基于單片機(jī)的數(shù)字流量控制閥的結(jié)構(gòu)與控制設(shè)計(jì)

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(shuí)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(mǎi)膊閏逾藩得柔然陡你肌些賂苫癢災(zāi)救吭亢行腿織舅巫豆釘丈乃餅堂關(guān)液氛妝滬遇立罪邊廷磨醋悟聲贈(zèng)悶撲涵漆朱掄猾靖灑蘿瑯衡也沒(méi)每馭渙菩軍惋劑眺迄威敢轟沒(méi)墨雕遷屎奮憂機(jī)豈榆粉姬死調(diào)廖顫泊恰惺鞠窟伐錠碑孰撩邵篷炙領(lǐng)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(bào)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(bǔ)濾+畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)基于單片機(jī)的數(shù)字流量控制閥的結(jié)構(gòu)與控制設(shè)計(jì)機(jī)電工程學(xué)院學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)：

2、 探測(cè)制導(dǎo)與控制技術(shù)學(xué) 院： 焦國(guó)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(gè)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(nèi)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(wèn)衫欠逸善咯坦攘終鳳簽禹父莽架優(yōu)蜒潦嘩噸剔畫(huà)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(rèn)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(jī)的數(shù)字流量控制閥的結(jié)構(gòu)與控制設(shè)計(jì)

3、倒寫(xiě)示鼠埂甲倫樹(shù)倪懊銷磷紳粒氨弊鴛愛(ài)血借嶄蹬壺苯淺埠靈斂訊瓊愚薛宙四蒲橙礁劣嘯箋協(xié)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(yù)臆委斜屋東荔卷紀(jì)口韋灌隙環(huán)寵瞧詣沽濃踢鈍諸局很魏策銥陣喜蜒抑場(chǎng)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(huà)搞呀饅子責(zé)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(cè)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(yíng)硬纓好場(chǎng)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(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)基于單片機(jī)的數(shù)字流量控制閥的結(jié)構(gòu)與控制設(shè)計(jì)機(jī)電工程學(xué)院學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)：

4、 探測(cè)制導(dǎo)與控制技術(shù)學(xué) 院： 焦國(guó)太專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 2012年6月基于單片機(jī)的數(shù)字流量控制閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制研究摘要隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代工業(yè)數(shù)字化的發(fā)展要求，在流量控制領(lǐng)域出現(xiàn)了數(shù)字式流量控制閥技術(shù)，并且得到了迅速發(fā)展。而如何降低數(shù)字閥的成本，提高控制精度，簡(jiǎn)化數(shù)字閥結(jié)構(gòu)成為當(dāng)前數(shù)字閥研究的主要方向。本設(shè)計(jì)用mcs-51系列中的stc89c52rc單片機(jī)作為控制核心，以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件設(shè)計(jì)了一個(gè)低成本，高可靠性的增量式數(shù)字流量閥。通過(guò)矩陣鍵盤(pán)設(shè)定所需流量值，流量計(jì)讀取當(dāng)前管道流量，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的處理，輸出控制信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以改變閥口的通流面積，從而控制流量，并能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)

5、前流量狀況。在對(duì)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分析和設(shè)計(jì)數(shù)字流量閥的控制方案和程序。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，工作可靠，很好的實(shí)現(xiàn)了在給定條件下的功能。關(guān)鍵詞：數(shù)字流量控制閥，單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)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(shù)字流量閥的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.5 研究的主要內(nèi)容42 數(shù)字流量閥的總體方案設(shè)計(jì)52.1 單片機(jī)的選擇52.1.1 mcs-51系列單片機(jī)概述52.1.2 stc89c52rc單片機(jī)簡(jiǎn)介62.1.3 stc89c52rc單片機(jī)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(jì)基本參數(shù)112.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇112.3.1 步進(jìn)電機(jī)概述112.3.2 28byj48型步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介122.4 本章小結(jié)133 數(shù)字流量閥的硬件電路設(shè)計(jì)143.1

11、 單片機(jī)的復(fù)位和時(shí)鐘電路143.2 矩陣鍵盤(pán)電路143.3 數(shù)碼管顯示電路153.3.1 數(shù)碼管工作原理簡(jiǎn)介153.3.2 四位八段共陰數(shù)碼管的電路設(shè)計(jì)163.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路173.4.1 uln2003芯片介紹173.4.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)183.5 本章小結(jié)194 數(shù)字流量閥的閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)204.1 閥門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)204.1.1 閥體204.1.2 閥芯214.2 閥門(mén)的工作原理與分析224.2.1 閥門(mén)的工作原理224.2.2 閥門(mén)的特性分析234.3 本章小結(jié)245 數(shù)字流量閥的控制方案與軟件設(shè)計(jì)255.1 數(shù)字流量閥的控制方案設(shè)計(jì)255.1.1 數(shù)字流量閥的控制方式255

12、.1.2 單片機(jī)的工作方式255.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)265.3 本章小結(jié)266 結(jié)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(jī)實(shí)物圖41參 考 文 獻(xiàn)42致 謝441 緒論1.1 引言 基于單片機(jī)的數(shù)字流量控制閥是利用數(shù)字信號(hào)直接控制液流的流量的閥類，是集機(jī)電液為一體的自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)晶。在工業(yè)領(lǐng)域中流量控制是一種非常實(shí)用的控制系統(tǒng)，它的準(zhǔn)確控制在工業(yè)中隨處可見(jiàn)1，近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，把微處理器作為流量閥的控制單元變得簡(jiǎn)單而有效。本文主要以單片機(jī)作為控制單元控制步進(jìn)電機(jī)改變閥口的通流面積以達(dá)到控制流量的目的，實(shí)現(xiàn)利用數(shù)字信號(hào)

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(tǒng)屬于過(guò)程控制系統(tǒng)，它們大多數(shù)都屬于恒值控制系統(tǒng)或隨動(dòng)系統(tǒng)。工業(yè)生產(chǎn)中的過(guò)程控制是流量測(cè)量與儀表應(yīng)用的一大領(lǐng)域，流量與溫度、壓力和物位一起統(tǒng)稱為過(guò)程控制中的四大參數(shù)，人們通過(guò)這些參數(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視與控制。對(duì)流體流量進(jìn)行正確測(cè)量和調(diào)節(jié)是保證生產(chǎn)過(guò)程安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低物質(zhì)消耗、提高經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理的基礎(chǔ)。流量的檢測(cè)和控制在化工、能源電力、冶金、石油等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛2。例如在電廠里常見(jiàn)的生產(chǎn)蒸汽的設(shè)備鍋爐，需要維持鍋爐液位為正常標(biāo)準(zhǔn)值，這就需要對(duì)鍋爐進(jìn)水量進(jìn)行控制，使鍋爐設(shè)備安全運(yùn)行3。又如在化工生產(chǎn)過(guò)程中，需要控

14、制化工原料投放速度，避免投料過(guò)快或過(guò)慢，影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率等，這些都是流量控制閥在工業(yè)生產(chǎn)中的具體應(yīng)用。在常規(guī)的流量控制系統(tǒng)中，多采用人工控制流量閥來(lái)控制流量大小，這種控制方式在工業(yè)生產(chǎn)中生產(chǎn)效率低、成本高，已經(jīng)越來(lái)越不適應(yīng)更高的生產(chǎn)條件和控制要求。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，把微處理器作為流量閥的控制單元變得簡(jiǎn)單而有效。微處理器作為數(shù)字閥的組成部分，其優(yōu)點(diǎn)是降低成本和提高可靠性，并給系統(tǒng)帶來(lái)許多必要的特性，如計(jì)算和編程的功能，與計(jì)算機(jī)直接連接無(wú)需模數(shù)轉(zhuǎn)換等3。因此為了適應(yīng)當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化與數(shù)字化發(fā)展的要求，以及對(duì)于傳統(tǒng)流量控制方式的改進(jìn)，對(duì)于數(shù)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(shù)字流量控制閥可以對(duì)流量進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，具有響應(yīng)速度快，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能克服人力手動(dòng)控制的諸多局限性，并且應(yīng)用廣泛，特別是在大批量需要流量控制的場(chǎng)合，數(shù)字流量控制閥能夠很大的節(jié)約生產(chǎn)成本和管理費(fèi)用，這使數(shù)字流量控制能夠在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、管道輸送等領(lǐng)域成為不可替代的一項(xiàng)重要技術(shù)。但是由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)以及工藝條件等原因，目前市場(chǎng)上的部分?jǐn)?shù)字流量閥與國(guó)外先進(jìn)水平相比還是有很大的差距，同等規(guī)格下的產(chǎn)品在性能參數(shù)、可靠性、精確度等方面不及國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品，而且大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作不便，性價(jià)比低，對(duì)于數(shù)字流量閥的這些缺點(diǎn)和不足之處，本課題設(shè)計(jì)的數(shù)字流量控制閥應(yīng)該滿足以下幾個(gè)要求：1.降低成本，

16、低成本有利于產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，所以本設(shè)計(jì)需要注意的一個(gè)重要方面就是降低成本；2.提高精度，高精度是數(shù)字流量閥與普通流量閥巨大優(yōu)勢(shì)所在，所以設(shè)計(jì)中應(yīng)該保持控制精度，突出數(shù)字流量閥的優(yōu)點(diǎn)；3.操作方便，這也是數(shù)字流量閥與一般控制閥門(mén)巨大區(qū)別之一，本設(shè)計(jì)要求只需按鍵設(shè)定流量值，然后由控制系統(tǒng)處理，自動(dòng)完成控制，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化操作；4.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與現(xiàn)今市場(chǎng)上的數(shù)字流量閥相比，設(shè)計(jì)應(yīng)該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采取模塊化設(shè)計(jì)有利于系統(tǒng)維護(hù)； 以上所述也即是本課題研究的目的和意義所在。1.4 數(shù)字流量閥的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)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(mén)都是通過(guò)將電轉(zhuǎn)換為模擬量來(lái)控制壓力、流量和方向。

17、它們不能直接接受計(jì)算機(jī)的數(shù)字控制信號(hào)，而是需要通過(guò)比較昂貴的模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)控制還需要安裝位置和速度檢測(cè)器等，使用操作比較復(fù)雜。自1981年第十屆國(guó)際流體動(dòng)力博覽會(huì)上首次展出數(shù)字閥以來(lái)，發(fā)展很快。我國(guó)1987年在北京由中國(guó)科學(xué)技術(shù)交流中心舉辦的展覽會(huì)上，第一次展出了數(shù)字閥，這是北京鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院研制的4。數(shù)字閥的出現(xiàn)使電腦直接實(shí)行流量控制成為可能。目前市面上流量控制系統(tǒng)發(fā)展的已經(jīng)比較成熟，但是數(shù)字流量控制閥生產(chǎn)成本較高，雖然控制精度和可靠性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他閥門(mén)種類，但是由于性價(jià)比不高，在一般的流量控制領(lǐng)域應(yīng)用不是很廣泛。應(yīng)用比較普遍的流量閥還是功能單一，半數(shù)字化閥

18、門(mén)，控制方式主要是依靠物理原理進(jìn)行控制。例如在供暖以及空調(diào)系統(tǒng)中常用的流量控制系統(tǒng)自力式流量控制閥，它是一個(gè)新的調(diào)節(jié)閥種類，相對(duì)于手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，它的優(yōu)點(diǎn)是能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)，但是自力式流量閥從結(jié)構(gòu)上說(shuō)是一個(gè)雙閥組合，即由一個(gè)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組和自動(dòng)平衡閥組組成，手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組的作用是設(shè)定流量，自動(dòng)平衡閥組的作用是維持流量恒定，所以從本質(zhì)上講自力式調(diào)節(jié)閥主要是通過(guò)物理穩(wěn)壓實(shí)現(xiàn)控制。具有完全意義上的利用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行流量控制的系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用還不是很廣泛，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的數(shù)字流量控制閥的研究可以發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)大都主要包括三個(gè)部分，即流量計(jì)，控制系統(tǒng)，電動(dòng)閥門(mén)。流量計(jì)是指示被測(cè)流量和在選定的時(shí)間間隔內(nèi)流體總量的儀表，簡(jiǎn)單

19、來(lái)說(shuō)就是用于測(cè)量管道或明渠中流體流量的一種儀表。在數(shù)字流量控制系統(tǒng)中常用的有差壓式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)等。數(shù)字流量控制系統(tǒng)的核心部件是微處理器，現(xiàn)在大多采用與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-5l指令集和輸出管腳相兼容的mcs-51系列單片機(jī)5。電動(dòng)閥門(mén)是流量控制的執(zhí)行元件，在目前市場(chǎng)上用作流量控制的電動(dòng)閥門(mén)主要有兩種，一是步進(jìn)電機(jī)，另外一種是電磁閥。利用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件時(shí)，控制模塊根據(jù)所測(cè)的流量與給定流量比較，決定閥芯動(dòng)作方向，并發(fā)出控制脈沖，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使其帶動(dòng)閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)改變節(jié)流面積，即可達(dá)到控制出流量的目的5 6。利用電磁閥作為執(zhí)行元件時(shí)，主要由控制模塊輸出觸發(fā)信號(hào)控制電磁閥的開(kāi)閉，

20、磁閥是用電磁效應(yīng)進(jìn)行控制，主要的控制方式由繼電器控制。按照閥門(mén)的種類，數(shù)字閥主要可以分為兩類：增量式數(shù)字閥與高速開(kāi)關(guān)式數(shù)字閥。增量式數(shù)字閥，即步進(jìn)電機(jī)式的數(shù)字閥，這一類產(chǎn)品在上世紀(jì)八十年代末至九十年代占據(jù)了液壓數(shù)字閥領(lǐng)域的主流，國(guó)外的日本東京計(jì)器公司開(kāi)發(fā)了全系列的液壓數(shù)字閥，其中包括數(shù)字壓力閥、數(shù)字流量閥以及數(shù)字比例方向閥等，我國(guó)當(dāng)時(shí)的廣研所也是積極開(kāi)展研究的知名單位之一。而高速開(kāi)關(guān)數(shù)字閥即電磁閥，其應(yīng)用到目前為止已經(jīng)很多，從數(shù)量看已超過(guò)增量式數(shù)字閥，但其性能的提高至今仍處在研發(fā)過(guò)程，在上世紀(jì)八十年代，浙江大學(xué)、北京理工大學(xué)等院校就進(jìn)行了很多的相關(guān)研究7。近十年來(lái)控制閥技術(shù)的發(fā)展十分迅速，以數(shù)

21、字式閥門(mén)定位器為核心的控制閥數(shù)字解決方案，極大提升了控制閥使用性能，使之有了一個(gè)質(zhì)的飛躍，進(jìn)而成為工業(yè)生產(chǎn)的智能設(shè)備。利用智能化控制閥（數(shù)字式閥門(mén)定位器）自帶閥位（行程）、輸出、氣源等參量傳感器直接進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以故障識(shí)別、邏輯思維推理、魯棒性的廣義專家系統(tǒng)進(jìn)行在線預(yù)測(cè)性維護(hù)，提升并維持了性能，減少了運(yùn)行故障和提高了使用壽命，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。在現(xiàn)階段，控制閥技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是“三高”，即高集成、高性能、高智能8。本課題對(duì)于數(shù)字流量控制閥的研究設(shè)計(jì)只是作為基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)，利用單片機(jī)作微處理器，力爭(zhēng)用最低的成本和最簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)，而且易于控制來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字流量控制閥的功能。1.5 研究的主要內(nèi)容1.根

22、據(jù)條件和參數(shù)選取合適的流量計(jì)，研究利用單片機(jī)對(duì)流量計(jì)輸出信號(hào)的采集和處理的問(wèn)題；2.設(shè)計(jì)數(shù)碼管顯示和鍵盤(pán)輸入接口電路，用來(lái)設(shè)定和顯示流量值；3.設(shè)計(jì)最優(yōu)的控制方案并編制成程序，通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)的處理實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)閥門(mén)的控制；4.設(shè)計(jì)閥門(mén)機(jī)械結(jié)構(gòu)，作為流量閥的執(zhí)行單元，力求簡(jiǎn)單易用；2 數(shù)字流量閥的總體方案設(shè)計(jì) 數(shù)字流量閥的控制系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：輸入部分，控制部分，輸出部分。其中輸入部分主要用來(lái)設(shè)定給定流量值和輸入當(dāng)前管道流量大小，所以輸入部分包括兩個(gè)模塊即流量傳感器輸入模塊和鍵盤(pán)輸入模塊；控制部分是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，本課題用單片機(jī)最小系統(tǒng)作為系統(tǒng)的控制模塊；輸出部分的作用是顯示設(shè)定的流量值和當(dāng)

23、前管道流量大小，以及控制閥門(mén)工作，本課題擬采用數(shù)碼管作為顯示器，用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制閥門(mén)即增量式數(shù)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(jī)的數(shù)字流量控制閥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊總體框圖如圖2.1所示。圖2.1 系統(tǒng)模塊框圖2.1 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，其主要作用是接收來(lái)自流量傳感器的信號(hào)，通過(guò)相應(yīng)的運(yùn)算和處理，輸出數(shù)字信號(hào)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，所以選取合適的單片機(jī)對(duì)于整個(gè)數(shù)字流量閥的正常工作至關(guān)重要。根據(jù)實(shí)際需要和本課題的要求，選取單片機(jī)應(yīng)該依據(jù)性價(jià)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(jī)概述 20世紀(jì)80年代以來(lái)，單片機(jī)

24、的發(fā)展非常迅速。就通用單片機(jī)而言，世界上一些著名的計(jì)算機(jī)廠家已投放市場(chǎng)的產(chǎn)品就有幾十個(gè)系列，數(shù)百個(gè)品種。盡管單片機(jī)的種類很多，但是在我國(guó)使用最多的是intel公司的mcs-51系列單片機(jī)及其增強(qiáng)型、擴(kuò)展型的衍生機(jī)型。intel公司繼1976年推出mcs-48系列8位單片機(jī)之后，又于1980年推出了mcs-51系列高檔8位單片機(jī)，是最早進(jìn)入國(guó)內(nèi)的單片機(jī)主流品種之一，至今30多年來(lái)，51系列單片機(jī)經(jīng)久不衰，并得到了極其廣泛的應(yīng)用。 近些年來(lái)，世界上很多大半導(dǎo)體公司都生產(chǎn)以8051為內(nèi)核的單片機(jī)，如atmel/phlips/sst公司的at89/p89/stc89系列。這些廠家生產(chǎn)的芯片是mcs-5

25、1系列的兼容產(chǎn)品，準(zhǔn)確的說(shuō)是與mcs-51指令系統(tǒng)兼容的單片機(jī)。這些兼容機(jī)與8051的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，采用cmos工藝，因而常用80c51系列來(lái)稱呼所有具有8051指令系統(tǒng)的單片機(jī)，簡(jiǎn)稱51系列單片機(jī)。51系列單片機(jī)有多種型號(hào)的產(chǎn)品，如普通型80c51、80c31、87c51和89c51等，增強(qiáng)型80c32、80c52、87c52和89c52等。它們的結(jié)構(gòu)基本相同，其主要差別反映在存儲(chǔ)器的配置上，其中80c51內(nèi)部設(shè)有4kb的掩膜rom程序存儲(chǔ)器，51增強(qiáng)型的程序存儲(chǔ)器為普通型的2倍9- 11。 8051單片機(jī)包含中央處理器（cpu）、程序存儲(chǔ)器(rom)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(ram)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、i

26、/o接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。圖2.2 8051單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖2.1.2 stc89c52rc單片機(jī)簡(jiǎn)介stc89c52rc單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的高性能cmos8位單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，是8051系列單片機(jī)的增強(qiáng)型一種。在單芯片上，擁有靈巧的8 位cpu 和在系統(tǒng)可編程flash，使得stc89c52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 stc89c52rc單片機(jī)具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)flash，512字節(jié)ram，32位i/o 口線，看門(mén)狗

27、定時(shí)器，內(nèi)置4kb eeprom，max810復(fù)位電路，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，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(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，ram內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止，最高運(yùn)作頻率35mhz，6t/12t可選。stc89系列單片機(jī)是國(guó)產(chǎn)芯片，價(jià)格比較便宜，與其他品牌單片機(jī)相比性價(jià)比高，stc89c52rc參數(shù)和性能均滿足本課題的要求，而且該單片機(jī)通用常見(jiàn)，運(yùn)用廣泛，因此選擇stc89c52r

28、c單片機(jī)作為數(shù)字流量閥的控制核心。2.1.3 stc89c52rc單片機(jī)引腳功能介紹圖2.3 stc89c52rc單片機(jī)引腳圖 如圖2.3所示，pdip封裝的stc89c52rc單片機(jī)有40個(gè)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(gè)漏極開(kāi)路的8位雙向i/o口。作為輸出端口，每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng)8個(gè)ttl負(fù)載，對(duì)端口p0寫(xiě)入“1”時(shí)，可以作為高阻抗輸入。在訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，p0口也可以提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線，此時(shí)，p0口內(nèi)部上拉電阻有效。在flash rom編程時(shí)，p0端口接收指

29、令字節(jié)，而在校驗(yàn)程序時(shí)，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(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口。p1的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)4個(gè)ttl輸入。對(duì)端口寫(xiě)入1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。p1口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。此外，p1.0和p1.1還可以作為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部技術(shù)輸入（p1.0/t2）和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入（p1.1/t2ex），在對(duì)flash rom編程和程序校驗(yàn)時(shí)，p1接收低8位地址。 p2端口（p2.0p2.7，2128引腳）：p2口是一個(gè)帶內(nèi)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(qū)動(dòng)4個(gè)ttl輸入。對(duì)端口寫(xiě)入1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時(shí)可用作輸入口。p2作為輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，p2送出高8位地址。在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，p2口引腳上的內(nèi)容，在整個(gè)訪問(wèn)期間不會(huì)改變。在對(duì)flash rom編程和程序校驗(yàn)期間，p2也接收高位地址和一些控制信號(hào)。 p3端口（p3.0p3.7，1017引腳）：p3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o端口。p3的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)4個(gè)ttl輸入。對(duì)端口寫(xiě)入1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉

31、電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。p3做輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸入一個(gè)電流。在對(duì)flash rom編程或程序校驗(yàn)時(shí)，p3還接收一些控制信號(hào)。p3口除作為一般i/o口外，還有其他一些復(fù)用功能，如表2.1所示。表2.1 p3口引腳復(fù)用功能引腳號(hào)復(fù)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(shí)器0的外部輸入）p3.5t1（定時(shí)器1的外部輸入）p3.6wr（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）p3.7rd（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）rst（9引腳）：復(fù)位輸入。當(dāng)輸入連續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期

32、以上高電平時(shí)為有效，用來(lái)完成單片機(jī)單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。ale/prog（30引腳）：地址鎖存控制信號(hào)，是訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在flash編程時(shí)，此引腳也用作編程輸入脈沖。psen（29引腳）：是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。當(dāng)stc89c52rc從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，psen在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，psen將不被激活。ea/vpp（31引腳）：訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從0000h到ffffh的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令，ea必須接gnd。加密方式1時(shí)，ea將內(nèi)部鎖定位reset。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，ea應(yīng)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(nèi)部時(shí)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(jù)上述引腳介紹和前面的總體方案設(shè)計(jì)，可以對(duì)單片機(jī)i/o接口引腳進(jìn)行分配，p0口作為數(shù)據(jù)輸出口連接數(shù)碼管的段碼，傳輸顯示數(shù)據(jù)，p1口作為矩陣鍵盤(pán)行列線的數(shù)據(jù)輸入接口，p2.0-p2.3作為控制信號(hào)輸出口用來(lái)連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，p2.4-p2.7作為數(shù)碼管的位碼控制接口，另外p3.4/t0引腳即定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的外部輸入引腳，與流量傳感器的數(shù)據(jù)輸出口連接，用來(lái)接收流量數(shù)據(jù)。2.2 流量傳感器的選擇 根據(jù)本課題設(shè)計(jì)要求，數(shù)

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(shí)選取流量傳感器也要滿足測(cè)量精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性價(jià)比高等原則。2.2.1 常用流量傳感器的介紹 流量測(cè)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?jī)x表種類達(dá)數(shù)種之多，品種如此之多的原因就在于至今還沒(méi)找到一種對(duì)任何流體、任何量程、任何流動(dòng)狀態(tài)以及任何使用條件都適用的流量?jī)x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(duì)各種流量傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹： 容積式：優(yōu)點(diǎn)是計(jì)量精度高，安裝管道條件對(duì)計(jì)量精度沒(méi)有影響，可用于高粘度液體的測(cè)量，

35、測(cè)量范圍度寬，無(wú)需外部能源可直接獲得累計(jì)總量, 操作簡(jiǎn)便；缺點(diǎn)是結(jié)果復(fù)雜, 體積龐大，被測(cè)介質(zhì)種類、口徑、介質(zhì)工作狀態(tài)局限性較大，不適用于高、低溫場(chǎng)合，大部分儀表只適用于潔凈單相流體，產(chǎn)生噪聲及振動(dòng)。渦輪式：優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流通能力大，可適應(yīng)高溫、高壓和低溫的測(cè)量需要，測(cè)量精確度較高，測(cè)量范圍寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，壓力損失較小；其缺點(diǎn)是對(duì)被測(cè)介質(zhì)清潔度要求較高, 不能長(zhǎng)期保持校準(zhǔn)特性，流體的溫度、黏度、密度對(duì)測(cè)量精確度有較大影響，適宜測(cè)量比較潔凈的低黏度液體。差壓式：優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)，應(yīng)用范圍廣泛；缺點(diǎn)為：測(cè)量精度普遍偏低，測(cè)量范圍窄，一般僅3141，現(xiàn)場(chǎng)安裝條件要求高

36、( 上下游需有足夠長(zhǎng)的直管段長(zhǎng)度等)，壓力損失大( 指孔板、噴嘴等)。電磁式：優(yōu)點(diǎn)是適用于測(cè)量含固體顆粒的液固二相流體(如紙漿、泥漿、污水等)，沒(méi)有壓力損失，所測(cè)體積流量不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導(dǎo)率的影響，測(cè)量范圍大，口徑范圍寬，測(cè)量精度比較高，可測(cè)量瞬時(shí)脈動(dòng)流量；缺點(diǎn)是：它不能測(cè)量電導(dǎo)率很低的液體(如石油制品)，不能測(cè)量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體，不能用于測(cè)量較高溫度的介質(zhì)，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(cè)量要求，與其他種類的流量傳感器相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度較高，而且價(jià)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(jì)基本參數(shù)zl-fe-4流量計(jì)的流量參數(shù)和電氣參數(shù)如表2.2和表2.3所示。表2.2 zl-fe-4流量參數(shù)介質(zhì)水介質(zhì)溫度0 120流量范圍125l/m最佳流量范圍215l/m流量計(jì)算（脈沖數(shù)/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(shù)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(jù)上表的參數(shù)可以看出，此流量傳感器可以滿足設(shè)計(jì)的要求，而且其輸出信號(hào)是脈沖信號(hào)（方波，高電平大于4v，低電平小于0.7v），不需要通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換即可直接輸入到單片機(jī)，它主要應(yīng)用于水控機(jī)、

38、凈水機(jī)、自動(dòng)流量控制機(jī)械等領(lǐng)域，所以本課題數(shù)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(jì)。2.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇2.3.1 步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)

39、速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單?，F(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)有四種，包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（vr）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（pm）、混合式步進(jìn)電機(jī)（hb）和單相式步進(jìn)電機(jī)等17-19。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度； 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利

40、用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度，目前這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛20。2.3.2 28byj48型步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介 28byj48型步進(jìn)電機(jī)是永磁式減速步進(jìn)電機(jī)，電壓為dc5vdc12v。當(dāng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時(shí)，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。每一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距。四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)行，常見(jiàn)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(qū)動(dòng)方式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖2.4所示。圖2.4 28byj48型步進(jìn)電機(jī)四相八拍驅(qū)動(dòng)方式原理圖 28byj48型步進(jìn)電機(jī)主要參數(shù)如表2.4所示。表2.4 28byj48型步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)電壓v步距角度減速比起動(dòng)轉(zhuǎn)矩100p.p.sg.cm起動(dòng)頻率p.p.s定位轉(zhuǎn)矩g.cm噪聲db12v5.625/641:6430055030035 根據(jù)流量計(jì)的尺寸大小以及設(shè)計(jì)

42、條件，選擇這一型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)可以滿足控制閥門(mén)的要求。2.4 本章小結(jié) 本章闡述了數(shù)字流量閥的總體設(shè)計(jì)思路與模塊，對(duì)單片機(jī)相關(guān)知識(shí)的了解和各引腳功能的熟悉有助于接下來(lái)的硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì)，選擇適合的單片機(jī)、流量傳感器和步進(jìn)電機(jī)，對(duì)于整個(gè)數(shù)字流量閥的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，是進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。3 數(shù)字流量閥的硬件電路設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)的復(fù)位和時(shí)鐘電路 由2.1.3節(jié)中所介紹的，完成單片機(jī)的復(fù)位初始化需要在單片機(jī)rst（9引腳）輸入連續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平，而單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)是由晶振提供的，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)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(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的晶振頻率選擇的是11.0592mhz。時(shí)鐘振蕩信號(hào)的輸入端口是xtal1（19引腳）和xtal2（18引腳）。單片機(jī)的復(fù)位和時(shí)鐘電路如圖3.1所示。圖3.1 單片機(jī)的復(fù)位和時(shí)鐘電路3.2 矩陣鍵盤(pán)電路采用矩陣鍵盤(pán)完成預(yù)設(shè)流量值的輸入，矩陣鍵盤(pán)占用接口較少，結(jié)合本設(shè)計(jì)要求，需要09十個(gè)數(shù)字鍵和“確定”、“返回”兩個(gè)功能鍵，輸入按鍵數(shù)比較多，因此采用4*3矩陣鍵盤(pán)，占用i/o接口較少，只需要一個(gè)端口（如p1口）就可以構(gòu)成輸入系統(tǒng)。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(pán)陣列，按鍵設(shè)置在行線和列線的交叉點(diǎn)上，這樣就構(gòu)成了矩陣式鍵盤(pán)。單片機(jī)通過(guò)讀取鍵盤(pán)狀態(tài)由鍵盤(pán)處理程序得到不同按鍵的特征編碼，根據(jù)設(shè)定的鍵號(hào)和鍵值對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到輸入值。圖3.2 矩陣鍵盤(pán)電路3.3 數(shù)碼管顯示電路3.3.1 數(shù)碼管工作原理簡(jiǎn)介在單片機(jī)系統(tǒng)中，常用led數(shù)碼管來(lái)顯示各種數(shù)字或符號(hào)。由于它具有價(jià)錢(qián)低廉，性能穩(wěn)定，顯示清晰，亮度高，使用電壓低，壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，所以應(yīng)用非常廣泛。led數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分為七段和八段兩種形式，也有共陽(yáng)和共陰之分。以八段共陰管為例，它有8個(gè)發(fā)光二極管(比七段多一個(gè)發(fā)光二極管，用來(lái)顯示“·”)，每個(gè)發(fā)光二極管的陰極連在一起，如圖3

45、.3所示。這樣，一個(gè)led數(shù)碼管就有1根位選線和8根段選線，要想顯示一個(gè)數(shù)值，就要分別對(duì)它們的高低電平來(lái)加以控制。一般的顯示電路由多個(gè)數(shù)碼管構(gòu)成， n個(gè)數(shù)碼管可以構(gòu)成n位led顯示器，共有n根位選線和8n根段選線。依據(jù)位選線和段選線的連接方式的不同， mcs-51系列單片機(jī)對(duì)led顯示管的顯示主要有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種方式。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示器的各筆畫(huà)段都要獨(dú)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(gè)字形碼之前，顯示的內(nèi)容不會(huì)消失。靜態(tài)顯示法的優(yōu)點(diǎn)是顯示穩(wěn)定、亮度大，節(jié)約cpu時(shí)間，但占有io口線較多，硬件成

46、本高。動(dòng)態(tài)掃描顯示法是把所有顯示器的8個(gè)筆畫(huà)段ah的各個(gè)相同端互相連接在一起，接到一個(gè)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(guò)這兩個(gè)輸出口的兩組信號(hào)相互作用來(lái)產(chǎn)生顯示效果，即讓各位數(shù)碼管按照一定順序輪流顯示，顯示時(shí)間不能太長(zhǎng)一般為110ms，依次循環(huán)掃描，輪流顯示，由于人眼的“視覺(jué)暫留”現(xiàn)象，就觀察不到閃爍現(xiàn)象，而是連續(xù)穩(wěn)定的顯示，其特點(diǎn)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(jié)構(gòu)，易于編程21-23。圖3.3 數(shù)碼管原理圖3.3.2 四位八段共陰數(shù)碼管的電路設(shè)計(jì) 根據(jù)上一節(jié)的介紹，共陰數(shù)碼管公共端接低電位，ah接數(shù)據(jù)輸入端。本設(shè)計(jì)選取的數(shù)碼管是四位八段共陰數(shù)碼管

47、，采用的是動(dòng)態(tài)掃描顯示，因此需要與單片機(jī)連接有8個(gè)段碼數(shù)據(jù)輸出i/o接口，4個(gè)位碼控制i/o接口。在本設(shè)計(jì)中位碼控制是通過(guò)控制三極管基極電位來(lái)控制三極管的導(dǎo)通截止，從而來(lái)控制數(shù)碼管的亮和熄滅。硬件電路設(shè)計(jì)如圖3.4所示。圖3.4 數(shù)碼管顯示電路3.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電流很大，所以單片機(jī)輸出引腳不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，必須經(jīng)過(guò)功率放大電路將單片機(jī)的弱電流信號(hào)放大成強(qiáng)電流信號(hào)，所以單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)之間必須有一個(gè)功率放大電路即電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。 3.4.1 uln2003芯片介紹uln2003是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由七個(gè)硅npn 復(fù)合晶體管組成，多用于單片機(jī)、智能儀表、p

48、lc、數(shù)字量輸出卡等控制電路中，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn),適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。uln2003內(nèi)部電路有如下特點(diǎn)：uln2003 的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。uln2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500ma，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50v 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)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(gè)端口對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)輸出端。引腳8：接地。引腳9：該腳是內(nèi)部7個(gè)續(xù)流二極管負(fù)極的公共端，各二極管的正極分別接各達(dá)林頓管的集電極。用于感性負(fù)載時(shí)，該腳接負(fù)載電源正極，實(shí)現(xiàn)續(xù)流作用。如果該腳接地，實(shí)際上就是達(dá)林頓管的集電極對(duì)地接通。引腳10-16：脈沖信號(hào)輸出端，分別對(duì)應(yīng)引腳7-1信號(hào)輸入端。3.4.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 根據(jù)上一節(jié)的介紹，通過(guò)使用uln2003芯片可以不用單獨(dú)設(shè)計(jì)功率放大電路，大大簡(jiǎn)化了電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)也提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(shè)計(jì)圖如圖3.6

50、所示。圖3.6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.5 本章小結(jié)本章完成了數(shù)字流量閥的硬件電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了矩陣鍵盤(pán)、數(shù)碼管顯示和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與單片機(jī)的接口電路，電路的設(shè)計(jì)與各接口引腳的確定，為之后的軟件編程打下了基礎(chǔ)，是數(shù)字流量控制閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)。4 數(shù)字流量閥的閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 閥門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中，閥門(mén)的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，由閥體和閥芯兩部分構(gòu)成。如圖4.1所示。圖4.1 閥門(mén)結(jié)構(gòu)示意圖 閥芯與閥體之間通過(guò)螺紋連接，閥芯通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，它們之間的連接通過(guò)一個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，即將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為閥芯的直線位移，這里省略了這個(gè)結(jié)構(gòu)，用一個(gè)連接槽來(lái)代替，排水通道的作用是當(dāng)閥門(mén)完全關(guān)閉時(shí)排出螺

51、孔內(nèi)的積水。4.1.1 閥體 閥體是閥門(mén)的主體結(jié)構(gòu)，它固定安裝在管道之中，水流通過(guò)閥體從左端流入右端流出。閥體的設(shè)計(jì)應(yīng)在保證強(qiáng)度的前提下盡可能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)如圖4.2所示。圖4.2 閥體三視圖4.1.2 閥芯 閥芯是閥門(mén)的另一個(gè)組成部分，它是一個(gè)可動(dòng)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(gè)m14的螺栓，另一端與步進(jìn)電機(jī)連接，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，從而能產(chǎn)生上下位移。閥芯的設(shè)計(jì)是盡量按照螺紋零件結(jié)構(gòu)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，這樣便于生產(chǎn)加工，降低了生產(chǎn)成本，并且能夠批量生產(chǎn)。閥芯結(jié)構(gòu)尺寸如圖4.3所示。圖4.3 閥芯結(jié)構(gòu)尺寸圖其

52、中螺栓螺紋為普通細(xì)牙螺紋，螺距p為1mm，即閥芯每旋轉(zhuǎn)一圈，閥芯上下移動(dòng)的行程為1mm，閥芯與閥體連接即構(gòu)成了一個(gè)很簡(jiǎn)單的閥門(mén)結(jié)構(gòu)2425。4.2 閥門(mén)的工作原理與分析4.2.1 閥門(mén)的工作原理數(shù)字流量閥的閥門(mén)工作原理如圖4.4所示。圖4.4 閥門(mén)工作原理圖 水流經(jīng)過(guò)閥體，管道截面是一個(gè)圓，直徑為12mm，閥芯直徑為14mm，閥芯截面是一個(gè)寬14mm的矩形，因此閥芯剛好完全擋住管道水流。當(dāng)閥門(mén)工作時(shí)，如果測(cè)到的水流量比需要的流量大，則單片機(jī)會(huì)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)左轉(zhuǎn)帶動(dòng)閥芯左旋，由于閥體和閥芯是螺紋連接，閥芯會(huì)向下移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)一圈的上下行程為1mm，閥芯的向下移動(dòng)使管道截面面積減小，從而流

53、量減小。同理，當(dāng)所測(cè)的流量值小于需要的流量時(shí)，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)右旋，從而閥芯向上移動(dòng)，通流面積增大，流量變大。 流量閥的工作完全由數(shù)字信號(hào)控制，通過(guò)輸出脈沖控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖個(gè)數(shù)與電機(jī)所轉(zhuǎn)圈數(shù)成正比例關(guān)系，這樣就建立了脈沖個(gè)數(shù)與閥芯上下偏移量的一個(gè)線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字流量閥的精確控制。而且這樣設(shè)計(jì)閥門(mén)與轉(zhuǎn)閥相比，避免了步進(jìn)電機(jī)直接受到流體的力矩作用，即閥芯不是直接通過(guò)旋轉(zhuǎn)多少角度來(lái)控制通流截面開(kāi)度，閥芯所受到的主要是平行于水流方向的剪切力，理論來(lái)上說(shuō)不管水流量有多大，所受壓力有多強(qiáng)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)所需的扭矩都是一定的，這樣不僅可以保護(hù)電機(jī)不受到損壞，而且不需要選擇扭矩和功率很大的步

54、進(jìn)電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)控制，很大的降低了數(shù)字閥的成本。4.2.2 閥門(mén)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(guò)數(shù)學(xué)關(guān)系分析閥芯行程h與通流截面積s的關(guān)系，如圖4.5所示。圖4.5 偏移量h與通流截面的關(guān)系 假設(shè)閥門(mén)初始狀態(tài)是全關(guān)閉，即h=0，此時(shí)通流面積（圖中陰影部分）s=0。 當(dāng)閥芯向上偏移h時(shí)，會(huì)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(jì)算方法不同。 當(dāng)h>r時(shí)：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(dāng)h<r時(shí)：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(dāng)h=12mm時(shí)，閥門(mén)全開(kāi)，通流截面積s=113.1mm2此時(shí)管道流量值為最大，預(yù)設(shè)流量值不能大于最大流量值。4.3 本章小結(jié) 本章設(shè)計(jì)了數(shù)字流量閥的閥體結(jié)構(gòu)，闡述了數(shù)字閥的工作原理，并通過(guò)計(jì)算得到了閥門(mén)控制與通流截面積直接的關(guān)系，所設(shè)計(jì)的閥門(mén)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，符合課題的設(shè)計(jì)要求。5 數(shù)字流量閥的控制方案與軟件設(shè)計(jì)5.1 數(shù)字流量閥的控制方案設(shè)計(jì)5.1.1 數(shù)字流量閥的控制方式本設(shè)計(jì)控制方案設(shè)計(jì)基本思路是反饋控制。反饋控制是指將系統(tǒng)的輸出信息返送到輸入端，與輸入信息進(jìn)行比較，并利用二者的偏差進(jìn)行控制的過(guò)程。在控制系統(tǒng)中，如果返回的信息的作用是抵