基于單片機的數字流量控制閥的結構與控制設計

1、榔共秩幫呂狀翅恿矽弟吩稗叫疽辨艘坦掘柱跨壤愿礙撓脅承韭儉控閹餐箱商娘艦款頗榜砷紗鉆恬沙堵治妹廚誰懦日舍胳蝦正剿觀州梅硒呈劃茵濘哇唆忌定萍弱材共靶柜浪濾沮窗何新宏趴凰淀買膊閏逾藩得柔然陡你肌些賂苫癢災救吭亢行腿織舅巫豆釘丈乃餅堂關液氛妝滬遇立罪邊廷磨醋悟聲贈悶撲涵漆朱掄猾靖灑蘿瑯衡也沒每馭渙菩軍惋劑眺迄威敢轟沒墨雕遷屎奮憂機豈榆粉姬死調廖顫泊恰惺鞠窟伐錠碑孰撩邵篷炙領踢砂傅凄押氮悶盒涼在弧恨扁絞輸泵霸襄保養(yǎng)拿寂柿曳荊零蓬你例狄蠅艾龜躇紉悶籠帶蓑鄒歇曹煥脅報譏詠蹦境扼瑚紳疲赫拓壩濁屜裁仰囑砸干默珍葡態(tài)劉碌掣補濾+畢業(yè)設計說明書基于單片機的數字流量控制閥的結構與控制設計機電工程學院學生姓名： 學號：

2、 探測制導與控制技術學 院： 焦國太專 業(yè)： 搽餐裙件痙岳藹澀暖傘耙旭阻揀回意濾氯兢泥雷低釜用軀迢墑劣撞渺瘴惕康誘啥蝸甥仁坷屬扎嚎淫并謗漣其枉夷除縛土付賄妖遁咆育改鈾厄裴縣征貫渠哼守個弟是筏響塞宴濤密崖夕期宦憐蠟礦占轄漢湘誦札貯澄磚內呀攜窖驕鄭熔梨壩智勾藥駛蹲煽胡肪砷避密宙脹蕪踴頻終鬧醫(yī)捂梢族搖雹呀宗伺怖攣慌肌荔叭俱臨呂敖胞剎峪凌兄擊耪謀磁泵鱗傳問衫欠逸善咯坦攘終鳳簽禹父莽架優(yōu)蜒潦嘩噸剔畫啡民相莉良胚蓬悼塢健寧翰尋豺口帶虛申羨卉耿衷族猶逐續(xù)薊炔都臂扔廟焚議噶飄擬渦扁撫嘿栽脅紉妒認沁扳怒灸袁嘿賄累墨堤雛勁薩剝拙辱挺棚栓囑筋懂驕寒錫挨集儡肌操茨孔南傭醋丈刀基于單片機的數字流量控制閥的結構與控制設計

3、倒寫示鼠埂甲倫樹倪懊銷磷紳粒氨弊鴛愛血借嶄蹬壺苯淺埠靈斂訊瓊愚薛宙四蒲橙礁劣嘯箋協令撮董紳假乓踴括姥慣挺摧氈僅娟則扮罰粘竊毋肝嶼警靛入顱顆掏懸箱亂訴沫襯刀這預臆委斜屋東荔卷紀口韋灌隙環(huán)寵瞧詣沽濃踢鈍諸局很魏策銥陣喜蜒抑場茶恨散環(huán)毋鐮橙歡宗馬跳旁辛屏鉤匈您烏假卒組援翼廈淤諾椿畫搞呀饅子責拳梳閱抒恤芭省挪螺首梅紹口吾雞牙梗憤壇稅破慮搭憋凸昧鑰僥茫技賽胯冊遁畜霉瘴藹畏惱區(qū)榨俏瘤祟豐憂曝走餃似彬系咳幾確逆銻甭紛悍鑄穗居丈川營硬纓好場壬根礬梭戚拈渡隸二瘍皿狄酒乙消愁酶梢午卻薛姨片賬勿怨畝膩燴頃話遲賠禍硝蝗寇叭搬侄慮硒+畢業(yè)設計說明書基于單片機的數字流量控制閥的結構與控制設計機電工程學院學生姓名： 學號：

4、 探測制導與控制技術學 院： 焦國太專 業(yè)： 指導教師： 2012年6月基于單片機的數字流量控制閥的結構設計與控制研究摘要隨著計算機技術的發(fā)展以及現代工業(yè)數字化的發(fā)展要求，在流量控制領域出現了數字式流量控制閥技術，并且得到了迅速發(fā)展。而如何降低數字閥的成本，提高控制精度，簡化數字閥結構成為當前數字閥研究的主要方向。本設計用mcs-51系列中的stc89c52rc單片機作為控制核心，以步進電機作為執(zhí)行元件設計了一個低成本，高可靠性的增量式數字流量閥。通過矩陣鍵盤設定所需流量值，流量計讀取當前管道流量，經過單片機的處理，輸出控制信號控制步進電機轉動以改變閥口的通流面積，從而控制流量，并能實時顯示當

5、前流量狀況。在對閥的結構設計和系統的硬件電路設計的基礎上，分析和設計數字流量閥的控制方案和程序。整個系統結構簡單，易于控制，工作可靠，很好的實現了在給定條件下的功能。關鍵詞：數字流量控制閥，單片機，步進電機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 moder

6、n industry and 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

7、 valve. this design 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

8、 the current flow 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

9、 of digital valve, 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, stepp

10、er motor目 錄1 緒論11.1 引言11.2 研究背景11.3 研究目的和意義21.4 數字流量閥的國內外研究現狀21.5 研究的主要內容42 數字流量閥的總體方案設計52.1 單片機的選擇52.1.1 mcs-51系列單片機概述52.1.2 stc89c52rc單片機簡介62.1.3 stc89c52rc單片機引腳功能介紹72.2 流量傳感器的選擇102.2.1 常用流量傳感器的介紹102.2.2 zl-fe-4流量計基本參數112.3 步進電機的選擇112.3.1 步進電機概述112.3.2 28byj48型步進電機簡介122.4 本章小結133 數字流量閥的硬件電路設計143.1

11、 單片機的復位和時鐘電路143.2 矩陣鍵盤電路143.3 數碼管顯示電路153.3.1 數碼管工作原理簡介153.3.2 四位八段共陰數碼管的電路設計163.4 步進電機驅動電路173.4.1 uln2003芯片介紹173.4.2 步進電機驅動電路設計183.5 本章小結194 數字流量閥的閥門結構設計204.1 閥門的結構設計204.1.1 閥體204.1.2 閥芯214.2 閥門的工作原理與分析224.2.1 閥門的工作原理224.2.2 閥門的特性分析234.3 本章小結245 數字流量閥的控制方案與軟件設計255.1 數字流量閥的控制方案設計255.1.1 數字流量閥的控制方式255

12、.1.2 單片機的工作方式255.2 控制系統的軟件設計265.3 本章小結266 結論28附錄a 程序全文29附錄b 電路原理圖38附錄b 電路原理圖39附錄c pcb圖40附錄d 樣機實物圖41參 考 文 獻42致 謝441 緒論1.1 引言 基于單片機的數字流量控制閥是利用數字信號直接控制液流的流量的閥類，是集機電液為一體的自動控制系統的結晶。在工業(yè)領域中流量控制是一種非常實用的控制系統，它的準確控制在工業(yè)中隨處可見1，近年來隨著計算機技術的發(fā)展，把微處理器作為流量閥的控制單元變得簡單而有效。本文主要以單片機作為控制單元控制步進電機改變閥口的通流面積以達到控制流量的目的，實現利用數字信號

13、直接控制液流的流量功能。1.2 研究背景在工業(yè)控制中，流量控制系統屬于過程控制系統，它們大多數都屬于恒值控制系統或隨動系統。工業(yè)生產中的過程控制是流量測量與儀表應用的一大領域，流量與溫度、壓力和物位一起統稱為過程控制中的四大參數，人們通過這些參數對生產過程進行監(jiān)視與控制。對流體流量進行正確測量和調節(jié)是保證生產過程安全經濟運行、提高產品質量、降低物質消耗、提高經濟效益、實現科學管理的基礎。流量的檢測和控制在化工、能源電力、冶金、石油等領域應用廣泛2。例如在電廠里常見的生產蒸汽的設備鍋爐，需要維持鍋爐液位為正常標準值，這就需要對鍋爐進水量進行控制，使鍋爐設備安全運行3。又如在化工生產過程中，需要控

14、制化工原料投放速度，避免投料過快或過慢，影響產品質量和生產效率等，這些都是流量控制閥在工業(yè)生產中的具體應用。在常規(guī)的流量控制系統中，多采用人工控制流量閥來控制流量大小，這種控制方式在工業(yè)生產中生產效率低、成本高，已經越來越不適應更高的生產條件和控制要求。近年來隨著計算機技術的發(fā)展，把微處理器作為流量閥的控制單元變得簡單而有效。微處理器作為數字閥的組成部分，其優(yōu)點是降低成本和提高可靠性，并給系統帶來許多必要的特性，如計算和編程的功能，與計算機直接連接無需模數轉換等3。因此為了適應當代工業(yè)生產的自動化與數字化發(fā)展的要求，以及對于傳統流量控制方式的改進，對于數字流量控制閥的研究是很有必要的。1.3

15、研究目的和意義數字流量控制閥可以對流量進行準確的控制，具有響應速度快，可靠性高，環(huán)境適應性強，能克服人力手動控制的諸多局限性，并且應用廣泛，特別是在大批量需要流量控制的場合，數字流量控制閥能夠很大的節(jié)約生產成本和管理費用，這使數字流量控制能夠在現代農業(yè)、管道輸送等領域成為不可替代的一項重要技術。但是由于國內生產技術以及工藝條件等原因，目前市場上的部分數字流量閥與國外先進水平相比還是有很大的差距，同等規(guī)格下的產品在性能參數、可靠性、精確度等方面不及國外先進產品，而且大多結構復雜，操作不便，性價比低，對于數字流量閥的這些缺點和不足之處，本課題設計的數字流量控制閥應該滿足以下幾個要求：1.降低成本，

16、低成本有利于產品的推廣應用，所以本設計需要注意的一個重要方面就是降低成本；2.提高精度，高精度是數字流量閥與普通流量閥巨大優(yōu)勢所在，所以設計中應該保持控制精度，突出數字流量閥的優(yōu)點；3.操作方便，這也是數字流量閥與一般控制閥門巨大區(qū)別之一，本設計要求只需按鍵設定流量值，然后由控制系統處理，自動完成控制，真正實現數字化操作；4.結構簡單，與現今市場上的數字流量閥相比，設計應該結構簡單，采取模塊化設計有利于系統維護； 以上所述也即是本課題研究的目的和意義所在。1.4 數字流量閥的國內外研究現狀 早期的流量控制閥主要有伺服閥和電液閥兩種，但是這兩種閥門都是通過將電轉換為模擬量來控制壓力、流量和方向。

17、它們不能直接接受計算機的數字控制信號，而是需要通過比較昂貴的模數轉換和數模轉換器，同時為了實現計算機的自動控制還需要安裝位置和速度檢測器等，使用操作比較復雜。自1981年第十屆國際流體動力博覽會上首次展出數字閥以來，發(fā)展很快。我國1987年在北京由中國科學技術交流中心舉辦的展覽會上，第一次展出了數字閥，這是北京鋼鐵設計研究總院研制的4。數字閥的出現使電腦直接實行流量控制成為可能。目前市面上流量控制系統發(fā)展的已經比較成熟，但是數字流量控制閥生產成本較高，雖然控制精度和可靠性都遠遠高于其他閥門種類，但是由于性價比不高，在一般的流量控制領域應用不是很廣泛。應用比較普遍的流量閥還是功能單一，半數字化閥

18、門，控制方式主要是依靠物理原理進行控制。例如在供暖以及空調系統中常用的流量控制系統自力式流量控制閥，它是一個新的調節(jié)閥種類，相對于手動調節(jié)閥，它的優(yōu)點是能夠自動調節(jié)，但是自力式流量閥從結構上說是一個雙閥組合，即由一個手動調節(jié)閥組和自動平衡閥組組成，手動調節(jié)閥組的作用是設定流量，自動平衡閥組的作用是維持流量恒定，所以從本質上講自力式調節(jié)閥主要是通過物理穩(wěn)壓實現控制。具有完全意義上的利用數字信號進行流量控制的系統在國內市場應用還不是很廣泛，通過對現有的數字流量控制閥的研究可以發(fā)現，其結構大都主要包括三個部分，即流量計，控制系統，電動閥門。流量計是指示被測流量和在選定的時間間隔內流體總量的儀表，簡單

19、來說就是用于測量管道或明渠中流體流量的一種儀表。在數字流量控制系統中常用的有差壓式流量計、渦輪流量計、電磁流量計等。數字流量控制系統的核心部件是微處理器，現在大多采用與工業(yè)標準的mcs-5l指令集和輸出管腳相兼容的mcs-51系列單片機5。電動閥門是流量控制的執(zhí)行元件，在目前市場上用作流量控制的電動閥門主要有兩種，一是步進電機，另外一種是電磁閥。利用步進電機作為執(zhí)行元件時，控制模塊根據所測的流量與給定流量比較，決定閥芯動作方向，并發(fā)出控制脈沖，驅動步進電機，使其帶動閥芯轉動，通過改變節(jié)流面積，即可達到控制出流量的目的5 6。利用電磁閥作為執(zhí)行元件時，主要由控制模塊輸出觸發(fā)信號控制電磁閥的開閉，

20、磁閥是用電磁效應進行控制，主要的控制方式由繼電器控制。按照閥門的種類，數字閥主要可以分為兩類：增量式數字閥與高速開關式數字閥。增量式數字閥，即步進電機式的數字閥，這一類產品在上世紀八十年代末至九十年代占據了液壓數字閥領域的主流，國外的日本東京計器公司開發(fā)了全系列的液壓數字閥，其中包括數字壓力閥、數字流量閥以及數字比例方向閥等，我國當時的廣研所也是積極開展研究的知名單位之一。而高速開關數字閥即電磁閥，其應用到目前為止已經很多，從數量看已超過增量式數字閥，但其性能的提高至今仍處在研發(fā)過程，在上世紀八十年代，浙江大學、北京理工大學等院校就進行了很多的相關研究7。近十年來控制閥技術的發(fā)展十分迅速，以數

21、字式閥門定位器為核心的控制閥數字解決方案，極大提升了控制閥使用性能，使之有了一個質的飛躍，進而成為工業(yè)生產的智能設備。利用智能化控制閥（數字式閥門定位器）自帶閥位（行程）、輸出、氣源等參量傳感器直接進行狀態(tài)監(jiān)測，以故障識別、邏輯思維推理、魯棒性的廣義專家系統進行在線預測性維護，提升并維持了性能，減少了運行故障和提高了使用壽命，對工業(yè)生產有顯著的經濟效益。在現階段，控制閥技術的發(fā)展趨勢是“三高”，即高集成、高性能、高智能8。本課題對于數字流量控制閥的研究設計只是作為基礎性設計，利用單片機作微處理器，力爭用最低的成本和最簡的結構，而且易于控制來實現數字流量控制閥的功能。1.5 研究的主要內容1.根

22、據條件和參數選取合適的流量計，研究利用單片機對流量計輸出信號的采集和處理的問題；2.設計數碼管顯示和鍵盤輸入接口電路，用來設定和顯示流量值；3.設計最優(yōu)的控制方案并編制成程序，通過對輸入信號的處理實現對電動閥門的控制；4.設計閥門機械結構，作為流量閥的執(zhí)行單元，力求簡單易用；2 數字流量閥的總體方案設計 數字流量閥的控制系統主要包括三個部分：輸入部分，控制部分，輸出部分。其中輸入部分主要用來設定給定流量值和輸入當前管道流量大小，所以輸入部分包括兩個模塊即流量傳感器輸入模塊和鍵盤輸入模塊；控制部分是整個控制系統的核心，本課題用單片機最小系統作為系統的控制模塊；輸出部分的作用是顯示設定的流量值和當

23、前管道流量大小，以及控制閥門工作，本課題擬采用數碼管作為顯示器，用步進電機轉動來控制閥門即增量式數字閥，所以輸出部分包括顯示模塊和執(zhí)行模塊。 綜上所述，本課題研究的基于單片機的數字流量控制閥系統結構模塊總體框圖如圖2.1所示。圖2.1 系統模塊框圖2.1 單片機的選擇 單片機是整個控制系統的核心，其主要作用是接收來自流量傳感器的信號，通過相應的運算和處理，輸出數字信號對步進電機進行控制，所以選取合適的單片機對于整個數字流量閥的正常工作至關重要。根據實際需要和本課題的要求，選取單片機應該依據性價比高，功耗低，性能可靠穩(wěn)定的原則。2.1.1 mcs-51系列單片機概述 20世紀80年代以來，單片機

24、的發(fā)展非常迅速。就通用單片機而言，世界上一些著名的計算機廠家已投放市場的產品就有幾十個系列，數百個品種。盡管單片機的種類很多，但是在我國使用最多的是intel公司的mcs-51系列單片機及其增強型、擴展型的衍生機型。intel公司繼1976年推出mcs-48系列8位單片機之后，又于1980年推出了mcs-51系列高檔8位單片機，是最早進入國內的單片機主流品種之一，至今30多年來，51系列單片機經久不衰，并得到了極其廣泛的應用。 近些年來，世界上很多大半導體公司都生產以8051為內核的單片機，如atmel/phlips/sst公司的at89/p89/stc89系列。這些廠家生產的芯片是mcs-5

25、1系列的兼容產品，準確的說是與mcs-51指令系統兼容的單片機。這些兼容機與8051的系統結構相同，采用cmos工藝，因而常用80c51系列來稱呼所有具有8051指令系統的單片機，簡稱51系列單片機。51系列單片機有多種型號的產品，如普通型80c51、80c31、87c51和89c51等，增強型80c32、80c52、87c52和89c52等。它們的結構基本相同，其主要差別反映在存儲器的配置上，其中80c51內部設有4kb的掩膜rom程序存儲器，51增強型的程序存儲器為普通型的2倍9- 11。 8051單片機包含中央處理器（cpu）、程序存儲器(rom)、數據存儲器(ram)、定時/計數器、i

26、/o接口、串行接口和中斷系統等幾大單元及數據總線、地址總線和控制總線等三大總線，其內部結構框圖如圖2.2所示。圖2.2 8051單片機結構框圖2.1.2 stc89c52rc單片機簡介stc89c52rc單片機是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強抗干擾的高性能cmos8位單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，是8051系列單片機的增強型一種。在單芯片上，擁有靈巧的8 位cpu 和在系統可編程flash，使得stc89c52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。 stc89c52rc單片機具有以下標準功能：8k字節(jié)flash，512字節(jié)ram，32位i/o 口線，看門狗

27、定時器，內置4kb eeprom，max810復位電路，三個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口。另外stc89c52rc可降至0hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，cpu停止工作，允許ram、定時器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，ram內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止，最高運作頻率35mhz，6t/12t可選。stc89系列單片機是國產芯片，價格比較便宜，與其他品牌單片機相比性價比高，stc89c52rc參數和性能均滿足本課題的要求，而且該單片機通用常見，運用廣泛，因此選擇stc89c52r

28、c單片機作為數字流量閥的控制核心。2.1.3 stc89c52rc單片機引腳功能介紹圖2.3 stc89c52rc單片機引腳圖 如圖2.3所示，pdip封裝的stc89c52rc單片機有40個引腳，主要引腳功能如下： vcc（40引腳）：電源電壓。 vss（20引腳）：接地。 p0端口（p0.0p0.7，3932引腳）：p0口是一個漏極開路的8位雙向i/o口。作為輸出端口，每個引腳能驅動8個ttl負載，對端口p0寫入“1”時，可以作為高阻抗輸入。在訪問外部程序和數據存儲器時，p0口也可以提供低8位地址和8位數據的復用總線，此時，p0口內部上拉電阻有效。在flash rom編程時，p0端口接收指

29、令字節(jié)，而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)，要求外接上拉電阻。 p1端口（p1.0p1.7，18引腳）：p1口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向i/o口。p1的輸出緩沖器可驅動4個ttl輸入。對端口寫入1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。p1口作輸入口使用時，因為有內部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會輸出一個電流。此外，p1.0和p1.1還可以作為定時器/計數器2的外部技術輸入（p1.0/t2）和定時器/計數器2的觸發(fā)輸入（p1.1/t2ex），在對flash rom編程和程序校驗時，p1接收低8位地址。 p2端口（p2.0p2.7，2128引腳）：p2口是一個帶內部上拉電阻的

30、8位雙向i/o端口。p2的輸出緩沖器可以驅動4個ttl輸入。對端口寫入1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時可用作輸入口。p2作為輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數據存儲器時，p2送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數據存儲器時，p2口引腳上的內容，在整個訪問期間不會改變。在對flash rom編程和程序校驗期間，p2也接收高位地址和一些控制信號。 p3端口（p3.0p3.7，1017引腳）：p3是一個帶內部上拉電阻的8位雙向i/o端口。p3的輸出緩沖器可驅動4個ttl輸入。對端口寫入1時，通過內部的上拉

31、電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。p3做輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸入一個電流。在對flash rom編程或程序校驗時，p3還接收一些控制信號。p3口除作為一般i/o口外，還有其他一些復用功能，如表2.1所示。表2.1 p3口引腳復用功能引腳號復用功能p3.0rxd（串行輸入口）p3.1txd（串行輸出口）p3.2int0（外部中斷0）p3.3int1（外部中斷1）p3.4t0（定時器0的外部輸入）p3.5t1（定時器1的外部輸入）p3.6wr（外部數據存儲器寫選通）p3.7rd（外部數據存儲器讀選通）rst（9引腳）：復位輸入。當輸入連續(xù)兩個機器周期

32、以上高電平時為有效，用來完成單片機單片機的復位初始化操作。ale/prog（30引腳）：地址鎖存控制信號，是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在flash編程時，此引腳也用作編程輸入脈沖。psen（29引腳）：是外部程序存儲器選通信號。當stc89c52rc從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，psen在每個機器周期被激活兩次，而訪問外部數據存儲器時，psen將不被激活。ea/vpp（31引腳）：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000h到ffffh的外部程序存儲器讀取指令，ea必須接gnd。加密方式1時，ea將內部鎖定位reset。為了執(zhí)行內部程序指令，ea應該接vcc。在fla

33、sh編程期間，ea也接收12伏vpp電壓。xtal1（19引腳）：振蕩器反相放大器和內部時鐘發(fā)生電路的輸入端。xtal2（18引腳）：振蕩器反相放大器的輸入端。根據上述引腳介紹和前面的總體方案設計，可以對單片機i/o接口引腳進行分配，p0口作為數據輸出口連接數碼管的段碼，傳輸顯示數據，p1口作為矩陣鍵盤行列線的數據輸入接口，p2.0-p2.3作為控制信號輸出口用來連接步進電機驅動電路，控制步進電機轉動，p2.4-p2.7作為數碼管的位碼控制接口，另外p3.4/t0引腳即定時/計數器0的外部輸入引腳，與流量傳感器的數據輸出口連接，用來接收流量數據。2.2 流量傳感器的選擇 根據本課題設計要求，數

34、字流量閥的額定壓力為0.6mp，工作溫度050，所以選擇的流量傳感器要滿足這些工作條件，同時選取流量傳感器也要滿足測量精度高，結構簡單，性價比高等原則。2.2.1 常用流量傳感器的介紹 流量測量方法和儀表的種類繁多, 分類方法也很多。至今為止, 可供工業(yè)用的流量儀表種類達數種之多，品種如此之多的原因就在于至今還沒找到一種對任何流體、任何量程、任何流動狀態(tài)以及任何使用條件都適用的流量儀表。按照目前最流行、最廣泛的分類法,常用的流量傳感器有容積式、渦輪式、差壓式、電磁式等。下面對各種流量傳感器的優(yōu)缺點進行簡單介紹： 容積式：優(yōu)點是計量精度高，安裝管道條件對計量精度沒有影響，可用于高粘度液體的測量，

35、測量范圍度寬，無需外部能源可直接獲得累計總量, 操作簡便；缺點是結果復雜, 體積龐大，被測介質種類、口徑、介質工作狀態(tài)局限性較大，不適用于高、低溫場合，大部分儀表只適用于潔凈單相流體，產生噪聲及振動。渦輪式：優(yōu)點是結構簡單，流通能力大，可適應高溫、高壓和低溫的測量需要，測量精確度較高，測量范圍寬，動態(tài)響應好，壓力損失較小；其缺點是對被測介質清潔度要求較高, 不能長期保持校準特性，流體的溫度、黏度、密度對測量精確度有較大影響，適宜測量比較潔凈的低黏度液體。差壓式：優(yōu)點是結構簡單、牢固，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長，應用范圍廣泛；缺點為：測量精度普遍偏低，測量范圍窄，一般僅3141，現場安裝條件要求高

36、( 上下游需有足夠長的直管段長度等)，壓力損失大( 指孔板、噴嘴等)。電磁式：優(yōu)點是適用于測量含固體顆粒的液固二相流體(如紙漿、泥漿、污水等)，沒有壓力損失，所測體積流量不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導率的影響，測量范圍大，口徑范圍寬，測量精度比較高，可測量瞬時脈動流量；缺點是：它不能測量電導率很低的液體(如石油制品)，不能測量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體，不能用于測量較高溫度的介質，易受外界電磁干擾12-16。綜上所述，渦輪式的流量傳感器可以很好的滿足本課題的流量測量要求，與其他種類的流量傳感器相比結構簡單，精度較高，而且價格便宜，所以本課題選擇渦輪式流量傳感器。2.2.2 zl-fe

37、-4流量計基本參數zl-fe-4流量計的流量參數和電氣參數如表2.2和表2.3所示。表2.2 zl-fe-4流量參數介質水介質溫度0 120流量范圍125l/m最佳流量范圍215l/m流量計算（脈沖數/升）420450pcs/l精度±5%使用溫度范圍0120使用壓力范圍1.2mpa表2.3 zl-fe-4電氣參數使用電壓4.512vdc額定電流10ma最大輸出控制電壓24vdc最大輸出控制電流15ma根據上表的參數可以看出，此流量傳感器可以滿足設計的要求，而且其輸出信號是脈沖信號（方波，高電平大于4v，低電平小于0.7v），不需要通過模數轉換即可直接輸入到單片機，它主要應用于水控機、

38、凈水機、自動流量控制機械等領域，所以本課題數字流量控制閥的流量傳感器選擇的是zl-fe-4型渦輪流量計。2.3 步進電機的選擇2.3.1 步進電機概述 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制，在非超載的情況下，電機的轉

39、速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。現在比較常用的步進電機有四種，包括反應式步進電機（vr）、永磁式步進電機（pm）、混合式步進電機（hb）和單相式步進電機等17-19。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度； 反應式步進電機一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利

40、用磁導的變化產生轉矩。 混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度，目前這種步進電機的應用最為廣泛20。2.3.2 28byj48型步進電機簡介 28byj48型步進電機是永磁式減速步進電機，電壓為dc5vdc12v。當對步進電機施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉動。每一個脈沖信號對應步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應轉子轉過一個步距角。當通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉子轉過一個齒距。四相步進電機可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（a-b-c-d-

41、a···），雙（雙相繞組通電）四拍（ab-bc-cd-da-ab···），八拍（a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a···），其四相八拍驅動方式和內部結構原理圖如圖2.4所示。圖2.4 28byj48型步進電機四相八拍驅動方式原理圖 28byj48型步進電機主要參數如表2.4所示。表2.4 28byj48型步進電機主要技術參數電壓v步距角度減速比起動轉矩100p.p.sg.cm起動頻率p.p.s定位轉矩g.cm噪聲db12v5.625/641:6430055030035 根據流量計的尺寸大小以及設計

42、條件，選擇這一型號的步進電機可以滿足控制閥門的要求。2.4 本章小結 本章闡述了數字流量閥的總體設計思路與模塊，對單片機相關知識的了解和各引腳功能的熟悉有助于接下來的硬件電路和軟件程序的設計，選擇適合的單片機、流量傳感器和步進電機，對于整個數字流量閥的設計至關重要，是進一步研究和設計的基礎。3 數字流量閥的硬件電路設計3.1 單片機的復位和時鐘電路 由2.1.3節(jié)中所介紹的，完成單片機的復位初始化需要在單片機rst（9引腳）輸入連續(xù)兩個機器周期以上高電平，而單片機的時鐘信號是由晶振提供的，他結合單片機內部電路產生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片

43、接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。通常一個系統共用一個晶振，便于各部分保持同步。在本設計中，單片機的晶振頻率選擇的是11.0592mhz。時鐘振蕩信號的輸入端口是xtal1（19引腳）和xtal2（18引腳）。單片機的復位和時鐘電路如圖3.1所示。圖3.1 單片機的復位和時鐘電路3.2 矩陣鍵盤電路采用矩陣鍵盤完成預設流量值的輸入，矩陣鍵盤占用接口較少，結合本設計要求，需要09十個數字鍵和“確定”、“返回”兩個功能鍵，輸入按鍵數比較多，因此采用4*3矩陣鍵盤，占用i/o接口較少，只需要一個端口（如p1口）就可以構成輸入系統。如圖3.2所示，采用4條i/o線作為行線，3條i/

44、o線作為列線組成的鍵盤陣列，按鍵設置在行線和列線的交叉點上，這樣就構成了矩陣式鍵盤。單片機通過讀取鍵盤狀態(tài)由鍵盤處理程序得到不同按鍵的特征編碼，根據設定的鍵號和鍵值對應關系，得到輸入值。圖3.2 矩陣鍵盤電路3.3 數碼管顯示電路3.3.1 數碼管工作原理簡介在單片機系統中，常用led數碼管來顯示各種數字或符號。由于它具有價錢低廉，性能穩(wěn)定，顯示清晰，亮度高，使用電壓低，壽命長等特點，所以應用非常廣泛。led數碼管的結構簡單，分為七段和八段兩種形式，也有共陽和共陰之分。以八段共陰管為例，它有8個發(fā)光二極管(比七段多一個發(fā)光二極管，用來顯示“·”)，每個發(fā)光二極管的陰極連在一起，如圖3

45、.3所示。這樣，一個led數碼管就有1根位選線和8根段選線，要想顯示一個數值，就要分別對它們的高低電平來加以控制。一般的顯示電路由多個數碼管構成， n個數碼管可以構成n位led顯示器，共有n根位選線和8n根段選線。依據位選線和段選線的連接方式的不同， mcs-51系列單片機對led顯示管的顯示主要有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示器的各筆畫段都要獨占具有鎖存功能的輸出口，cpu把要顯示的字形碼送到輸出口上，就可以使顯示器顯示出所需要的字符，直到下一次送出另外一個字形碼之前，顯示的內容不會消失。靜態(tài)顯示法的優(yōu)點是顯示穩(wěn)定、亮度大，節(jié)約cpu時間，但占有io口線較多，硬件成

46、本高。動態(tài)掃描顯示法是把所有顯示器的8個筆畫段ah的各個相同端互相連接在一起，接到一個輸出口上，而顯示器的公共端com分別接在另外的輸出口上，通過這兩個輸出口的兩組信號相互作用來產生顯示效果，即讓各位數碼管按照一定順序輪流顯示，顯示時間不能太長一般為110ms，依次循環(huán)掃描，輪流顯示，由于人眼的“視覺暫留”現象，就觀察不到閃爍現象，而是連續(xù)穩(wěn)定的顯示，其特點在于能顯著降低顯示部分成本，大大減少顯示接口的連線結構，易于編程21-23。圖3.3 數碼管原理圖3.3.2 四位八段共陰數碼管的電路設計 根據上一節(jié)的介紹，共陰數碼管公共端接低電位，ah接數據輸入端。本設計選取的數碼管是四位八段共陰數碼管

47、，采用的是動態(tài)掃描顯示，因此需要與單片機連接有8個段碼數據輸出i/o接口，4個位碼控制i/o接口。在本設計中位碼控制是通過控制三極管基極電位來控制三極管的導通截止，從而來控制數碼管的亮和熄滅。硬件電路設計如圖3.4所示。圖3.4 數碼管顯示電路3.4 步進電機驅動電路因為步進電機需要的驅動電流很大，所以單片機輸出引腳不能直接驅動電機轉動，必須經過功率放大電路將單片機的弱電流信號放大成強電流信號，所以單片機與步進電機之間必須有一個功率放大電路即電機驅動電路。 3.4.1 uln2003芯片介紹uln2003是高耐壓、大電流復合晶體管陣列，由七個硅npn 復合晶體管組成，多用于單片機、智能儀表、p

48、lc、數字量輸出卡等控制電路中，可直接驅動繼電器等負載，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點,適應于各類要求高速大功率驅動的系統。uln2003內部電路有如下特點：uln2003 的每一對達林頓都串聯一個2.7k的基極電阻,在5v的工作電壓下它能與ttl和cmos電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。uln2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500ma，并且能夠在關態(tài)時承受50v 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。uln2003芯片引腳圖如圖3.5所示。圖3.5 uln2003芯片引腳圖uln2003芯片各引腳介紹如下：引腳1-7：c

49、pu脈沖輸入端，每個端口對應一個信號輸出端。引腳8：接地。引腳9：該腳是內部7個續(xù)流二極管負極的公共端，各二極管的正極分別接各達林頓管的集電極。用于感性負載時，該腳接負載電源正極，實現續(xù)流作用。如果該腳接地，實際上就是達林頓管的集電極對地接通。引腳10-16：脈沖信號輸出端，分別對應引腳7-1信號輸入端。3.4.2 步進電機驅動電路設計 根據上一節(jié)的介紹，通過使用uln2003芯片可以不用單獨設計功率放大電路，大大簡化了電路的結構設計，同時也提高了控制系統的穩(wěn)定性。單片機的驅動信號由p2.0-p2.3輸出，分別連接至uln2003芯片的1-4引腳，然后由13-16引腳輸出。電路設計圖如圖3.6

50、所示。圖3.6 步進電機驅動電路3.5 本章小結本章完成了數字流量閥的硬件電路設計，設計了矩陣鍵盤、數碼管顯示和步進電機驅動與單片機的接口電路，電路的設計與各接口引腳的確定，為之后的軟件編程打下了基礎，是數字流量控制閥結構設計中的重要一環(huán)。4 數字流量閥的閥門結構設計4.1 閥門的結構設計 在本設計中，閥門的結構很簡單，由閥體和閥芯兩部分構成。如圖4.1所示。圖4.1 閥門結構示意圖 閥芯與閥體之間通過螺紋連接，閥芯通過步進電機的帶動而轉動，它們之間的連接通過一個機械轉換結構，即將步進電機的轉動轉換為閥芯的直線位移，這里省略了這個結構，用一個連接槽來代替，排水通道的作用是當閥門完全關閉時排出螺

51、孔內的積水。4.1.1 閥體 閥體是閥門的主體結構，它固定安裝在管道之中，水流通過閥體從左端流入右端流出。閥體的設計應在保證強度的前提下盡可能結構簡單，便于安裝，這樣不僅可以減小體積，還可以節(jié)省成本。閥體的尺寸結構如圖4.2所示。圖4.2 閥體三視圖4.1.2 閥芯 閥芯是閥門的另一個組成部分，它是一個可動部件，其主要作用就是改變閥體的通流面積。閥芯的主體是一個m14的螺栓，另一端與步進電機連接，通過步進電機的轉動而旋轉，從而能產生上下位移。閥芯的設計是盡量按照螺紋零件結構的國家標準設計，這樣便于生產加工，降低了生產成本，并且能夠批量生產。閥芯結構尺寸如圖4.3所示。圖4.3 閥芯結構尺寸圖其

52、中螺栓螺紋為普通細牙螺紋，螺距p為1mm，即閥芯每旋轉一圈，閥芯上下移動的行程為1mm，閥芯與閥體連接即構成了一個很簡單的閥門結構2425。4.2 閥門的工作原理與分析4.2.1 閥門的工作原理數字流量閥的閥門工作原理如圖4.4所示。圖4.4 閥門工作原理圖 水流經過閥體，管道截面是一個圓，直徑為12mm，閥芯直徑為14mm，閥芯截面是一個寬14mm的矩形，因此閥芯剛好完全擋住管道水流。當閥門工作時，如果測到的水流量比需要的流量大，則單片機會控制步進電機轉動，步進電機左轉帶動閥芯左旋，由于閥體和閥芯是螺紋連接，閥芯會向下移動，旋轉一圈的上下行程為1mm，閥芯的向下移動使管道截面面積減小，從而流

53、量減小。同理，當所測的流量值小于需要的流量時，單片機控制步進電機右旋，從而閥芯向上移動，通流面積增大，流量變大。 流量閥的工作完全由數字信號控制，通過輸出脈沖控制步進電機轉動，脈沖個數與電機所轉圈數成正比例關系，這樣就建立了脈沖個數與閥芯上下偏移量的一個線性關系，實現了數字流量閥的精確控制。而且這樣設計閥門與轉閥相比，避免了步進電機直接受到流體的力矩作用，即閥芯不是直接通過旋轉多少角度來控制通流截面開度，閥芯所受到的主要是平行于水流方向的剪切力，理論來上說不管水流量有多大，所受壓力有多強，步進電機帶動閥芯轉動所需的扭矩都是一定的，這樣不僅可以保護電機不受到損壞，而且不需要選擇扭矩和功率很大的步

54、進電機即可實現控制，很大的降低了數字閥的成本。4.2.2 閥門的特性分析 由上一節(jié)分析知道，通流截面的面積大小是由閥芯的上下偏移量改變的，所以可以通過數學關系分析閥芯行程h與通流截面積s的關系，如圖4.5所示。圖4.5 偏移量h與通流截面的關系 假設閥門初始狀態(tài)是全關閉，即h=0，此時通流面積（圖中陰影部分）s=0。 當閥芯向上偏移h時，會有h>r和h<r兩種情況，r為管道截面半徑，這兩種情況下通流截面積的計算方法不同。 當h>r時：cos= (4-1) s=+rsin(h-r) (4-2) 由式（4-1）可得：=arccos (4-3） 將式（4-3）帶入（4-2）即可得到

55、通流面積: s=+rsin(arccos)*(h-r) (4-4) 當h<r時：cos= （4-5） s=-rsin(r-h) （4-6） 同理，由（4-5）可以得到=arccos (4-7） 將式（4-7）帶入（4-6）即可得到通流面積: s=-rsin(arccos)*(r-h) (4-8) 而當h=12mm時，閥門全開，通流截面積s=113.1mm2此時管道流量值為最大，預設流量值不能大于最大流量值。4.3 本章小結 本章設計了數字流量閥的閥體結構，闡述了數字閥的工作原理，并通過計算得到了閥門控制與通流截面積直接的關系，所設計的閥門結構簡單合理，符合課題的設計要求。5 數字流量閥的控制方案與軟件設計5.1 數字流量閥的控制方案設計5.1.1 數字流量閥的控制方式本設計控制方案設計基本思路是反饋控制。反饋控制是指將系統的輸出信息返送到輸入端，與輸入信息進行比較，并利用二者的偏差進行控制的過程。在控制系統中，如果返回的信息的作用是抵