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1、计算机控制系统课程设计说明书阀门定位控制系统设计DESIGN OF VALVE POSITION CONTROL SYSTEM学生姓名刘庆学院名称信电工程学院学号20120501157班级12电气1专业名称电气工程及其自动化指导教师曹言敬2015年7月10日 徐州工程学院课程设计论文摘要阀门定位器作为气动调节阀的主要附件之一，可以改善阀门特性、提高控制的精度、速度和增加控制的灵活性。智能阀门定位器数字化、通信化、智能化以及支持现场总线的特性，给工业自动化生产带来了深刻的变革，代表了气动执行器技术的发展方向。本文讲述了智能阀门定位系统的相关原理。以单片机为核心，加上A/D、D/A（模数、数模）转
2、换接口，使三位气动放大器驱动气动执行机构，构成智能阀位控制系统。利用电位计反映实际阀位值，控制单片机通过A/D采集实际阀位值和键入的设定阀位值算出偏差，并且按PID（比例微分积分控制算法）控制调节阀位达到设定值。智能阀门定位器使得调节阀变得更易于控制，更精确，同时简化了高性能控制回路的设计，使得控制回路的执行更加紧凑。由于硬件难以实现，本文选择Proteus软件进行仿真，不仅简化设计流程也便于修改和调试。关键词 阀门定位器；PID；A/D转换器目 录1 绪论11.1 课程背景11.2 课程意义12 课题分析32.1 课题要求32.2 设计要求32.3 设计思路33 阀门定位的相关原理43.1
3、计算机控制系统的工作原理43.2 阀门介绍43.3 智能阀门定位器43.4 阀门定位器作用原理53.5 系统工作原理53.6 系统的控制要求64 软件算法设计74.1 方案选择74.2 控制算法选择74.2.1 PID控制算法74.2.2 PID算法详解84.3调节阀开度显示的设计104.4 PID参数整定104.5 报警触发条件125 系统总体设计方案135.1 系统硬件的配置及组成原理135.2 A/D转换电路165.3 键盘，显示器接口芯片175.4 时钟报警电路196 阀门定位控制系统仿真20结论22致谢23参考文献24附录25271 绪论1.1 课程背景生产过程的自动控制简称过程控制
4、，它在工业生产中占有极其重要的地位。过程控制的质量很大程度上决定于过程控制仪表，它包括变送器、调节器、执行器以及各种辅助控制装置。本文讨论的一种辅助控制仪表阀门定位器，是各国竞相研究的对象，它在一定程度上决定了过程控制的调节品质，且随着过程控制水平的发展，定位器也必须不断发展以满足现代生产对过程控制的要求。目前定位器的研究热点主要在于智能阀门定位器，国外一些大公司，如西门子、费希尔-罗斯蒙特等，已相继有产品推出，国内这方面起步较晚。国内目前普遍使用的电气阀门定位器采用的是机械式力平衡原理，存在一些不足且不能满足过程控制发展的需要，而由国外进口的智能型定位器价格昂贵，因此研究设计智能型电气阀门定
5、位器是十分必要的。 智能阀门定位器集合了机械、电子、通讯以及控制理论知识和相关软件知识，是一个跨学科的智能产品。本课题研制的主要对象是智能阀门定位器的控制系统，它通过采集从调节器来的设定阀门开度信号和反馈回来的实际阀门开度信号，在经过偏差与偏差变化率的计算后，通过模糊运算与决策输出相应的控制信号去控制压电阀的开启时间，从而控制进入调节阀气室的进气量，以此推动阀芯动作并准确定位。这样，相对传统阀门定位器，该智能阀门定位器不仅体现出精度提高，能耗降低，功能增多等优点，而且它能集合一定人类的经验知识，具有一定的思维能力，符合过程控制的发展需要。随着智能、网络、通信和控制/管理综合自动化技术的发展，工
6、业控制现场对气动调节阀的智能化要求日益迫切。本课题的研究紧密结合我国新一代智能气动调节阀的核心技术攻关和产品的更新换代，代表了传统气动仪表的智能化、网络化发展趋势。1.2 课程意义本课题所设计的智能阀门定位器系统由于使用新型控制元件如导电塑料和压电阀，可以使阀门定位达到很高精度；又由于采用气动执行机构，可在各种恶劣条件下使用并且使用寿命长，故障率低，这两点从根本上提高了产品的质量。由于微处理的使用，可以使定位器的调校以及适用范围有大的改善。对于生产商来说，这一系统市场前景广阔，价值高，利润大。对于使用本系统的厂家来说，这一系统的应用可极大的节省生产资源，提高生产效率，降低能耗及原材料损耗，对厂
7、家减耗增效有很好的助推作用。这一系统可以进行自动调校。组态简便、灵活，可以非常方便的设定阀门正反作用，流量特性，行程限定或分程操作等功能。对使用厂家来说即简化了设备安装调试过程，减小了因安装设备对企业正常生产的影响。这一系统的定位器的耗气量极小。传统定位器的喷嘴、挡板系统是连续耗气型元件。智能定位器只有在减小输出压力时，才向外排气，因此在大部分时间内处于非耗气状态。对使用厂家来说即降低了生产能耗，节省了生产资源。这一系统具有智能通讯和现场显示功能，对使用者来说即便于维修人员对定位器工作情况进行检查维修。 这一系统的定位器与阀门可以采用分离式安装方式。因为智能定位器的位置反馈元件是电位器，阀位信
8、息是用电信号传递的，并且可以在CPU中对阀门的特征进行现场整定。对使用厂家来说即此系统可在狭小，特定的设备空间中安装，而不需为安装这一设备而特别开辟空间。这一系统的行程检测装置可以采用非接触式位置传感器，很适合需要在恶劣现场使用的厂家。并且可保证定位器的可靠使用和寿命。2 课题分析2.1 课题要求利用单片机实现阀门定位的单片机控制系统，见图2-1，通过位置传感器检测气缸位置，再进行控制调节阀的开度。2.2 设计要求(1)要求阀开度大于90或小于10%，以及阀心被卡住时，进行报警。(2)要求具有调节阀线圈的故障诊断功能。(3)用数码管实时阀位开度。2.3 设计思路利用位置传感器检测位置，反馈到单
9、片机中作为反馈模拟信号，经单片机内PID控制算法进行信号处理后输出一定宽度的脉冲来驱动调节阀并实现定位反馈控制。由键盘输入阀门的工作量特性以及阀心的最大、最小行程等参数。采用功能键实现点动和自动以及复位。定位速率由各组自行设定，即确定PID控制算法参数。气缸驱动电路单片机键盘输入位置传感器调节阀1调节阀1A/D转换图2-1 阀门定位控制系统示意图3 阀门定位的相关原理3.1 计算机控制系统的工作原理计算机控制系统包括硬件组成和软件组成。在计算机控制系统中，需有专门的数字-模拟转换设备和模拟-数字转换设备。由于过程控制一般都是实时控制，有时对计算机速度的要求不高，但要求可靠性高、响应及时。计算机
10、控制系统的工作原理可归纳为以下三个过程：(1)实时数据采集:对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。(2)实时决策:对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。(3)实时控制:根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。这三个过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作，并对被控量和设备本身的异常现象及时作出处理。3.2 阀门介绍阀门是流体输送系统中的控制部件，具有截止、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能。用于流体控制系统的阀门，从最简单的截止阀到极为复杂的自控系统中所用的各种阀门，其品种和规格相当繁多。阀门可用于控制空气、
11、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油品、液态金属和放射性介质等各种类型流体的流动。阀门根据材质还分为铸铁阀门，铸钢阀门，不锈钢阀门（201、304、316等），铬钼钢阀门，铬钼钒钢阀门，双相钢阀门，塑料阀门，非标订制等阀门材质。3.3 智能阀门定位器阀门定位器按其结构形式和工作原理可以分成气动阀门定位器、电气阀门定位器和智能式阀门定位器。阀门定位器能够增大调节阀的输出功率，减少调节信号的传递滞后的情况发生，加快阀杆的移动速度，能够提高阀门的线性度，克服阀杆的摩擦力并消除不平衡力的影响，从而保证调节阀的正确定位。阀门定位器是控制阀的主要附件它将阀杆位移信号作为输入的反馈测量信号,以控制器输出信号作
12、为设定信号，进行比较，当两者有偏差时，改变其到执行机构的输出信号，使执行机构动作，建立了阀杆位移量与控制器输出信号之间的一一对应关系。因此，阀门定位器组成以阀杆位移为测量信号，以控制器输出为设定信号的反馈控制系统。该控制系统的操纵变量是阀门定位器去执行机构的输出信号1。阀门定位器用来确定阀门位置，为单片机的控制提供信息。为了信号稳定性，避免噪声、共振等现象，做出了改进，原理框如图3-1。图3-1 智能电气阀门定位器原理框图3.4 阀门定位器作用原理执行器是控制系统的终端设备，它接收控制器信号，改变操纵变量，实现控制要求。执行器直接与生产过程接触，工作在高温、高压、腐蚀和振动等环境中。对不同的操
13、纵变量，执行器可以是控制阀、风门、步进电机和变频调速器等。为保证执行器控制精度，在某些特定场合需用阀门定位器。定位器控制执行器的阀位，能够增大执行机构的输出功率，减少信号传递滞后，克服阀杆摩擦力并消除不平衡力的影响等，保证准确定位。一般用于高压、高温处，克服摩擦力和不平衡力；用于高压差，增大输出力，克服不平衡力；控制器输出直接转换成气压信号去操作执行器，提高响应速度，输出信号的流量大，滞后明显减小；能实现气开式、气关式互换；改善和修正控制阀的流量特性；可实现分程控制。阀门定位器是控制阀的主要附件，它接收控制器的输出的电流控制信号，输出气压信号去控制阀门；当控制阀动作后，阀杆的位移通过反馈装置反
14、馈到阀门定位器。因此，阀门定位器和控制阀构成一个闭环。定位器检测输入控制信号并和阀位反馈信号比较，若两信号有差异，就驱动阀门的执行机构直到反馈信号和输入信号相匹配。当反馈信号和输入信号相等，驱动装置就停止对阀位的调整。普通电气定位器使控制阀的品质得到改善，但受结构等因素限制，仍易受温度波动、振动影响；安装调试技术要求高；喷嘴一挡板易堵、能耗较大；定位器零点和行程调整需反复进行等问题。3.5系统工作原理阀门定位器的控制系统采用的是89C51为核心的单片机控制系统，它接收来自调节器的设定阀门开度的电流信号(4-20mA)，用这个信号与从调节阀阀杆反馈回来的实际开度信号进行比较，如果微处理器得到一个
15、偏差信号，就利用这个信号去控制压电阀，使一定量的压缩空气经过压电阀进入到调节阀的执行机构的气室，推动阀芯的移动或转动，从而达到阀芯的准确定位。3.6系统的控制要求阀门定位器对单片机控制系统的设计要求有以下几点：(1)能够接收来自调节器的电流信号并能将它转换成为电压信号, 能够采集阀位反馈回来的模拟信号；(2)能对以上采集到的信号进行运算、整理，最后根据偏差的大小输出连续信号或一定宽度的脉冲信号来控制压电阀；(3)利用数码管能现场显示输入的参数以及阀门开度；(4)利用按键能在现场对阀门的工作流量特性的参数，以及阀芯的最大、最小行程等参数进行设定；(5)调节阀在自动运行过程中，当阀芯开度大于90%
16、 或小于10% 时, 以及阀芯被卡住时, 控制系统能进行报警；(6)具有断电保存功能、看门狗功能、电源电压监测功能。4 软件算法设计4.1方案选择在控制系统中，如果采用开环控制系统，则只有给定量影响输出量，被控制量只能受控于控制量，而被控制量不能反过来影响控制量。而系统最主要的功能就是将测量的结果反馈到输入端与输入量相减得到偏差，再由偏差产生直接控制作用去消除偏差。所以开环系统显然不能满足系统的功能需求。而采用闭环控制系统，可以实现根据实际输出跟输入比较后进行双向的数据交换来系统修正控制的功能，实现对被控对象进行实时控制。在闭环系统中，其控制作用的基础是被控量与给定值之间的偏差。这个偏差是各种
17、实际扰动所导致的总结果。并不区分其中的个别原因。因此，这种系统往往同时能够抵制多种扰动，而且对系统自身元部件参数的波动也不甚敏感。对比上述两种控制系统，可以得出本系统应该采用闭环控制系统。4.2控制算法选择工业控制中常用的控制算法有PID控制算法、最少拍随动控制系统、神经网络系统等。本控制系统选择PID控制算法。PID控制器问世至今己有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要技术之一。当被控对象结构和参数不能完全掌握，或不到精确数学模型时，控制理论其它技术难以采用时，系统控制器结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不
18、完全了解一个系统和被控对象，或不能有效测量手段来获系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是系统误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后纯滞后”与“二阶滞后纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活(PI、PD、)。4.2.1 PID控制算法对大多数控制对象，采用数字PID控制，均可达到满意的控制效果。现场总线控制系
19、统把DCS控制站的功能分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。这样系统就应具有PID控制运算模块。PID控制程序流程如图4-1所示。控制程序根据当前的变量值以及变量值和设定值的偏差，进行PID运算。此外程序还提供手自动切换功能，并对输出值大小和变化速率进行限制。由于实际控制系统的采样回路都可能存在高频干扰，因此几乎所有的控制回路都设置了一阶低通滤波器来限制高频干扰的影响2。所谓PID即指比例、积分、微分控制算法。比例控制(P)：比例环节能及时成比例地反映控制系统地偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例系数增大，可以加快系统响应速度，减小系数稳态误差，提高控制精度。但是过大
20、会产生较大超调，甚至导致不稳定；若取得过小，能使系统减少超调量，稳态裕度增大，但会降低了系统的调节精度，使过渡过程时间延长。根据系统控制过程中各个不同阶段对过渡过程的要求以及操作量的经验，通常在控制的初始阶段，适当地把放在较小的档次，以减小各物理量初始变化的冲击；在控制过程中期，适当加大，以提高快速性和动态精度，而到过渡过程的后期，为了避免产生大的超调和提高静态精度稳定性，又将调小3。积分控制(I)：积分控制中，控制器输出与输入误差信号积分成正比关系，对一个自动控制系统，进入稳态后存在稳态误差，则这个控制系统为有差系统，为了消除稳态误差，控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间积分，
21、时间增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会时间增加而加大，它推动控制器输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。比例+积分(PI)控制器，可以使系统进入稳态后无稳态误差。主要用于消除静差，提高习用的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。微分控制(D)：微分控制中，控制器输出与输入误差信号微分（即误差变化率）成正比关系，自动控制系统克服误差调节过程中可能会出现振荡失稳，其原因是存有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差作用，其变化总是落后于误差变化，解决办法是使抑制误差作用变化“超前”，即误差接近零时，抑制误差作用就应该是零，
22、这就是说，控制器中仅引入“比例”项往往是不够，比例项作用仅是放大误差幅值，而目前需要增加是“微分项”，它能预测误差变化趋势，这样，具有比例+微分控制器，就能够提前使抑制误差控制作用等于零，为负值，避免了被控量严重超调，对有较大惯性或滞后被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统调节过程中动态特性。能反省偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中应如一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。4.2.2 PID算法详解在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期相对短时，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差
23、分方程。图4-1给出了数字PID增量型控制算法的流程图。图4-1 数字PID增量型控制算法流程图数字PID位置型控制算法： 式(4.1)式(4.1)表示的控制算法提供了执行机构的位置u(k)，如阀门的开度。由式(4.1)可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差e(i)，不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此可对式(4.1)进行修改。根据式(4.1)不难写出u(k-1)的表达式，即： 式(4.2)将式（4.1）和式（4.2）相减，即得数字PID增量型控制算法： 式(4.3)式中，表示比例系数； 表示积分系数；表示微分系数。为了编程方便，可将式(3.3)整理成如下形式： 式(
24、4.4)式中， 4.3 调节阀开度显示的设计因为系统设计中要求显示0-100%的阀门开度，而通过A/D转换后得到的是0-255的数，为此我们采用如下公式来把A/D转换的数据换算成阀门的开度。 式(4.5)式中 电位器动触点输出的转换后实际值； 电位器器动触点最大行程时输出的转换后值，其默认值为255；电位器器动触点最小行程时输出的转换后值，其默认值为0。通过式(4.5)，我们可以为阀门定位器的电位器在现场与阀芯反馈杆的连接带来方便。因为电位器的最大行程距离与阀芯的最大行程距离是不可能相同的，而我们要通过改变机械结构使阀芯的最大行程与电位器的最大行程完全匹配是相当困难的，所以可以根据实际安装时候
25、阀芯的最大行程的来替换默认的值，用最小行程时候的来替换默认的值。这样就可以在阀芯的最大行程距离小于且接近电位器的最大行程距离的条件下，无论阀芯的最大行程距离是多少，都可以准确地测出阀芯的开度。从调节器过来的信号经A/D转换后得到的数据也需通过式(4.5)进行转换。所得到的设定开度与阀门的实际开度进行比较即可得出偏差，如果偏差大于所允许的误差值（小于0.2%），则输出。4.4 PID参数整定PID控制器参数整定是控制系统设计核心内容、它是被控过程特性确定PID控制器比例系数、积分时间和微分时间大小。图4-2 参数合理PID图图4-3 参数不合理PID图参数整定方式主要有以下2种：1.理论计算整定
26、法主要依据系统数学模型，理论计算确定控制器参数。这种方法所到计算数据未必可以直接用，还必须结合工程实际进行调整和修改。2.工程整定方法主要依赖工程经验，直接控制系统试验中进行，且方法简单、易于掌握，工程实际中被广泛采用。控制器参数工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。工程整定方法和理论计算整定法各有其特点，其共同点都是试验，然后工程经验公式对控制器参数进行整定。但采用哪一种方法所到控制器参数，都需要实际运行中进行最后调整与完善，现一般采用是临界比例法。4.5 报警触发条件阀门开度大于90%或小于10%时由阀门定位器感应，得到阀门开度，在确定定位器定位无误后，报警器直接报警。判断阀
27、芯是否没卡住的时候，先判断系统输出是否为0%，若为0%，且定位器判断阀门位置在单位时间内阀门没有动。即判断阀芯被卡住，驱动报警电路，直接报警。若阀门线圈被烧毁则现象与阀芯卡住一致。5 系统总体设计方案5.1 系统硬件的配置及组成原理5.1.1 单片机单片机(Microcontrollers)是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器和计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广
28、泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机4。单片机应用广泛，主要应用如下：(1)在家用电器领域的应用现在在家用电器的更新、市场开拓等方面，单片机的应用越来越广泛，比如电子玩具或者高级的电视游戏机中，会应用单片机实现其控制功能；而洗衣机可以利用单片机识别衣服的种类与脏污程度，从而自动选择洗涤强度与洗涤时间；在冰箱冷柜中采用单片机控制可以识别食物的种类与保鲜程度，实现冷藏温度与冷藏时间的自动选择；微波炉也可以通过单片机识别食物种类从而自动确定加热温度与加热时间等等，这些家用电器在应用单片机技术后，无论是性能还是功能，与传统技术相比均有长足的进步。(2)在
29、医用设备领域的应用现代医疗条件越来越发达，人们对医疗灭菌消毒技术也越来越重视，但是一些偏远地区的小医院、小诊所其消毒灭菌设备还十分简陋，无法有效的控制消毒质量。随着单片机技术的发展，其体积较小、功能强大、具有灵活的扩展性、应用方便的特点也越来越突出，因此在医用呼吸机、分析仪与监护仪、超声诊断设备、病床呼叫系统等设备中得到了广泛的应用。(3)在工业控制领域的应用其实最早的单片机正是从工业领域开始兴起的，至今其在工业控制领域的应用仍然十分广泛，利用单片机技术构成多种多样的数据采集系统与智能控制系统，比如工厂流水线的智能化管理、智能化电梯、报警系统等等，均是通过单片机技术与计算机联网构成二级控制系统
30、。(4)在仪器仪表领域的应用上文中也谈到单片机具备集成度高、体积小、较强的控制功能与扩展的灵活性等特点，并且处理速度快，具有较高的可靠性，所以在智能仪器仪表领域其应用也十分广泛。从某种程度而言，单片机带动了传统测量、控制仪器仪表技术的一项革命，通过单片机技术实现了仪器仪表技术的数字化、智能化、综合化以及多功能化，与传统的电子电路或者数字电路相比，其功能更强大，综合性更突出。智能化仪表中应用单片机已十分广泛。直到现在，MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品(如目前流行的89S51、89C51等)。ATMEL公司的单片机AT89C51，它除了增加4KB的E2PROM外，其余的与MCS一
31、51系列的8031单片机完全一样。AT89C51同8031一样有4个8位并行U0口，两个16位可编程序的定时器计数器，128字节RAM，5个中断源，全双工串行通讯H，操作电压为2.7V至5.5V，主频110592MHZ。AT89C51是一种低功耗高性能的8位单片机，片内带有一个4K字节的Flash可编擦除只读存储器(EPROM)，它采用了CMOS工艺和高密度非易失性存储器(NURAM)技术，而且其输出引脚和指令系统与MCU一51系列单片机兼容。片内Flash存储器允许在系统内可改编程序，主要用在工业控制。可扩展64K字节程序ROM，外部数据存储器。具有5个中断，包括两个外部中断，两个定时器中断
32、，一个串行口中断。AT89C51是功能强大的微控制器(MCU)，具有各功能模块能满足定位器系统的控制。本系统选用89C51单片机，A/D转换芯片ADC0808，可编程的键盘、显示接口芯片8279等组成基本系统。此外，还有一些基本的附加电路，如复位电路、报警电路等。其具体工作原理如下：由阀杆位置传感器拾取阀门的实际开度信号，通过A/D转换变为数字编码信号，与定位器的设定信号的数字编码在CPU中进行对比，计算二者偏差值。CPU根据偏差设定输出指令进行相应的开/关压电阀动作，即：当设定信号大于阀位反馈时，升压阀打开，输出气源压力增大，执行机构气室压力增加使阀门开度增加，减小二者偏差；如设定信号小于阀
33、位反馈则排气阀打开，通过排气减小输出气源压力，执行机构气室压力减小是阀门开度减小，二者偏差减小。正是通过CPU控制阀门来调节输出气源压力的大小使输入信号与阀位达到新的平衡4。图5-1 AT89C51单片机图5-2 AT89C51管脚示意图5.1.2 并行与串行I/O口AT89C51共集成四个8位双向并行接口，每位均设有输出锁存器，输出驱动器和输出缓冲器，四个口分别为P0，Pl，P2， P3。P0口的每一位均由一个输出锁存器、两个三态缓冲器、一个输出驱动器和一个输出控制电路组成，其工作状态受输出控制电路的控制。PO口可作为地址/数据线，又可作为通用O；P1口为一个8位准双向并行I/O口，做通用I
34、/O用；P2口也是一个8位的准双向并行I/O口，比P1口多一个输出转换控制部分。P3口做通用I/O使用时，在为多功能端口时，作读/写信号和标准串行1/O口。AT89C51有一个可编程、全双工的串行I/O口，为通用异步接收/发送器(UART)，也可作同步移位寄存器用。AT89C51的串行I/O设有缓冲寄存器SBUF，能直接寻址的SFR，接收和发送缓冲寄存器。串行I/O口有：方式0、方式1、方式2和方式3四种工作方式。方式0为同步移位寄存器，由TXD引脚发送出同步移位脉冲，由RXD引脚送出或接收串行数据。方式1为I/O位异步接收发送方式，串行数据位由TXD引脚传送出，由RXD引脚将对方发来的串行数
35、据位接收。方式2为11位异步接收发送方式，字符格式的最后可以插入第9位数据位，可设置为奇偶校验位。方式3为11位异步接收发送方式。5.1.3 AT89C51内部定时器/计数器5l系列单片机内部都带有定时/计数器，AT89C51内部有两个16位的定时/计数器：11D和T1。主要特点：定时/计数可是计数方式也可定时方式；计数器模值是可变的，其最大值取决于计数器的位数；可以计算由11D或T1引脚的输入脉冲数，作计数器或频率计。AT89C51的定时器、计数器是可编程的。5.1.4 AT89C51中断AT89C51有五个中断源，即两个外部中断，两个定时/计数器中断和一个串行口中断。当某种中断源产生中断时
36、，便设定在SFR中的中断标志位一TCON中的各位，MCU在从标志位识别出中断种类并响应申请时，立刻从主程序转去执行中断服务子程序以进行中断服务，并保护现场。各种中断的向量地址，即是中断服务程序的入口地址。中断程序结束之后恢复程序运行环境，回到断点处继续执行程序。5.2 A/D转换电路图5-3 ADC0808管脚示意图为了将电气阀门定位器输出的模拟信号转成单片机能处理的数字信号，需要A/D转换器进行转换。A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样
37、和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。将模拟量或连续变化的量进行量化（离散化），转换为相应的数字量的电路。A/D变换包含三个部分：抽样、量化和编码。一般情况下，量化和编码是同时完成的。抽样是将模拟信号在时间上离散化的过程；量化是将模拟信号在幅度上离散化的过程；编码是指将每个量化后的样值用一定的二进制代码来表示。ADC0808是价格适中的逐次比较式8位A/D转换器，可输入8路模拟信号，在这里我们选用IN0和IN1作为模拟信号输入通道。ADC0808的最大不可调误差小于1/2LSB，典型时钟频率为640kHz，每一通道的转换时间约为100 Ls。89C51通过地址线P0.0和读、写控制
38、线控制转换的模拟输入通道地址锁存、启动和输出允许。模拟输入通道地址的译码输入A、B、C由P2.2-P2.4提供，因为ADC0808具有通道地址锁存功能，所以我们省掉了地址锁存器74LS373，直接将P2.2-P2.4分别与A、B、C相连。例如当我们要选中IN0路模拟电路送入ADC0808的时候，执行如下的程序：MOV DPTR, # 0FEFFH;输入ADC0808的地址FEFFH给DPTRMOVA, # 00H;将IN0模拟电压地址送AMOVX DPTR,A; 将A中数据送入A、B、C，并启动ADC08085.3 键盘、显示器接口芯片5.3.1 独立按键独立按键电路图如下所示：图5-4 独立
39、按键电路当按键K1按下时，地通过电阻R1然后再通过按键K1最终进入I/O口形成一条通路，那么这条线路CON8.1这个引脚就是个低电平。当松开按键后，线路断开，就不会有电流通过，那么CON8.1恢复默认高电平。我们就可以通过IO口的高低电平来判断是否有按键按下。5.3.2 矩阵键盘矩阵按键电路图如下所示：图5-5 矩阵键盘电路图矩阵键盘读取方式与独立键盘类似，但其读取方式节省I/O口。5.3.3 键盘消抖绝大多数情况下，我们按按键是不能一直按住的，所以我们通常是判断按键从按下到弹起两种状态发生变化了，就认为是有按键按下。程序上，我们可以把每次按键状态都存储起来，当下一次按键状态读进来的时候，与当
40、前按键状态做比较，如果发现这两次按键状态不一致，就说明按键发生动作了，当上一次的状态是未按下、现在是按下，此时的按键动作就是“按下”；当上一次的状态是按下、现在是未按下，此时的按键动作就是“弹起”。显然，每次按键动作都会包含一次“按下”动作和一次“弹起”动作，我们可以任选一个动作来执行程序，或者两个都用以执行不同的程序也是可以的。通常按键所用的开关都是机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上就稳定的接通，在断开时也不会一下子彻底断开，而是在闭合和断开的瞬间伴随了一连串的抖动，如图5-6所示。图5-6 按键抖动状态图按键稳定闭合时间长短是由操作人
41、员决定的，通常都会在100ms以上，刻意快速按的话能达到40-50ms左右，很难再低了。抖动时间是由按键的机械特性决定的，一般是都会在10ms以下，为了确保程序对按键的一次闭合或者一次断开只响应一次，必须进行按键的消抖处理。当检测到按键状态变化时，不是立即去响应动作，而是先等待闭合或断开稳定后再进行处理。5.4 时钟/报警电路单片机虽有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外接附加电路。内部时钟利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1，XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。最常用的内部时钟方式是采用外接晶体和电容组成的并联谐振回路，振荡晶体可在1.2MHz到12MHz之间选择。系统
42、设置了上、下限位报警。当控制阀开度大于90或小于10时，控制系统能进行报警。该蜂鸣器接到+5V电源便可呜音，当需要报警时，通过程序设置“CLR P2.0”便可使AT89C51的P2.0输出低电平使报警电路报警。6 阀门定位控制系统仿真根据上述设计运用Proteus设计，并应用Keil设计程序。能用到的元件有AT89C51，ADC0808，8段数码管，按钮，LED显示灯，蜂鸣器，按钮等。图6-1 Proteus中所使用的元件代码下图是用Proteus软件仿真作出的阀门定位控制系统仿真单片机连接图。图6-2 阀门定位控制系统仿真单片机连接图运用仿真软件对上图进行测试，得到以下两个阀门开度图。图6-
43、3 阀门开度小于10%仿真图图6-4 阀门开度大于90%仿真图结论本课题最终设计的智能阀门定位器实现了预定的设计目标。位置反馈经过8位20ms采样的A/D转换器进行处理，从而保证了信号处理的精度及快速性。操作程序包括用于自动调整参数的自整定过程及自适应控制程序，用于精确定位的优化控制操作。单片机通过A/D采集实际阀位值和键入的设定阀位值算出偏差，按PID调节阀位达到设定值。根据查阅相关资料，首先根据系统特点。最重要的输入阶段的核心为数模转换。控制核心是单片机，51单片机体积小、成本低、稳定性高。且可以满足本系统的要求。对于其他硬件选择，与单片机匹配，尽量节省单片机资源，便于实现，且满足系统要求
44、。对于编程，根据课本所学知识以及任务的要求。用模块化编程的思想。将任务分为输入，处理，输出三个方面。输入主要为模数转换，确保采集数据稳定，按键输入准确。处理对键盘输入和数模转换而来的数值根据PID进行处理。致谢值此课程设计完成之际，衷心感谢学校和老师能够给予我这次做课程设计的机会，同时也为我们提供了实验室方便进行理论转化为实践，验证本次课程设计的实用性。感谢各位老师对专业课和基础课程的负责教学和平时任务的严格要求，正因如此才能为本次课程设计打下了良好的理论基础。感谢同学能够在我遇到困难时与我进行探讨并提供各种帮助，他们让我明白了团队的强大力量以及分享一些资料和编辑软件的快乐，更重要的是从中学到
45、了很多以前并不了解的知识。参考文献1 武自才.郭万军.智能阀门定位器控制系统设计J.仪器仪表标准化与计量.2006,(6):39-41.2 孙林军.智能控制PID研究D.浙江:浙江工业大学硕士论文.2003.3 顾德英,罗云林,马淑华.计算机控制技术（第三版）M.北京:北京邮电大学出版社.2006.4 高玉芹.单片机原理与应用及C51编程技术M.北京:机械工业出版社,2011.5 曹长刚.气动阀门定位器控制系统的研究D.南昌:南昌大学硕士论文,2010.附录模拟量输入LED显示程序#include unsigned char code dispbitcode=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7, 0xef,0xdf,0xbf,0x7f; unsigned char code dispcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00; unsigned char dispbuf8=10,10,10,10,10,0,0,0; unsigned char dispcount; unsigned char
