比例閥雙閉環(huán)設(shè)計(jì)

1、沈陽(yáng)化工大學(xué)沈陽(yáng)化工大學(xué) 本科畢業(yè)論文 題 目：比例閥流量閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)院 系： 信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 0803 學(xué)生姓名： 胡志鵬 指導(dǎo)教師： 蔡勝年 論文提交日期： 年 月 日 論文答辯日期： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè) 電氣0803班 學(xué)生：胡志鵬畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：比例閥流量閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容：1)完成比例閥流量控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)；2)設(shè)計(jì)電路原理圖，試制硬件電路；3)通過(guò)比例閥流量控制系統(tǒng)的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證系統(tǒng)硬件的實(shí)用性。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專題部分：基于單片機(jī)流量控制系統(tǒng)硬件設(shè)

2、計(jì)。起止時(shí)間：2012年03月-2012年06月指導(dǎo)教師： 簽字 年 月 日教研主任： 簽字 年 月 日學(xué)院院長(zhǎng)： 簽字 年 月 日摘要本文以國(guó)外比例閥電源控制器的功能和技術(shù)參數(shù)為參考，致力于將外部標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成PWM電壓信號(hào),通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)PWM電壓的占空比，實(shí)現(xiàn)控制主電路的大信號(hào);通過(guò)雙閉環(huán)設(shè)計(jì)，使比例電磁閥的電流、流量更穩(wěn)定，保持比例閥的開(kāi)度不變，達(dá)到提高流量的控制精度的目的；同時(shí)，通過(guò)增加頻率可調(diào)環(huán)節(jié)，選擇適用于比例閥的最優(yōu)脈動(dòng)性。由于控制途徑是采用電流閉環(huán)控制,保證了電流的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)分析，完成了單片機(jī)控制器的設(shè)計(jì)。在硬件電路設(shè)計(jì)方面，根據(jù)本設(shè)計(jì)控制對(duì)象的特點(diǎn)，本文采用了

3、AT89S52為核心控制器件在使用特殊功能寄存器功能下的PWM驅(qū)動(dòng)電路方案，將理論計(jì)算和面包板調(diào)試相結(jié)合的方法,實(shí)現(xiàn)了主電路和驅(qū)動(dòng)控制電路的參數(shù)研究，完成了控制主電路,PID調(diào)節(jié)電路和電流反饋控制電路的設(shè)計(jì)工作。其中工作主電路部分主要使用單片機(jī)直接輸出PWM控制信號(hào)。本文設(shè)計(jì)最后進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的電路基本都能滿足控制要求，對(duì)電磁閥平穩(wěn)、寬范圍內(nèi)的流量控制有著明顯的作用。關(guān)鍵詞： 電磁閥； 單片機(jī)； PWM； PIDAbstractIn this paper, the proportion of foreign power controller valve function

4、 as a reference, is committed to an external standard voltage input signal into a PWM signal, PWM voltage by controlling the duty cycle of drive to achieve control of the main circuit of the large-signal; through closed-loop design, the compensation coil The temperature rise, the solenoid valve

5、 with a stable current to maintain the same ratio of valve opening, to improve the accuracy of flow control purposes; the same time, by increasing the frequency adjustable links, choose the best for the pulse of proportional valve . As the current control approach is the use of closed-loop

6、 control to ensure that the current stability. Through simulation and experimental analysis, completed the micro-controller design. In circuit design, according to the characteristics of the design control object, we use as the core control device AT89S52 SFR functions using the PWM drive

7、circuit under the program, the theoretical calculations and bread board debugging method of combining to achieve the main circuit and drive control circuit parametric studies, completed the main control circuit, PID regulator circuit and current feedback control circuit design. The major p

8、art of the main circuit which work directly with the microcontroller output PWM control signal. Finally, this design was the actual test, experiment results show that the design of the control circuit to meet the basic requirements of the solenoid valves smooth, wide range of flow control has a

9、 significant role. Key words: Solenoid valve； SCM； PWM； PID目錄一、 緒論1.1電液比例閥概述1.2研究?jī)?nèi)容與預(yù)期結(jié)果1.3研究意義二、總體設(shè)計(jì)方案2.1控制系統(tǒng)的組成及工作原理2.2比例閥雙閉環(huán)控制原理2.3PWM控制技術(shù)2.31脈寬調(diào)制技術(shù)的原理2.32脈寬調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)2.4PID控制技術(shù)介紹三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1硬件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)3.2單片機(jī)系統(tǒng)各部分介紹及功能3.21晶振電路3.22復(fù)位電路作用與原理3,23鍵盤與顯示電路3.3報(bào)警電路3.4驅(qū)動(dòng)電路3.5雙閉環(huán)控制電路四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析六、結(jié)束語(yǔ)一、緒論

10、1.1電液比例閥概述如今，作為連接現(xiàn)代微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和大功率工程控制設(shè)備之間的橋梁，電液比例控制技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，正如一些權(quán)威人士所指出的那樣，代表流體控制技術(shù)的發(fā)展方向。電液比例閥，如同電子技術(shù)的晶體二極管、三極管，是帶粘液比例控制技術(shù)的核心和主要功率放大原件。它以傳統(tǒng)的工業(yè)用液壓控制閥為基礎(chǔ)，采用電-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置，講電信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移信號(hào)，按輸入電信號(hào)指令連續(xù)、成比例地控制液壓系統(tǒng)的壓力、流量或方向等參數(shù)。雖然比例閥與伺服閥控制系統(tǒng)中的伺服閥相比，性能在某些方面還有一定的差距。但是，其顯著的優(yōu)點(diǎn)是抗污染能力強(qiáng)，減少了由于污染而造成的工作故障，提高了液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)

11、定性和可靠性，因此更適合于工業(yè)過(guò)程；另一方面，比例閥的成本比伺服閥低，而且不包含敏感和精密的部分，更容易操作和保養(yǎng)，已在許多場(chǎng)合獲得廣泛應(yīng)用。電液比例控制技術(shù)從形成至今，大致上可劃分為四個(gè)階段：從1967年瑞士Beri nger公司生產(chǎn)KL比例復(fù)合閥，到70年代初日本油研公司申請(qǐng)壓力和流量?jī)身?xiàng)比例閥專利，標(biāo)志著比例技術(shù)的誕生時(shí)期。此間，比例技術(shù)開(kāi)始在液壓控制領(lǐng)域中作為獨(dú)立的分支，并以丌環(huán)控制應(yīng)用為主。這一階段的比例閥僅僅是將是將新型電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器(比例電磁鐵)用于工業(yè)液壓閥，以代替開(kāi)關(guān)電磁鐵或調(diào)節(jié)手柄，閥的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)方法幾乎沒(méi)有變化，閥內(nèi)不含受控參數(shù)的反饋閉環(huán)，其工作頻寬僅在l5Hz之間，

12、滯環(huán)在47之間。從1975年到1980年，比例技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入第二階段。這是比例技術(shù)發(fā)展最快的時(shí)期。此間，采用各種內(nèi)部反饋原理的比例元件相繼問(wèn)世，耐高壓比例電磁鐵和比例放大器在技術(shù)上已經(jīng)成熟。比例元件的工作頻寬已達(dá)515H，滯環(huán)減小到3左右，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。20世紀(jì)70年代后期，比例變量泵和比例執(zhí)行器相繼出現(xiàn)，為大功率系統(tǒng)的節(jié)能奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大到閉環(huán)控制。到了20世紀(jì)80年代比例技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入第三階段。這一階段，比例元件的設(shè)計(jì)原理進(jìn)一步完善，采用了壓力、流量、位移反饋和動(dòng)壓反饋及電校正等手段，使閥的穩(wěn)態(tài)精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性都有了進(jìn)一步的提高。除了制造成本的原因，比例閥在中位仍保

13、留死區(qū)外，它的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性均已和工業(yè)伺服閥相當(dāng)。這一階段的另一項(xiàng)重大進(jìn)展是比例技術(shù)開(kāi)始和插裝閥相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出各種不同功能和規(guī)格的二通、三通型比例插裝閥，形成了電液比例插裝技術(shù)。此外，由于傳感器和電子器件的小型化，還出現(xiàn)了帶集成放大器的電液一體化比例元件。從1990年至今，是比例技術(shù)進(jìn)一步完善的階段。這一階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)始與比例元件結(jié)合，開(kāi)發(fā)出了數(shù)字式比例元件和數(shù)字式比例系統(tǒng)，并形成了不同總線標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字比例元件接口。1.2研究?jī)?nèi)容與預(yù)期結(jié)果課題的研究?jī)?nèi)容：1.利用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)流量、電流雙閉環(huán)控制的比例閥流量控制系統(tǒng)；2.采用51系列單片機(jī)及相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路完成比例閥流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；3.為試制

14、比例閥流量評(píng)價(jià)系統(tǒng)做必要的前期研制工作。預(yù)期結(jié)果；1.實(shí)現(xiàn)用PWM技術(shù)對(duì)雙閉環(huán)比例閥的流量控制；2.完成比例閥流量控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（包括單片機(jī)、顯示、鍵盤、A/D·D/A轉(zhuǎn)換、接口電路、驅(qū)動(dòng)電路等）；3.利用專用電路設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)電路原理圖，選擇電路器件，離線調(diào)試電路功能，試制硬件電路；4.與軟件系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試，通過(guò)比例閥流量控制系統(tǒng)的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證系統(tǒng)硬件的實(shí)用性1.3研究意義目前，電液比例系統(tǒng)普遍采用模擬控制，由運(yùn)算放大器和功率電子元件為主組成控制放大電路控制比例電磁鐵線圈電流的大小和均加減速時(shí)間，以控制其力的大小或位移，從而控制了與比例電磁鐵相連接的比例閥

15、的開(kāi)口大小，達(dá)到控制液壓回路油的壓力或流量的目的。由于模擬器件的分散性和組成電路的特點(diǎn)，用這種控制方法制造的控制系統(tǒng)的控制功能很簡(jiǎn)單，也難以適應(yīng)各種需要場(chǎng)合，并且存在明顯的溫度漂移和零點(diǎn)漂移?？刂葡到y(tǒng)的參數(shù)設(shè)定需要電位器調(diào)節(jié)。而調(diào)節(jié)的結(jié)果即設(shè)定值不易被復(fù)制或記錄。此外，電位器的可靠性也是一個(gè)問(wèn)題，頻繁的調(diào)節(jié)可能對(duì)電位器產(chǎn)生磨損，出現(xiàn)故障非專業(yè)人員難以排查。因此難以滿足飛速發(fā)展的機(jī)電液一體化技術(shù)的要求。數(shù)字化的比例閥控制方法可以避免上述弊端，參數(shù)重復(fù)設(shè)定，可記憶存儲(chǔ)。參數(shù)設(shè)定可用軟件通過(guò)軟件完成，避免了活動(dòng)元器件的機(jī)械磨損。所有調(diào)節(jié)都能自動(dòng)記錄。同模擬控制相比，它集系統(tǒng)控制功能于一體，使得閥控系

16、統(tǒng)具有更高的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和靈活性和使用維護(hù)的方便性，使得它具有較廣闊的應(yīng)用前景。就我國(guó)的液壓技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀而言，對(duì)性能良好，價(jià)格適宜的電液比例閥具有相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)需求。因此根據(jù)電液比例系統(tǒng)的特點(diǎn)和控制要求，開(kāi)發(fā)出比例閥的數(shù)字化控制方法，并轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，用以取代常規(guī)模擬控制及其他附加元件，不僅能在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)化系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可靠性，而且可以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用的靈活性，將為比例閥推廣使用奠定良好的基礎(chǔ)，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義二、總體設(shè)計(jì)方案2.1控制系統(tǒng)的組成及工作原理系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，輔助以輸入、報(bào)警、驅(qū)動(dòng)等功能電路，通過(guò)單片機(jī)調(diào)制產(chǎn)生的PWM脈沖來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電路使比例閥正常工作。接通電源時(shí)，系統(tǒng)先初始

17、化，之后經(jīng)過(guò)鍵盤將流量的設(shè)定值輸入到單片機(jī)中，正常工作后流量傳感器將實(shí)際的流量值經(jīng)轉(zhuǎn)換后反饋給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)器運(yùn)算產(chǎn)生相應(yīng)的PWM脈沖，輸出電流也會(huì)相應(yīng)的改變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)控制流量的目的。單片機(jī)鍵盤輸入顯示器驅(qū)動(dòng)電路比例閥檢測(cè)裝置A/D轉(zhuǎn)換報(bào)警電路PWM圖2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2比例閥雙閉環(huán)控制原理電流比較器流量比較器比例閥流量反饋系數(shù)電流反饋系數(shù)圖2.2 比例閥控制原理在比例電磁閥控制系統(tǒng)中，比例閥為主要研究對(duì)象。當(dāng)電磁閥通電后，由于電磁閥的感抗作用，電磁閥內(nèi)阻升高，流經(jīng)電磁閥的電流發(fā)生改變，是輸出偏離設(shè)定值，因此加入電流環(huán)，這樣可以保證驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定。系統(tǒng)的外環(huán)是流量環(huán)，它將流量傳

18、感器采集的實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，單片機(jī)將設(shè)定值與傳感器的反饋值送入流量調(diào)節(jié)器，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后輸出PWM脈沖，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制比例閥的開(kāi)度，從而達(dá)到精確控制。2.3PWM控制技術(shù)2.31脈寬調(diào)制的原理PWM脈寬調(diào)制，是靠改變脈沖寬度來(lái)控制輸出電壓，通過(guò)改變周期來(lái)控制其輸出頻率。而輸出頻率的變化可通過(guò)改變此脈沖的調(diào)制周期來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣，使調(diào)壓和調(diào)頻兩個(gè)作用配合一致，且于中間直流環(huán)節(jié)無(wú)關(guān)，因而加快了調(diào)節(jié)速度，改善了動(dòng)態(tài)性能。由于輸出等幅脈沖只需恒定直流電源供電，可用不可控整流器取代相控整流器，使電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)大大改善。利用PWM逆變器能夠抑制或消除低次諧波。加上使用自關(guān)斷器件，開(kāi)關(guān)頻率大

19、幅度提高，輸出波形可以非常接近正弦波。脈寬調(diào)制的原理，把一個(gè)正弦半波分為若干等份，然后把每一等份的正弦曲線和橫軸t所包圍的面積計(jì)算出來(lái)，在這個(gè)正弦曲線圖的下方，繪制一個(gè)相同的坐標(biāo)，并在這個(gè)新坐標(biāo)的圖中，用一個(gè)與所計(jì)算的面積相等的等高矩形脈沖替代那些計(jì)算過(guò)面積的每一等份，這個(gè)矩形脈沖的中點(diǎn)應(yīng)該與正弦波上所對(duì)應(yīng)的這一等份的中點(diǎn)重合。由若干個(gè)等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半周等效,如圖2.3所示。 uua)OOb)圖2.3 用PWM波代替正弦波2.32脈寬調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有

20、在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離。在接收端，通過(guò)適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。2.4PID控制技術(shù)介紹PID調(diào)節(jié)器中有比例微分（PD）、比例積分（PI）和比例積分微分（PID）三種類型。由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對(duì)快速性的限制來(lái)?yè)Q取系統(tǒng)的穩(wěn)定性；用PI

21、D調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的滯后-超前校正則兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實(shí)現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。一般調(diào)速系統(tǒng)的要求以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度為主，對(duì)快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器；在隨動(dòng)系統(tǒng)中，快速性是主要要求，須用PD或PID調(diào)節(jié)器。在雙閉環(huán)流量控制系統(tǒng)中，電流調(diào)節(jié)器的作用是補(bǔ)償線圈溫度上升。當(dāng)流經(jīng)電磁閥的電流發(fā)生變化時(shí)，須依靠積分作用來(lái)抑制電流的變化，使電磁閥的驅(qū)動(dòng)電流快速跟隨給定，以保證流量的穩(wěn)定輸出。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1硬件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想是流量傳感器采集實(shí)際流量信息，將流量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的電壓信號(hào)處理為05V的離散信號(hào)送入單片機(jī)，

22、單片機(jī)將設(shè)定值與實(shí)際值比較處理后，經(jīng)調(diào)節(jié)器運(yùn)算產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號(hào)，以此控制比例閥開(kāi)度及流量，實(shí)現(xiàn)流量的精確控制。圖3.1 系統(tǒng)連接圖3.2單片機(jī)系統(tǒng)各部分介紹及功能3.21晶振電路晶振，全稱晶體振蕩器，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振的作用非常大,它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的，晶振的提供的時(shí)鐘頻率越高，那單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。圖3.2 晶振電路3.22復(fù)位電路作用與原理當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中受到環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時(shí)候，按下復(fù)位按鈕，內(nèi)部的程序便會(huì)自動(dòng)從

23、頭開(kāi)始執(zhí)行。在單片機(jī)啟動(dòng)0.1S后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時(shí)候10K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候電容兩端形成了一個(gè)回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個(gè)過(guò)程中，電容開(kāi)始釋放之前充的電量。隨著時(shí)間的推移，電容的電壓在0.1S內(nèi)，從5V釋放到變?yōu)榱?.5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個(gè)時(shí)候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。圖3.3 復(fù)位電路3.23鍵盤與顯示電路圖3.4 鍵盤與顯示電路3.3報(bào)警電路比例閥控制系統(tǒng)在工作過(guò)程中發(fā)生故障時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)工

24、作報(bào)警，如圖3.所示，報(bào)警裝置選用5V直流型蜂鳴器。當(dāng)檢測(cè)到的流量值遠(yuǎn)大于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)管腳送出高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。當(dāng)故障解除后，按下單片機(jī)復(fù)位按鈕，解除警報(bào)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。圖3.5 報(bào)警系統(tǒng)接線圖3.4驅(qū)動(dòng)電路場(chǎng)效應(yīng)管的優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)關(guān)速度快，高輸入阻抗和低電平驅(qū)動(dòng)，安全工作區(qū)寬；熱穩(wěn)定性高；易于并聯(lián)使用；跨導(dǎo)高度線性；管內(nèi)存在漏源二極管；MOS管的這些特點(diǎn)很符合本設(shè)計(jì)的要求，因此采用MOS管作為控制開(kāi)關(guān)與電磁閥相連接。為避免產(chǎn)生振蕩，在光耦12V電源處加12uf的電容濾波，而為了使MOS管能正常工作，在其柵極與源極之間并聯(lián)10千歐的電阻以使MOS管獲得10V的電壓。在驅(qū)動(dòng)部分為了

25、防止控制電路部分發(fā)生過(guò)電壓或者過(guò)電流故障時(shí)產(chǎn)生的沖擊電壓或電流對(duì)控制部分產(chǎn)生損害，在單片機(jī)控制電路與電磁閥工作電路之間采用光耦隔離器TLP250相隔離。系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)鍵盤輸入設(shè)定值，單片機(jī)運(yùn)算后產(chǎn)生相應(yīng)的PWM脈沖，脈沖信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制比例閥的開(kāi)度以達(dá)到對(duì)比例閥流量的控制。圖3.6 驅(qū)動(dòng)電路接線圖3.5采樣放大電路采樣放大電路是電流環(huán)設(shè)計(jì)中的一個(gè)環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)中利用同相比例運(yùn)算電路將采樣電阻上的電壓放大到05V后送入到AD轉(zhuǎn)換模擬量輸入端。比例閥工作時(shí)的額定電流為1A，采樣電阻選用1歐的精密電阻，因此，工作狀態(tài)下采樣電阻上的電壓為01V，放大5倍后可滿足要求。如圖，在同相比例運(yùn)算電路中，圖

26、3.7 采樣放大電路3.6A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示。圖3.8 ADC0809芯片引腳圖IN0IN7為8路模擬量輸入端；D0D7為數(shù)字量輸出端；ADDA、ADDB、ADDC為3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路；ALE是地址鎖存允許信號(hào)輸入，高電平有效；START為A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）；EOC為 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）；OE為數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)

27、，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開(kāi)輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量；CLK為時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ；REF（+）、REF（-）是基準(zhǔn)電壓。被選模擬量路數(shù)與地址的關(guān)系如下表所示。在本設(shè)計(jì)中，只有兩路模擬量輸入，因此在設(shè)計(jì)時(shí)將ADDB、ADDC接地，而把ADDA接到單片機(jī)引腳上，通過(guò)單片機(jī)的輸出來(lái)控制兩路通道的選擇。時(shí)鐘信號(hào)的輸入則是將單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)用74HC74芯片搭建的二分頻電路后接入ADC0809的CLK端。選擇的通道CBAIN0000IN1001IN2010IN3011IN4100IN5101IN6110IN7111表3.1 被選模擬量路數(shù)與地址的關(guān)系四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1

28、 軟件設(shè)計(jì)的整體思路本設(shè)計(jì)整體采用CPU空閑等待的方法進(jìn)行系統(tǒng)編程，當(dāng)所有初始化結(jié)束后，進(jìn)入空閑等待，即等待有鍵按下或者進(jìn)入中斷響應(yīng)。如果沒(méi)有鍵按下，即正常輸出初始化時(shí)PWM狀態(tài)，如有鍵按下，即進(jìn)入設(shè)定狀態(tài)，設(shè)定狀態(tài)時(shí)，不輸出PWM，即關(guān)閉所有中斷和管腳等信號(hào)，設(shè)定結(jié)束后，開(kāi)中斷等，然后輸出設(shè)定的PWM并顯示當(dāng)前流量。在采集反饋電流時(shí)，使用AD轉(zhuǎn)換，單片機(jī)得到的即是數(shù)字量，然后通過(guò)程序算法即PID算法構(gòu)成閉環(huán)電流。因?yàn)槌绦蛑卸啻问褂弥袛?，例如定期?中斷還有AD中斷等，在程序中必須先執(zhí)行定時(shí)器0中斷，所以本程序中斷采用優(yōu)先級(jí)判斷方法，在多個(gè)中斷同時(shí)到來(lái)時(shí)，則先執(zhí)行優(yōu)先級(jí)高的，執(zhí)行完后，返回上一

29、狀態(tài)，再執(zhí)行次級(jí)中斷程序。在進(jìn)行PID運(yùn)算的設(shè)計(jì)思想是分時(shí)運(yùn)算，先給流量付一個(gè)初始值，然后進(jìn)行流量環(huán)進(jìn)行第一次PID運(yùn)算確定輸出電流，再通過(guò)電流環(huán)反饋回來(lái)與電流設(shè)定值做第二次PI運(yùn)算給定輸出。4.2 數(shù)字濾波4.2.1數(shù)字濾波設(shè)計(jì)原理數(shù)字濾波有很多方法，我們見(jiàn)選用其中幾種來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如中值濾波、算術(shù)平均濾波、加權(quán)平均濾波等。4.2.2中值濾波中位值濾波是先對(duì)某一參數(shù)連續(xù)采樣N次（一般N取奇數(shù)），然后把N次采樣值按從小到大排列，取中間值為本次采樣值。該濾波方法實(shí)際上是一種排序方法，我在此采用的是冒泡法排序。由于在冒泡法排序中，每出現(xiàn)一次前者數(shù)據(jù)大于后者數(shù)據(jù)，就要進(jìn)行二者數(shù)據(jù)的交換。中位值濾波能有

30、效地克服偶然因素引起的波動(dòng)或采樣器不穩(wěn)定引起的誤碼等脈沖干擾。對(duì)溫度、液位等緩慢變化的被測(cè)參數(shù)采用此算法能收到良好的濾波效果，但對(duì)于流量、壓力等快速變化的數(shù)據(jù)，不宜采用中位值濾波。4.2.3 算術(shù)平均濾波算術(shù)平均濾波法適用于對(duì)一般的具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波。這種信號(hào)的特點(diǎn)是信號(hào)本身在某一數(shù)值范圍附近上下波動(dòng)，如測(cè)量流量、液位時(shí)經(jīng)常遇到這種情況。算術(shù)平均濾波法是要按輸入的N 個(gè)采樣數(shù)據(jù)，尋找這樣一個(gè)Y，使得Y 與各個(gè)采樣值之間的偏差的平方和最小。算術(shù)平均濾波適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波。這種信號(hào)的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值，信號(hào)在某一數(shù)值范圍附近做上下波動(dòng)，在這種情況下僅取一個(gè)采樣值做依據(jù)顯

31、然是不準(zhǔn)確的。算術(shù)平均濾波對(duì)信號(hào)的平滑程序完全取決于N，當(dāng)N較大時(shí)，平滑度高，但靈敏度低；當(dāng)N較小時(shí)，平滑度低，但靈敏度高，應(yīng)視具體情況選取N，以便既少占用計(jì)算時(shí)間，又達(dá)到最好的效果。4.2.4 加權(quán)平均濾波在算術(shù)平均濾波和移動(dòng)平均濾波中，N次采樣值在輸出結(jié)果中的權(quán)重是均等的，取1/N。用這樣的濾波算法，對(duì)于時(shí)變信號(hào)會(huì)引入滯后，N值越大，滯后越嚴(yán)重。為了增加新采樣數(shù)據(jù)在移動(dòng)平均中的權(quán)重，以提高系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前采樣值中所受干擾的靈敏度，可采用加權(quán)平均濾波，它是移動(dòng)平均濾波算法的改進(jìn)。加權(quán)平均濾波是對(duì)連續(xù)N次采樣值分別乘上不同的加權(quán)系統(tǒng)之后再求累加和，加權(quán)系統(tǒng)一般先小后大，以突出后面若干采樣的效果，加強(qiáng)

32、系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化趨勢(shì)的辨識(shí)。各個(gè)加權(quán)系統(tǒng)均為小于1的小數(shù)，且滿足總和等于1的約束條件。這樣，加權(quán)運(yùn)算之后的累加和即為有效采樣值。4.3 編程工具Keil uVision44.3.1 Keil的概述單片機(jī)開(kāi)發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開(kāi)軟件，匯編語(yǔ)言源程序要變?yōu)镃PU可以執(zhí)行的機(jī)器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機(jī)器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法。機(jī)器匯編是通過(guò)匯編軟件將源程序變?yōu)闄C(jī)器碼，用于51單片機(jī)的匯編軟件有早期的A51，隨著單片機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語(yǔ)言到逐漸使用高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，單片機(jī)的開(kāi)發(fā)軟件也在不斷發(fā)展。C語(yǔ)言是一種通用的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，既可以編寫(xiě)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)

33、程序，也可以編寫(xiě)一般的應(yīng)用程序。2Keil軟件是目前最流行開(kāi)發(fā)MCS-51系列單片機(jī)的軟件。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起7。4.3.2 Keil uVision4的組成C51工具包的整體結(jié)構(gòu)，其中uVision與Ishell分別是C51 for Windows和for Dos的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開(kāi)發(fā)流程?？捎肐DE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51及A51編譯器編譯生成目標(biāo)文件(.OBJ)。目標(biāo)文件可由

34、LIB51創(chuàng)建生成庫(kù)文件，也可以與庫(kù)文件一起經(jīng)L51連接定位生成絕對(duì)目標(biāo)文件(.ABS)。ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51使用進(jìn)行源代碼級(jí)調(diào)試。4.4 主程序主程序流程圖見(jiàn)圖5.1所示。圖5.1 主程序流程圖系統(tǒng)上電后，首先對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)控制引腳初始化，以確保各硬件功能塊正常工作。系統(tǒng)初始化后，則對(duì)任務(wù)初始化，使各個(gè)任務(wù)處于正常狀態(tài)。在While循環(huán)中則不停的查詢?nèi)蝿?wù)標(biāo)志的狀態(tài)，取出處于就緒狀態(tài)的任務(wù)標(biāo)志。根據(jù)任務(wù)的標(biāo)志調(diào)用相應(yīng)的子函數(shù)，在子函數(shù)中使任務(wù)處于非就緒狀態(tài)。當(dāng)完成就緒的任務(wù)后，返回到主函數(shù)，繼續(xù)查詢?nèi)蝿?wù)狀態(tài)。4.5 子程序

35、4.5.1 初始化子程序初始化流程圖見(jiàn)圖圖5.1 主程序流程圖在主程序執(zhí)行之前,需要對(duì)各個(gè)功能塊進(jìn)行初始化,對(duì)需要調(diào)用的模塊付初始值,保證各模塊按要求運(yùn)行,防止其陷入死循環(huán)。4.5.2 顯示子程序 本次設(shè)計(jì)所使用的單片機(jī)顯示模塊是動(dòng)態(tài)掃描顯示，動(dòng)態(tài)顯示的特點(diǎn)是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。這樣一來(lái)，就沒(méi)有必要每一位數(shù)碼管配一個(gè)鎖存器，從而大大地簡(jiǎn)化了硬件電路。選亮數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂動(dòng)態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺(jué)暫留作用，使人的感覺(jué)好像各位數(shù)碼管同時(shí)都在顯示。動(dòng)態(tài)顯示可以很好的節(jié)約硬件空間和單用輸出口

36、。顯示子函數(shù)的功能就是當(dāng)進(jìn)行按鍵設(shè)置時(shí)顯示占空比，當(dāng)占空比設(shè)定完畢時(shí)把電流的實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示出來(lái)，最主要的是在設(shè)定狀態(tài)的時(shí)候顯示設(shè)定值。4.5.3 鍵處理子程序 當(dāng)按下P22時(shí)進(jìn)行鍵掃描，停止PWM輸出，不停地判斷按鍵值，如果有鍵按下，判斷鍵值，并進(jìn)行修改設(shè)定值，執(zhí)行按鍵指令函數(shù)。本按鍵程序思路是以顯示為主。4.5.4 AD轉(zhuǎn)換ADC0809主要管腳如圖ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。ADC

37、0809時(shí)首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開(kāi)，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問(wèn)題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述三種方式。 （1）定時(shí)傳送方式 對(duì)于一種A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如ADC0809轉(zhuǎn)換時(shí)間為128s，相當(dāng)于12MHz的AT89S52單片機(jī)共128個(gè)機(jī)器周期?？蓳?jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用此子程序，延遲時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 （2）查詢方式 A/D轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測(cè)試EOC的狀態(tài)，即可確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)