1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于单片机的电动阀门控制器的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 在 过程控制领域中， 电动 阀 门 扮演着十分重要的角色，而常规的模拟 电动 阀门 已经不能完全满足现代控制技术的要求，需要一种集微电 子技术、控制技术、通讯技术、软件技术和常规控制技术于一身的 新型 控制阀 门 来替代常规 电动 阀门 ，智能型 电动 阀就是这样一种产 品 。 本论文重点研究的是电动阀门控制器。选用单片微处理器 AT89S51和阀门控制理论，将限位开关、执行器、阀位反馈器、伺服放大器、控制
2、器 (包括控制、设定、显示、输入、输出 )、系统故障诊断与报警、操作器、变送器、传感器、通讯接口、电源等有机地结合成一体。 将先进的计算机通信技术应用于电动阀门的控制系统中，提出电动阀门控制系统设计的新方案，实现电动阀门的自动控制、主从分机之间的数字通信等功能 。 关 键词： 电动阀门；单片机；控制器 - 2 - Abstract In process control field, the electronic valve has a vary important Position. And the conventional electronic valve which is simulati
3、ng that cant satisfy the technology of control in modern times. It must be a new electric value, which is integration by microelectronic technique, control technique, communication technique, software technique and conventional technique to replace the conventional electric valve. The intelligent el
4、ectric valve control belongs to it. The key issue is the electric valve control. It used the AT89S51 chip microprocessor and intelligent control theory. It made limit switch, actuator, feedback valve, servo amplifier, control (include control, setup, display, input, output), the system failure diagn
5、osis with alarm, operation, transmitter, transducer, communication interface and power supply into one organic combination. It presented a new design scheme about the control system of the electric valves. Be used advanced computer communication technology in it. It achieved the automatic control of
6、 the electric valves and the figure communication between the principal and subordinate. Key Words: Electronic Valve; MCU; Controller - 3 - 目 录 1 引言 . 1 2 设计方案比较 . 2 2.1 方案比较 . 2 2.2 系统设计 . 3 3 硬件设计 . 5 3.1 微处理模块 . 5 3.1.1 AT89S51 最小系统 . 5 3.1.2 MAX813L 看门狗电路 . 6 3.2 指示灯驱动电路 . 7 3.3 电动机正反转电路 . 8 3.4
7、 节点信号电路 . 10 3.5 电源电路 . 11 3.6 A/D 转换器 . 12 4 软件设计 . 14 4.1 总体程序流程图 . 14 4.2 按键输入流程图 . 15 4.3 报警显示流程图 . 17 4.4 自动控制流程图 . 18 5 结论 . 23 致 谢 . 24 参考文献 . 25 附录 1 系统电路原理图 . 26 附录 2 部分源程序 . 27 - 1 - 1 引言 阀门是管道系统中应用最广泛的执行机构，可以用来截断或调节管道系统中的介质流量，在工业生产和人民群众生活中发挥着重要的作用。目前，常用的调节阀门按其动力源的不同，可分为气动阀门、液压传动阀门和电动阀门。气动
8、阀门以压缩空气作为工作介质，进行动力传递和信号控制，具有防火、防爆、防电磁干扰 、抗振动冲击辐射、结构简单等优点，所以近年来发展很快。但是，这类阀门工作速度慢，压缩空气不容易获取，使得气动阀门的使用受到了限制。液压传动阀门是在帕斯卡静压传动原理上发展起来的，可以在传动介质体积较小的情况下，输出较大的力或力矩，容易实现功率的放大，其传动平稳，可以在高速下启动、制动、转向。但存在阀门体积较大，使用、安装、拆卸、维修困难等缺点，不便在较小功率场合下使用，所以，液压传动阀门的使用范围受到了限制。随着机电一体化技术的发展。电动阀门在工业生产中表现出巨大的优势，越来越多的应用到工业控制现场和民用自 动控制
9、系统中。电动阀门由阀门电动装置和阀门两部分组成，可以接受操作人员或自动装置的命令，自动截断管道中的介质流量。与气动阀门和液压传动阀门相比较，具有动作响应速度快、工作效率高、调速性能好、操作简便等优点。电动阀门从五十年代起就开始在我国工业中使用，每年需要数万台，但目前在工业现场大量使用的还是五、六十年代生产或设计的产品。随着时代的发展，这些产品在日益激烈的市场竞争中已经暴露出了许多劣势和不足，比如结构复杂、控制精度低、缺乏完善的故障诊断、报警和处理装置 1。 本文重点研究的是电动阀门控制器选用单片微处 理器 AT89S51和智能控制理论，将限位开关、执行器、阀位反馈器、伺服放大器、控制器 (包括
10、控制、设定、显示、输入、输出 )、系统故障诊断与报警、操作器、变送器、传感器、通讯接口、电源等有机地结合成一体。 通过控制中心的命令信号和阀门实际工作的反馈信号，实现对阀门正转、反转、停转的闭环控制，还可以进行故障报告、应急处理、显示、键盘控制等功能 2。 - 2 - 2 设计方案比较 2.1 方案比较 电动阀门控制器可以选择两种控制方案，一种是基于 PLC 的电动阀门控制方案，一种是基于单片机的电动阀门控制方案。 PLC 方案： PLC 是建立在单片机之上的一种产品， PLC 有以下特点： 1. 可靠性高，抗干扰能力强 （ 1） 平均故障间隔时间长 。 （ 2） 故障修复时间（平均修复时间）
11、 。 2 通用性强，控制程序可变，使用方便 PLC 品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变 PLC 的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此， PLC 除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。 3 功能强，适应面广 现代 PLC 不仅有逻辑运算、计时、 计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。 4 编程简单，容易掌握 目前，大多数 PLC 仍采用继
12、电控制形式的 “ 梯形图编程方式 ” 。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读 PLC 的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同 时还提供了功能图、语句表等编程语言。 PLC 在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（ PLC内部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图- 3 - 程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。
13、5 减少了控制系统的设计及施工的工作量 由于 PLC 采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时， PLC 的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于 PLC 的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。 单片机方案： 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件： CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚
14、至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。 单片机的功耗小，速度高，成本低的优点，主要应用于微控制类。 PLC 虽然快捷方便，可靠性好，但成本高，主要用于工业 控制。因此根据设计任务的要求显然选择单片机的性价比要高于 PLC。 2.2 系统设计 本系统如图 2-1所示分为五大部分，第一部分：按键、拨码开关及限位开关；第二部分：微处理模块；第三部分：电机驱动电路及电机电路；第四部分：报警电路及指示灯电路；第五部分为串行通信及上位机显示。 单 片 机报 警 显 示电 动 机 驱 动电 路M A X 2 3 2 串 行 通信A T 8 9 S 5 1电 机 正 反 转指 示 灯
15、驱 动 电路按 键拨 码 开 关限 位 开 关 上 位 机 显 示图 2-1 阀门控制器总框图 第一部分由按键、拨码开关及限位开关组成 。按钮输入电路对应阀门控制器的前面板上的开、停、关三个按钮；拨码开关输入电路指的是用拨码开关来设定- 4 - 阀门控制器的 地址和波特率； 限位开关为电机运作过程中的行程位置控制开关。 第二部分为微处理模块。主要采用 AT89S51单片机为 CUP，时钟电路中采用12M晶振，复位电路中采用上位复位及手动复位两种复位方式。 第三部分为电机驱动电路及电机电路部分。 电动机正反转驱动电路 并采用 光耦合器隔离从而控制阀门的开启和关闭。 第四部分为报警电路及指示灯电路
16、。报警电路采用 MAX813L看门狗电路芯片来监控电源电压、电池故障和微处理器的工作状态；指示灯电路采用阀门控制器的面板上的三个指示灯（分别为红 -开足、黄 -故障、绿 -关足）。采用光 耦合器隔离，由晶体管 9013和继电器驱动 3。 - 5 - 3 硬件设计 3.1 微处理模块 本系统的微处理器采用 AT89S51 芯片， 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位 单片机 ，片内含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指
17、令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案 4。 3.1.1 AT89S51 最小系统 图 3-1 单片机最小系统 单片机要正常运行必须具备一定的硬件条件，其中最主要的就是三个基本条件： 1.工作电源； 2.时钟电路； 3 复位电路。图 3-1 为单片机最小系统的电路。 - 6 - 1、工作电源：电源是单片机工作的动力源泉，对应的接线方法为： 40 脚（ VCC）为电源引脚，工作时接 +5V 电源， 20 脚（ GND）接地。 2、时钟电路：时钟电路
18、为单片机产生时序脉冲，单片机所有运算与控制过程都是在统一的时序脉冲的驱动下进行的。当采用内部时钟时，连接 方法如图 3-1 所示，在晶振引脚 XTAL1（ 19 脚）和 XTAL2（ 18脚）引脚之间接入一个晶振，两个引脚对地分别再接入一个电容即可产生所需的时钟信号，电容的容量一般在几十皮法，如 30pF。 3、复位电路：在引脚（ 9 脚）持续出现 24个震荡器脉冲周期（即 2个机器周期）的高电平信号将使单片机复位。如图 3-1所示电容 C 和电阻 R构成了单片机上电自动复位电路，复位后，单片机从 0000H 单元开始执行程序，并初始化一些专用寄存器为复位状态值。 4、 控制引脚 EA： EA
19、/VPP（ 31）为内外程序存储器选择控制引脚，当 EA 为低电位 时，单片机从外部程序存储器取指令；当 EA 接高电平时，单片机从内部程序存储器取指令 5。 3.1.2 MAX813L 看门狗电路 1、 基本功能和引脚： MAX813L 是一组 CMOS 监控电路，能够监控电源电压、电池故障和微处理器（ MPU 或 MP）或微控制器（ MCU 或 MC）的工作状态。 M RV C CG N DP F IW D OR E S E TW D IP F O12348765图 3-2 MAX813L 引脚排列 MAX813L 的引脚如图 3-2所示。引脚功能如下： /MR 为手动复位输入端 ,低电平有效； CCV 、 GND 分别为电源端和地端； PFI 为电源故障输入端； /PFO 为电源故障输出端； WDI 为看门狗输入端； /RESET 为复位输出端； /WDO 为看门狗输出
