬件的初始設(shè)置和軟件系統(tǒng)中各個(gè)變量默認(rèn)值的設(shè)置。（2）時(shí)鐘模塊：完成時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)置和運(yùn)行，為系統(tǒng)其它模塊提供時(shí)間數(shù)據(jù)。系統(tǒng)時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)方法有兩種：一種是采用時(shí)鐘芯片來實(shí)現(xiàn)；另一種是采用定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)。（3）數(shù)據(jù)處理模塊：將采集到的信號(hào)進(jìn)行加工處理，得到所需結(jié)果。（4）控制決策模塊：根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果和系統(tǒng)的狀態(tài)，通過智能算法，決定系統(tǒng)應(yīng)該采取的運(yùn)行策略。（5）監(jiān)控模塊：通過獲得鍵盤信息，解釋并執(zhí)行，完成操作者對(duì)系統(tǒng)的控制。該模塊實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可操作性。（6）數(shù)據(jù)采集模塊：采集系統(tǒng)運(yùn)行所需要的外部信息，通常包括采集從調(diào)節(jié)閥傳來的信號(hào)和設(shè)定的信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換使之能被單片機(jī)接收到和處理。（7）信號(hào)輸出模塊：根據(jù)控制決策模塊的結(jié)論，輸出對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行操作，使其按預(yù)定要求運(yùn)行。（8）通信模塊：完成不同設(shè)備之間的信息傳輸和交換。 4.2.2 功能結(jié)構(gòu) 對(duì)于組成整個(gè)軟件的若干功能模塊，采用自上而下的模塊設(shè)計(jì)思路，從功能模塊化分開始，逐級(jí)細(xì)化。在本課題中，初始化模塊，時(shí)鐘模塊是必須使用的模塊。為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，需要鍵盤顯示模塊，監(jiān)控模塊；為了完成控制過程，需要數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，決策控制模塊，信號(hào)輸出模塊；為了和上位機(jī)通信，需要通信模塊。程序剛開始先上電復(fù)位且清零，然后對(duì)各元器件進(jìn)行初始化。等每隔 1 秒，液晶顯示器將采集來的當(dāng)前的閥門開度和閥門開度設(shè)定值經(jīng)過計(jì)算并顯示出來，在此過程中，程序會(huì)響應(yīng) A/D 中斷要求進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換后退出返回到西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文17主程序，在此之后主程序會(huì)進(jìn)入控制決策模塊將根據(jù)轉(zhuǎn)換后的設(shè)定值和反饋值的差值通過算法程序計(jì)算出來的結(jié)果來進(jìn)行輸出，用這個(gè)輸出通過驅(qū)動(dòng)來使閥芯準(zhǔn)確定位。于此同時(shí)，如果檢測(cè)到有上位機(jī)傳送過來的信號(hào)，則系統(tǒng)進(jìn)入通訊中斷服務(wù)程序，等任務(wù)完成后，再退出返回到主程序。同理，系統(tǒng)也會(huì)響應(yīng)鍵盤的中斷請(qǐng)求，進(jìn)入其響應(yīng)的服務(wù)子程序當(dāng)中，如果完成其任務(wù)，則退出返回到主程序，系統(tǒng)一旦檢測(cè)到有異常信號(hào)，則會(huì)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，如此循環(huán)下去。在執(zhí)行主程序的同時(shí)，還有外部中斷服務(wù)程序，監(jiān)控程序，監(jiān)控鍵盤的啟動(dòng)與否。4.3 主程序 4.3.1 初始化程序系統(tǒng)初始化主要是對(duì)定時(shí)器、鍵盤、報(bào)警器、顯示、A/D 轉(zhuǎn)換等進(jìn)行清零，進(jìn)入初始化界面。4.3.2 數(shù)據(jù)處理模塊由于 ATmega16 單片機(jī)內(nèi)帶的 A/D 轉(zhuǎn)換的精度是 10 位的，所以 0.512V-2.56V 轉(zhuǎn)換后的十進(jìn)制數(shù)字的范圍是 204-1023，而設(shè)定開度和實(shí)際閥門開度這兩路信號(hào)的值均在 0-100%之間的。因此，還需要把 204-1023 轉(zhuǎn)換成 0-100 的數(shù)字才可以真正的代表設(shè)定開度和實(shí)際閥門開度來進(jìn)行計(jì)算和顯示。（1）對(duì)相對(duì)設(shè)定開度的計(jì)算 設(shè)定閥門開度信號(hào)經(jīng) I/V 轉(zhuǎn)換和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后得到 2041023 之間的一個(gè)十進(jìn)制數(shù)字 C，如果要得到相對(duì)設(shè)定開度的值 D，則按下式計(jì)算6： （4-1）2041023204CD在得到相對(duì)設(shè)定開度 D 后，便可以將其和已經(jīng)設(shè)置好的參數(shù)一起帶到所設(shè)定的閥門工作流量特性公式，這樣就可以得到所需的閥門的相對(duì)設(shè)定開度6。如果以所用的閥門的流量特性是串聯(lián)管道中的直線流量特性，則根據(jù)以上定義 ，將參數(shù)帶到公式里就可以得到閥門相對(duì)設(shè)定開度 A%6： （4-2）%100111111%2NMDDNA（2）對(duì)實(shí)際閥門開度的換算通過傳感器反饋回來的實(shí)際閥門開度在經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后，也需要將十進(jìn)制數(shù)字2041023 換算變?yōu)?0-100%的數(shù)字，這樣做是為了方便與設(shè)定的閥門開度做顯示和比較。在此采用如下所示的公式便可把反饋回來的數(shù)字轉(zhuǎn)換成閥門的開度：西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文18 （4-3）%100%XhKHh其中 X 代表電位計(jì)輸出后的真實(shí)值； H 代表電位計(jì)最大行程時(shí)輸出轉(zhuǎn)的值； h 代表電位計(jì)最小行程時(shí)輸出后的值。與此同時(shí)，根據(jù)公式（4-3） ，可以解決閥芯與電位計(jì)的最大行程距離不可能完全相匹配的問題，同時(shí)也對(duì)閥芯反饋桿與智能閥門的電位器的連接帶來極大的便利。因?yàn)橥ㄟ^別的途徑比如想要通過改變機(jī)械結(jié)構(gòu)使閥芯與電位器的最大行程完全相同這幾乎是不可能的，并且也不具備兼容性。所以可以用以上公式中的 H 值即 1023 改為用安裝時(shí)閥芯的行程最大值 Xmax，同理，h 值即 204 改為行程最小值 Xmin 來替換。這樣以來在任何條件下，不管閥芯的情況如何，都可以準(zhǔn)確的測(cè)出閥芯的實(shí)際開度。4.3.3 數(shù)字濾波數(shù)字濾波實(shí)際上是一種利用編寫程序來對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的干擾進(jìn)行濾波的方法。它利用計(jì)算機(jī)本身的運(yùn)算功能，再加上一定的濾波算法，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，以減少干擾信號(hào)在總信號(hào)中的比重，提高信號(hào)的可靠性和真實(shí)性。這種濾波方法不需要增加硬件設(shè)備，而只需要在程序上作相應(yīng)的處理，易于多任務(wù)并且可以減少成本預(yù)算。常用的數(shù)字濾波方法有：防脈沖干擾平均值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法、中位值濾波法和程序限幅濾波法。本系統(tǒng)用的是最后一種，程序限幅濾波法，也叫超值濾波法。程序限幅濾波法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定兩次采樣允許的最大偏差Y，若先后兩次采樣值的差值均大于Y，則表明輸入信號(hào)有干擾信號(hào)，應(yīng)去掉，并且將上次采樣值作為本次采樣值消除信號(hào)誤差；若小于Y，則本次采樣值有效。本系統(tǒng)用程序限幅濾波來消除信號(hào)誤差，效果非常好。4.3.4 對(duì)閥門異常的判別和報(bào)警本系統(tǒng)在編寫軟件時(shí)對(duì)其閥芯的最大和最小開度的極限值做了規(guī)定，這樣以來不僅提高了閥門的穩(wěn)定性和延長(zhǎng)了其壽命，并且使其工作在要求范圍內(nèi)，當(dāng)整個(gè)閥門系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，如果閥芯的開度大于 90%或小于 10%時(shí)，控制系統(tǒng)將會(huì)檢測(cè)到其異常并且報(bào)警。與此同時(shí)，如果 ATmega16 的 PD4 或 PD5 口有信號(hào)輸出，即控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，且單片機(jī)控制系統(tǒng)在連續(xù)的采集 500 次反饋閥門開度后，接收到的閥門開度都停留在一個(gè)地方上時(shí)，單片機(jī)就可以判定此時(shí)的閥門異常，然后報(bào)警。其程序流程圖如圖 4-1 所示。西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文19開始PD7=0？閥變化了嗎？N=N+1N=500？PD7=1報(bào)警返回下一段程序NNNYYY圖 4-1 報(bào)警電路程序框圖其具體程序代碼如下：*/#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int/=位操作函數(shù)=#defineSetBit(Val,Bit_n)(Val|=(1(Bit_n)#defineClrBit(Val,Bit_n)(Val&=(1(Bit_n)#defineGetBit(Val,Bit_n)(Val&(1(Bit_n)/=蜂鳴器埠=#defineBeep_PORTPORTD/蜂鳴器所在埠#defineBeep_DDR DDRD/方向控制口#defineBeep_BIT PD7/蜂鳴器輸出位/=ucharBeepEventFlag=0;/使能位ucharBeepTime=0;/鳴叫時(shí)間西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文20ucharBeepType=0;/鳴叫類型(時(shí)間)ucharBeepTypeTabe=8,80;/根據(jù)需要可添加/=voidInit_Beep(void)SetBit(Beep_DDR,Beep_BIT);/設(shè)置為輸出口SetBit(Beep_PORT,Beep_BIT);/蜂鳴器關(guān)閉/=voidMnBeep(void)