基于单片机的数字流量控制阀的结构与控制设计Word文档格式.docx
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1.3研究目的和意义
1.4数字流量阀的国内外研究现状
早期的流量控制阀主要有伺服阀和电液阀两种，但是这两种阀门都是通过将电转换为模拟量来控制压力、流量和方向。
它们不能直接接受计算机的数字控制信号，而是需要通过比较昂贵的模数转换和数模转换器，同时为了实现计算机的自动控制还需要安装位置和速度检测器等，使用操作比较复杂。
自1981年第十届国际流体动力博览会上首次展出数字阀以来，发展很快。
我国1987年在北京由中国科学技术交流中心举办的展览会上，第一次展出了数字阀，这是北京钢铁设计研究总院研制的。
数字阀的出现使电脑直接实行流量控制成为可能。
数字流量控制系统的核心部件是微处理器，现在大多采用与工业标准的MCS-5l指令集和输出管脚相兼容的MCS-51系列单片机。
电动阀门是流量控制的执行元件，在目前市场上用作流量控制的电动阀门主要有两种，一是步进电机，另外一种是电磁阀。
利用步进电机作为执行元件时，控制模块根据所测的流量与给定流量比较，决定阀芯动作方向，并发出控制脉冲，驱动步进电机，使其带动阀芯转动，通过改变节流面积，即可达到控制出流量的目的。
利用电磁阀作为执行元件时，主要由控制模块输出触发信号控制电磁阀的开闭，磁阀是用电磁效应进行控制，主要的控制方式由继电器控制。
按照阀门的种类，数字阀主要可以分为两类：
增量式数字阀与高速开关式数字阀。
增量式数字阀，即步进电机式的数字阀，这一类产品在上世纪八十年代末至九十年代占据了液压数字阀领域的主流，国外的日本东京计器公司开发了全系列的液压数字阀，其中包括数字压力阀、数字流量阀以及数字比例方向阀等，我国当时的广研所也是积极开展研究的知名单位之一。
而高速开关数字阀即电磁阀，其应用到目前为止已经很多，从数量看已超过增量式数字阀，但其性能的提高至今仍处在研发过程，在上世纪八十年代，浙江大学、北京理工大学等院校就进行了很多的相关研究。
近十年来控制阀技术的发展十分迅速，以数字式阀门定位器为核心的控制阀数字解决方案，极大提升了控制阀使用性能，使之有了一个质的飞跃，进而成为工业生产的智能设备。
利用智能化控制阀（数字式阀门定位器）自带阀位（行程）、输出、气源等参量传感器直接进行状态监测，以故障识别、逻辑思维推理、鲁棒性的广义专家系统进行在线预测性维护，提升并维持了性能，减少了运行故障和提高了使用寿命，对工业生产有显著的经济效益。
在现阶段，控制阀技术的发展趋势是“三高”，即高集成、高性能、高智能[8]。
本课题对于数字流量控制阀的研究设计只是作为基础性设计，利用单片机作微处理器，力争用最低的成本和最简的结构，而且易于控制来实现数字流量控制阀的功能。
1.5研究的主要内容
2数字流量阀的总体方案设计
数字流量阀的控制系统主要包括三个部分：
输入部分，控制部分，输出部分。
其中输入部分主要用来设定给定流量值和输入当前管道流量大小，所以输入部分包括两个模块即流量传感器输入模块和键盘输入模块；
控制部分是整个控制系统的核心，本课题用单片机最小系统作为系统的控制模块；
输出部分的作用是显示设定的流量值和当前管道流量大小，以及控制阀门工作，本课题拟采用数码管作为显示器，用步进电机转动来控制阀门即增量式数字阀，所以输出部分包括显示模块和执行模块。
综上所述，本课题研究的基于单片机的数字流量控制阀系统结构模块总体框图如图2.1所示。
图2.1系统模块框图
2.1单片机的选择
单片机是整个控制系统的核心，其主要作用是接收来自流量传感器的信号，通过相应的运算和处理，输出数字信号对步进电机进行控制，所以选取合适的单片机对于整个数字流量阀的正常工作至关重要。
根据实际需要和本课题的要求，选取单片机应该依据性价比高，功耗低，性能可靠稳定的原则。
2.1.1MCS-51系列单片机概述
20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速。
就通用单片机而言，世界上一些著名的计算机厂家已投放市场的产品就有几十个系列，数百个品种。
尽管单片机的种类很多，但是在我国使用最多的是Intel公司的MCS-51系列单片机及其增强型、扩展型的衍生机型。
Intel公司继1976年推出MCS-48系列8位单片机之后，又于1980年推出了MCS-51系列高档8位单片机，是最早进入国内的单片机主流品种之一，至今30多年来，51系列单片机经久不衰，并得到了极其广泛的应用。
近些年来，世界上很多大半导体公司都生产以8051为内核的单片机，如ATMEL/PHLIPS/SST公司的AT89/P89/STC89系列。
这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确的说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。
这些兼容机与8051的系统结构相同，采用CMOS工艺，因而常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机，简称51系列单片机。
51系列单片机有多种型号的产品，如普通型80C51、80C31、87C51和89C51等，增强型80C32、80C52、87C52和89C52等。
它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上，其中80C51内部设有4KB的掩膜ROM程序存储器，51增强型的程序存储器为普通型的2倍[9]-[11]。
8051单片机包含中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、I/O接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，其内部结构框图如图2.2所示。
图2.28051单片机结构框图
2.1.2STC89C52RC单片机简介
STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的高性能CMOS8位单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，是8051系列单片机的增强型一种。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52RC单片机具有以下标准功能：
8K字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
另外STC89C52RC可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止，最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
STC89系列单片机是国产芯片，价格比较便宜，与其他品牌单片机相比性价比高，STC89C52RC参数和性能均满足本课题的要求，而且该单片机通用常见，运用广泛，因此选择STC89C52RC单片机作为数字流量阀的控制核心。
2.1.3STC89C52RC单片机引脚功能介绍
图2.3STC89C52RC单片机引脚图
如图2.3所示，PDIP封装的STC89C52RC单片机有40个引脚，主要引脚功能如下：
VCC（40引脚）：
电源电压。
VSS（20引脚）：
接地。
P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：
P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。
作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。
在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线，此时，P0口内部上拉电阻有效。
在FlashROM编程时，P0端口接收指令字节，而在校验程序时，则输出指令字节，要求外接上拉电阻。
P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P1的输出缓冲器可驱动4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。
P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。
此外，P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），在对FlashROM编程和程序校验时，P1接收低8位地址。
P2端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：
P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可以驱动4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。
P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器时，P2送出高8位地址。
在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容，在整个访问期间不会改变。
在对FlashROM编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。
P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：
P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P3的输出缓冲器可驱动4个TTL输入。
P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流。
在对FlashROM编程或程序校验时，P3还接收一些控制信号。
P3口除作为一般I/O口外，还有其他一些复用功能，如表2.1所示。
表2.1P3口引脚复用功能
引脚号
复用功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INT0（外部中断0）
P3.3
INT1（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0的外部输入）
P3.5
T1（定时器1的外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
RST（9引脚）：
复位输入。
当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。
ALE/
PROG（30引脚）：
地址锁存控制信号，是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。
在Flash编程时，此引脚也用作编程输入脉冲。
PSEN（29引脚）：
是外部程序存储器选通信号。
当STC89C52RC从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。
EA/VPP（31引脚）：
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。
加密方式1时，EA将内部锁定位RESET。
为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。
在Flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。
XTAL1（19引脚）：
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2（18引脚）：
振荡器反相放大器的输入端。
根据上述引脚介绍和前面的总体方案设计，可以对单片机I/O接口引脚进行分配，P0口作为数据输出口连接数码管的段码，传输显示数据，P1口作为矩阵键盘行列线的数据输入接口，P2.0-P2.3作为控制信号输出口用来连接步进电机驱动电路，控制步进电机转动，P2.4-P2.7作为数码管的位码控制接口，另外P3.4/T0引脚即定时/计数器0的外部输入引脚，与流量传感器的数据输出口连接，用来接收流量数据。
2.2流量传感器的选择
根据本课题设计要求，数字流量阀的额定压力为0.6MP，工作温度0~50℃，所以选择的流量传感器要满足这些工作条件，同时选取流量传感器也要满足测量精度高，结构简单，性价比高等原则。
2.2.1常用流量传感器的介绍
流量测量方法和仪表的种类繁多,分类方法也很多。
至今为止,可供工业用的流量仪表种类达数种之多，品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。
按照目前最流行、最广泛的分类法,常用的流量传感器有容积式、涡轮式、差压式、电磁式等。
下面对各种流量传感器的优缺点进行简单介绍：
容积式：
优点是计量精度高，安装管道条件对计量精度没有影响，可用于高粘度液体的测量，测量范围度宽，无需外部能源可直接获得累计总量,操作简便；
缺点是结果复杂,体积庞大，被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大，不适用于高、低温场合，大部分仪表只适用于洁净单相流体，产生噪声及振动。
涡轮式：
优点是结构简单，流通能力大，可适应高温、高压和低温的测量需要，测量精确度较高，测量范围宽，动态响应好，压力损失较小；
其缺点是对被测介质清洁度要求较高,不能长期保持校准特性，流体的温度、黏度、密度对测量精确度有较大影响，适宜测量比较洁净的低黏度液体。
差压式：
优点是结构简单、牢固，性能稳定可靠，使用寿命长，应用范围广泛；
缺点为：
测量精度普遍偏低，测量范围窄，一般仅3∶1～4∶1，现场安装条件要求高（上下游需有足够长的直管段长度等），压力损失大（指孔板、喷嘴等）。
电磁式：
优点是适用于测量含固体颗粒的液固二相流体（如纸浆、泥浆、污水等），没有压力损失，所测体积流量不受流体密度、黏度、温度、压力和电导率的影响，测量范围大，口径范围宽，测量精度比较高，可测量瞬时脉动流量；
缺点是：
它不能测量电导率很低的液体（如石油制品），不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体，不能用于测量较高温度的介质，易受外界电磁干扰[12]-[16]。
综上所述，涡轮式的流量传感器可以很好的满足本课题的流量测量要求，与其他种类的流量传感器相比结构简单，精度较高，而且价格便宜，所以本课题选择涡轮式流量传感器。
2.2.2ZL-FE-4流量计基本参数
ZL-FE-4流量计的流量参数和电气参数如表2.2和表2.3所示。
表2.2ZL-FE-4流量参数
介质
水
介质温度
0～120℃
流量范围
1～25L/M
最佳流量范围
2～15L/M
流量计算（脉冲数/升）
420～450PCS/L
精度
±
5%
使用温度范围
使用压力范围
≦1.2MPa
表2.3ZL-FE-4电气参数
使用电压
4.5～12VDC
额定电流
10mA
最大输出控制电压
24VDC
最大输出控制电流
15mA
根据上表的参数可以看出，此流量传感器可以满足设计的要求，而且其输出信号是脉冲信号（方波，高电平大于4V，低电平小于0.7v），不需要通过模数转换即可直接输入到单片机，它主要应用于水控机、净水机、自动流量控制机械等领域，所以本课题数字流量控制阀的流量传感器选择的是ZL-FE-4型涡轮流量计。
2.3步进电机的选择
2.3.1步进电机概述
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；
同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
现在比较常用的步进电机有四种，包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等[17]-[19]。
永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；
反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。
反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。
混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相：
两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度，目前这种步进电机的应用最为广泛[20]。
2.3.228BYJ48型步进电机简介
～
电压
V
步距角度
减速比
起动转矩
100P.P.S
g.cm
起动频率
P.P.S
定位转矩
噪声
dB
12V
5.625/64
1:
64
≧300
≧550
≦35
根据流量计的尺寸大小以及设计条件，选择这一型号的步进电机可以满足控制阀门的要求。
2.4本章小结
本章阐述了数字流量阀的总体设计思路与模块，对单片机相关知识的了解和各引脚功能的熟悉有助于接下来的硬件电路和软件程序的设计，选择适合的单片机、流量传感器和步进电机，对于整个数字流量阀的设计至关重要，是进一步研究和设计的基础。
3数字流量阀的硬件电路设计
3.1单片机的复位和时钟电路
由2.1.3节中所介绍的，完成单片机的复位初始化需要在单片机RST（9引脚）输入连续两个机器周期以上高电平，而单片机的时钟信号是由晶振提供的，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。
通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。
在本设计中，单片机的晶振频率选择的是11.0592MHz。
时钟振荡信号的输入端口是XTAL1（19引脚）和XTAL2（18引脚）。
单片机的复位和时钟电路如图3.1所示。
图3.1单片机的复位和时钟电路
3.2矩阵键盘电路
采用矩阵键盘完成预设流量值的输入，矩阵键盘占用接口较少，结合本设计要求，需要0～9十个数字键和“确定”、“返回”两个功能键，输入按键数比较多，因此采用4*3矩阵键盘，占用I/O接口较少，只需要一个端口（如P1口）就可以构成输入系统。
如图3.2所示，采用4条I/O线作为行线，3条I/O线作为列线组成的键盘阵列，按键设置在行线和列线的交叉点上，这样就构成了矩阵式键盘。
单片机通过读取键盘状态由键盘处理程序得到不同按键的特征编码，根据设定的键号和键值对应关系，得到输入值。
图3.2矩阵键盘电路
3.3数码管显示电路
3.3.1数码管工作原理简介
在单片机系统中，常用LED数码管来显示各种数字或符号。
由于它具有价钱低廉，性能稳定，显示清晰，亮度高，使用电压低，寿命长等特点，所以应用非常广泛。
LED数码管的结构简单，分为七段和八段两种形式，也有共阳和共阴之分。
以八段共阴管为例，它有8个发光二极管（比七段多一个发光二极管，用来显示“·
”），每个发光二极管的阴极连在一起，如图3.3所示。
这样，一个LED数码管就有1根位选线和8根段选线，要想显示一个数值，就要分别对它们的高低电平来加以控制。
一般的显示电路由多个数码管构成，N个数码管可以构成N位LED显示器，共有N根位选线和8N根段选线。
依据位选线和段选线的连接方式的不同，MCS-51系列单片机对LED显示管的显示主要有静态显示和动态显示两种方式。
所谓静态显示，就是每一个显示器的各笔画段都要独占具有锁存功能的输出口，
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