電子信息工程專業(yè)畢業(yè)論文--智能閥門控制器的硬件設計

1、電子信息工程專業(yè)畢業(yè)論文-智能閥門控制器的硬件設計 摘 要在現(xiàn)代工業(yè)自動化控制中工業(yè)過程控制的質量很大程度上取決于過程控制儀表性能的高低氣動調節(jié)閥是工業(yè)過程控制的重要調節(jié)機構本文研究的調節(jié)型閥門控制器是氣動調節(jié)閥的核心附件它能夠顯著改善閥門的動態(tài)特性提高閥門的響應速度定位精度以及控制靈活性本文先對國內外智能閥門控制器進行了對比和分析然后詳細闡述了智能閥門控制器的總體及硬件設計論文主要解決了基于MSP430單片機的閥門硬件控制電源相序的檢測電機保護等關鍵問題并且由基于MSP430的單片機系統(tǒng)實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的數(shù)字化智能化控制提高了控制精度針對當前國內閥門電動裝置主要為機械式開關控制的現(xiàn)狀本著在現(xiàn)有

2、機械結構上改動最小的原則利用傳感器和電子電路替換傳統(tǒng)的機械控制結構并且開發(fā)了集執(zhí)行機構驅動單元調節(jié)控制單元現(xiàn)場顯示儀表等為一體的機電一體化智能電動執(zhí)行器本文設計并實現(xiàn)智能閥門控制器對提高國內閥門控制的自動化水平和智能閥門電動裝置生產(chǎn)水平參與國際競爭具有重要的現(xiàn)實意義關鍵詞調節(jié)型閥門控制器系統(tǒng)硬件電路設計The Hardware Design of Adjustable Valve ControllerABSTRACTIn modern industrial automation control the quality of industrial process control depends

3、to a great extent on the performance level of process control instrumentation Pneumatic control valve is an important governor motion of industrial process control and the adjustable valve controller studied in this paper is the main attachment of pneumatic control valve it can significantly improve

4、 the dynamic characteristics of valves improve the control speed precision and flexibility of valvesThis paper analyzes the research situation and future development of the adjustable Valve Controller home and abroad and also carries on the contrast and the analysis to them and finds the solution of

5、 some key problems such as hardware designs of the intelligent valve controller based on MSP430 single chip processor phase sequence test of power source motor protection and so on Then in the view of the situation that the major current domestic electric valve actuator is controlled by the mechanic

6、al type switch the design of hardware of the adjustable valve controller was elaborated in detail based on the principles such as modifying the smallest in the existing mechanism replacing tradition machinery control structure by the sensor and the electronic circuit situation of the overall system

7、being digitally and intellectually controlled by the programmable MCU system to improve the control accuracy This electro mechanics integrates actuator drive unit adjusting control unit and field display meter This paper design and implement the intelligent valve controller which has great practical

8、 significance for raising the level of the automation of the domestic valve control and the level of the production of the intelligent electric valve actuator and for participating international competitionKey Words Adjustable valve controllerHardware systemCircuit design第一章 緒 論111調節(jié)型閥門執(zhí)行器的發(fā)展及現(xiàn)狀1com

9、門執(zhí)行器的發(fā)展及現(xiàn)狀1com門執(zhí)行器的發(fā)展及現(xiàn)狀212 本課題的目的及內容4com 課題的背景及意義4com 課題研究的主要內容5第二章 調節(jié)型電動執(zhí)行器控制閥門的總體設計621普通閥門電動裝置的結構與功能特點622調節(jié)型閥門控制器總體設計方案7com閥門控制器設計要求7com閥門控制器功能分析8com閥門控制器基本原理8第三章 調節(jié)型閥門控制器中央處理單元1231單片機的選擇1232 MSP430F135IPM的基礎時鐘1733 MSP430F135IPM的定時器18com定時器18com 16位定時器A19com 16位定時器B2234 MSP430F135IPM的各端口2335 MSP4

10、30F135IPM的模數(shù)轉換2436 FLASH存儲器24第四章 調節(jié)型閥門控制器外圍電路設計及抗干擾2641 外圍接口電路設計26com 三相電鑒相電路及接口設計26com 開關量控制接口設計29com 繼電器驅動電路設計30com 顯示接口設計31com 電源電路設計36com 遠程模擬控制設計39com 電流工作及保護電路設計42com 開度檢測模塊設計4442 控制器系統(tǒng)硬件抗干擾措施44第五章 結論與展望47參考文獻48致謝50第一章 緒論11 調節(jié)型閥門執(zhí)行器的發(fā)展及現(xiàn)狀執(zhí)行器是工業(yè)自動化系統(tǒng)中的執(zhí)行單元也是自動化系統(tǒng)中最重要的組成部分之一電動執(zhí)行器一般是以電動機作為動力源的閥門電

11、動裝置其作用是將控制信號轉換成相應的動作來控制閥內截流件的位置或其它調節(jié)裝置com門執(zhí)行器的發(fā)展及現(xiàn)狀近年來我國電動閥門研制行業(yè)堅持技術進步加快新產(chǎn)品開發(fā)涌現(xiàn)出一批各具特色的高新技術產(chǎn)品如北京機床所的直動式電液伺服閥杭州精工液壓 機電公司的低噪聲比例溢流閥 擁有專利 寧波華液公司的電液比例壓力流量閥 已申請專利 均為機電一體化的高新技術產(chǎn)品并己投入批量生產(chǎn)取得了較 好的經(jīng)濟效益目前國內研制的新型智能電動執(zhí)行器的主要特點是主要技術指 標正在向國際 90 年代初水平看齊工作死區(qū)小于 08 級回差和基本誤差都小 于 1 級使用方便具有自診斷自調整和 PID 調節(jié)功能PI調節(jié)功能但目前僅是個別使用沒有

12、形成產(chǎn)品北京航空航天大學機械工程及自動化學院現(xiàn)場總線及工業(yè)測控技術研究室與天津百利二通機械合作于2002年成功開發(fā)了基于現(xiàn)場總線的閥門控制系統(tǒng)首次將現(xiàn)場總線CANController Area Network控制器局域網(wǎng)總線應用于國內通用型閥門電動裝置另外上海交通大學哈爾濱工業(yè)大學天津大學大連理工大學重慶大學等高校也都對閥門電動裝置的調節(jié)型化控制器進行了相關的研究并取得一定的成果通過上述分析可以說調節(jié)型閥門電動裝置今后幾年在國內將進入發(fā)展成熟階段而且隨著工業(yè)自動化的進步控制技術的發(fā)展及受數(shù)字技術和微處理技術的影響人們對工業(yè)過程控制的終端執(zhí)行器提出了新的要求以及調節(jié)型閥門電動裝置與傳統(tǒng)的普通閥門

13、電動裝置相比的突出優(yōu)勢可以推測在未來幾年時間調節(jié)型閥門電動裝置將會在很大層面上取代普通閥門電動裝置因此進行調節(jié)型閥門電動裝置控制器的研究開發(fā)提升國內產(chǎn)品的技術水平以參與國際競爭勢在必行com門執(zhí)行器的發(fā)展及現(xiàn)狀自1929年LIMITORQUE公司制造出了世界上第一臺電動執(zhí)行機構以來國際上電動執(zhí)行器技術水平發(fā)展迅速20世紀80年代起國外相繼推出了符合各種現(xiàn)場總線標準的調節(jié)型執(zhí)行器在工業(yè)現(xiàn)場取得了較好的應用效果由于高新技術的迅猛發(fā)展目前國外己開發(fā)出新一代調節(jié)型化電動執(zhí)行機構產(chǎn)品電子計算機技術微機控制技術己在閥門設計中得到廣泛應用這些調節(jié)型化電動執(zhí)行器功能強大簡單可靠技術先進國際著名的電動執(zhí)行器公司

14、英國的ROTORK羅托克生產(chǎn)的IQ系列調節(jié)型化電動執(zhí)行器不但具有調節(jié)型通信調節(jié)型控制支持多種現(xiàn)場總線的功能而且其獨有的雙密封系統(tǒng)和紅外線非侵入式設定使它可用在任何環(huán)境中防水防暴終身可靠調試及故障排除簡單德國HartmannBraum公司新一代產(chǎn)品調節(jié)型電動執(zhí)行器MOE700實現(xiàn)了調節(jié)型式電子一體化變頻變速定位監(jiān)控等功能代表著該領域的世界先進水平的公司還有美國的JORDAN公司和LIMITORQUE公司等幾家國外著名的公司JORDAN公司的調節(jié)型電動執(zhí)行器突出特點是動作頻率高其動作頻率是20004000h而國內的電動執(zhí)行器動作頻率在2000h以下一般動作頻率達到1200h就是很高的了調節(jié)型電動執(zhí)

15、行器集微機技術和執(zhí)行器技術于一體以調節(jié)型放大器取代傳統(tǒng)的磁放大器是一種新型的終端控制單元是工業(yè)控制與自動化系統(tǒng)當前和今后發(fā)展動向之一國際上電動執(zhí)行器向五個方向發(fā)展調節(jié)型性現(xiàn)場總線調節(jié)型性輕巧實用性重型安全復位性目前調節(jié)型化閥門電動裝置在國外已經(jīng)形成許多系列產(chǎn)品廣泛應用于許多工業(yè)領域中并呈現(xiàn)出全方位調節(jié)型化全方位體現(xiàn)在閥門電動裝置與儀表執(zhí)行機構這兩類產(chǎn)品概念的統(tǒng)一即其產(chǎn)品已經(jīng)將上述兩類產(chǎn)品性能集于一身其突出特點在于 1機械結構的精簡可靠電子電路高度集成化模塊化把整個控制回路裝在一個現(xiàn)場儀表閥門電動裝置之中同時可在不使用專用的工具移去任何封蓋的前提下進行系統(tǒng)設置而是通過安置在控制儀表板上的LCDL

16、iquid Crystal Display和本地控制開關來完成這樣使控制系統(tǒng)的設計安裝操作和維護等工作大大簡化且減少因信號傳輸中的泄漏和干擾等因素對系統(tǒng)的影響提高了可靠性此外在結構設計上充分考慮到抗惡劣工作環(huán)境的因素其組件多帶有保護涂層以防腐蝕外殼采用密封式經(jīng)得起溫度濕度的大范圍變化和振動沖擊的考驗保證工作可靠例如OTORK公司生產(chǎn)的Q300系列電動裝置就帶有防水保護和雙層密封外殼工作溫度度在-3070之間從這些可以折射出國外閥門電動裝置生產(chǎn)廠商的規(guī)模生產(chǎn)能力以及其技術工藝的成熟和完善2功能的完備主要體現(xiàn)在其一機多用途完全具備閥門電動裝置儀表執(zhí)行器的所有功能計算機控制功能除了能精確確定閥門全行

17、程的兩個極限位置外還可按給定值自動進行過程調節(jié)控制流量和壓力等過程變量通過微處理器和PID或調節(jié)型控制算法編程實現(xiàn)例如VALTEK公司的Starpac調節(jié)型化閥門電動裝置能響應外部4-20mA模擬信號或經(jīng)由RS-485通訊口發(fā)來的數(shù)字信號或按自身程序設定的參數(shù)進行PID控制安全保護功能具有高度的自身保護和系統(tǒng)保護功能如自動調整三相電源的相序而保證電機正確起動避免因相序接錯導致電機反轉而損壞電動裝置和閥門此外還能在閥門卡死的情況下防止閥門因過轉矩而損壞ROTORK公司生產(chǎn)的IQ型調節(jié)型化閥門電動裝置具有上述兩種功能它裝有相同步器自動相序調整裝置可確保IQ的三相電動機始終具有正確的相序電源其次如果

18、閥門卡死當啟動信號發(fā)出715秒后無任何的動作IQ的執(zhí)行器內部邏輯電路可將相應的觸點斷開除了有自身保護功能外調節(jié)型化閥門電動裝置還具有系統(tǒng)保護功能即當某些部件出現(xiàn)故障或系統(tǒng)出現(xiàn)其它問題時會自動采取應急措施以免發(fā)生事故調節(jié)型診斷功能在閥門電動裝置上裝有一些附加的傳感器或檢測電路專門用于故障檢測微處理器在運行中連續(xù)對整個系統(tǒng)進行檢測一旦發(fā)現(xiàn)問題立即執(zhí)行預定的程序自動采取應急措施并報警告知用戶3業(yè)現(xiàn)場總線技術無線通訊技術的工業(yè)產(chǎn)品化應用調節(jié)型閥門電動裝置利用數(shù)字通訊手段與主控制室相連主控制室送出的可尋址數(shù)字信號通過電纜被電動裝置接收電動裝置的微處理器根據(jù)收到的信號對電動裝置進行相應的控制12 本課題的

19、目的及內容com 課題的背景及意義本課題是一智能型智能電動閥執(zhí)行機構是開發(fā)電動閥智能控制器以取代原來的PLC增加多單片機接口可以降低成本增強企業(yè)產(chǎn)品的競爭力智能閥門控制器為控制系統(tǒng)的核心是將送油調節(jié)閥溢流閥電磁回油閥等融為一體的具有高精度調節(jié)壓力上限保護加荷卸荷換向快速送回油等多種控制功能的機電一體化組合體智能閥門控制器接收傳感器和定位探頭等的信號后通過閥門控制電機組件對閥門進行控制調節(jié)實現(xiàn)對整個抗壓試驗過程的智能化自動控制同時進行力值采集和強度的計算顯示和數(shù)據(jù)的打印保存可以查詢所保存的歷史數(shù)據(jù)MSP430單片機的調節(jié)型電動執(zhí)行器有很好的市場前景主要具有如下的現(xiàn)實意義和實際價值1系統(tǒng)提出模塊化

20、的設計思想采用MSP430單片機作為閥門控制系統(tǒng)主控CPU具有低成本低功耗和高性能的處理能力對電機的數(shù)字化控制非常有用同時幾種先進的外設被集成到芯片內部形成真正的單芯片控制器外設集成度高程序存儲空間更大AD轉換速度更快等特點是電機數(shù)字化控制的升級產(chǎn)品2利用固態(tài)繼電器控制電機的可逆運轉的技術設計調節(jié)型電動執(zhí)行器非常適用于頻繁啟動易燃易爆潮濕等環(huán)境惡劣的場合與自控遠控設備中3實現(xiàn)了自動化儀表技術從模擬技術向數(shù)字技術的轉變自動化系統(tǒng)從封閉式系統(tǒng)向開放式系統(tǒng)的轉變4將控制顯示等功能下載到執(zhí)行器中更好的實現(xiàn)了其調節(jié)型化并簡化了上層系統(tǒng)5大大的縮短了我國電動執(zhí)行機構與國外同類產(chǎn)品的差距6為國民經(jīng)濟各部門提

21、供新的自動化裝備從而帶來更高的效益7振興我國儀表工業(yè)當前世界上有名的儀表公司的產(chǎn)品進入我國市場競爭激烈只有保持技術上和國外同步促進儀表產(chǎn)品結構的調整才能立于不敗之地com 課題研究的主要內容本課題是在充分了解國內外調節(jié)型閥門電動執(zhí)行機構技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的基礎上認真研究了其優(yōu)點和不足之處并結合國內用戶的需求及應用環(huán)境而提出的在國內現(xiàn)有的同類產(chǎn)品基礎上將單片機技術電子技術傳感器技術應用在電動執(zhí)行器中開發(fā)了集執(zhí)行機構驅動單元調節(jié)控制單元現(xiàn)場顯示儀表等為一體的機電儀一體化的調節(jié)型執(zhí)行器以MSP430單片機為中心對閥門電動裝置通過開關式控制機構在行程到位過轉矩或故障發(fā)生時直接切斷該機構在電氣控制回路中

22、的對應常閉觸點來斷開電機電源的方式故障檢測包括相序檢測及自動調整環(huán)節(jié)斷相檢測環(huán)節(jié)電機過熱檢測環(huán)節(jié)及極限位置檢測等開度控制包括控制電機正反轉環(huán)節(jié)和開度顯示環(huán)節(jié)等主要功能包括本地控制和遠程控制兩個方面本地控制使用旋鈕控制電動執(zhí)行器開度遠程控制使用4-20mA標準信號控制執(zhí)行器開度輸出需要顯示電機開度同時使用指示燈顯示電機狀態(tài)通過傳感器實現(xiàn)行程和轉矩控制機構實時采集行程和轉矩信息并以電信號的形式傳至MSP430分析處理MSP430根據(jù)處理結果實時刷新開度指示模塊的開度顯示并通過電機驅動模塊控制電機的正轉反轉和停止狀態(tài)檢測模塊在系統(tǒng)上電后即對電機電源的相序正反是否缺相電機溫度過熱等狀態(tài)實時監(jiān)控異常時向

23、MSP430發(fā)出相應的故障信號MSP430及時做出故障處理如通過電機驅動模塊使電機停止等并通過開度指示模塊顯示故障報警信息LCD漢字顯示界面并使結構上達到了操作時非侵入的要求使得該調節(jié)型閥門控制器實現(xiàn)了對信息采集的數(shù)字化控制處理的精確化人機交互的人性化調節(jié)型化以及操作設置的安全化21普通閥門電動裝置的結構與功能特點普通閥門電動裝置對于行程和轉矩的控制均由機械開關式行程和轉矩控制機構實現(xiàn)如圖21所示包括機械開關式行程控制機構可調式開度指示器和機械開關式蝶簧組及轉矩控制機構用以控制閥門的開啟關閉及閥門位置的開度指示和開關閥門過程中的轉矩保護1電機 com 4蝸桿 5蝸輪 6輸出軸 com 9行程控

24、制機構 10中間齒輪 com槽 13曲柄 14轉矩控制機構 15蝶簧組及轉矩控制機構圖21 普通閥門電動裝置結構示意圖Fig 21 Structure of ordinary valve機械開關式行程控制機構由十進位齒輪組頂桿凸輪和微動開關組成簡稱計數(shù)器其工作原理是由減速箱內的一主動小齒輪帶動計數(shù)器工作如果計數(shù)器按閥門開或關的位置已調整好當計數(shù)器隨輸出軸轉到預先調整好的位置圈數(shù)時則凸輪將被轉動90°壓迫微動開關動作切斷電源電機停轉以實現(xiàn)對電動裝置行程的控制為了控制較多圈數(shù)多回轉的閥門可調整凸輪轉180°或270°再迫使微動開關動作同時其指針式閥門開度指示由可調式開

25、度指示器實現(xiàn)其由減速齒輪組調節(jié)齒輪閥門開度表盤凸輪微動開關及電位器組成在現(xiàn)場調試時根據(jù)所配閥門開關的圈數(shù)將調節(jié)齒輪調整到所需位置并與減速齒輪組嚙合當閥門在開啟或關閉過程中開度盤經(jīng)減速后轉動指示閥門的開度值指示角度與閥門開度值同步機械開關式轉矩控制機構由曲柄碰塊凸輪分度盤支板和微動開關組成當輸出軸受到一定的阻力轉矩后蝸桿除旋轉外還產(chǎn)生軸向位移帶動曲柄旋轉同時使碰塊也產(chǎn)生一定角位移從而壓迫凸輪使支板上抬當輸出軸上的轉矩增大到預定值時則支板上抬到直至微動開關動作切斷電源電機停轉實現(xiàn)對電動裝置輸出轉矩的控制通過以上描述可見機械開關式行程和轉矩控制機構存在著安裝設置調整繁瑣控制精度不高不易實現(xiàn)閥門開度的

26、電子式數(shù)字顯示轉矩只能針對某個具體值進行控制無法實現(xiàn)連續(xù)的采集和控制等弊端另外普通型閥門電動裝置是靠三相異步電機通過傳動機構來帶動閥門的啟停電機靠交流接觸器控制除電氣控制回路外還有各種保護電路例如熔斷器熱繼電器過轉矩保護等這種閥門電動裝置控制回路簡單可靠性較好但所提供的故障信息較少使用維護不便也無法實現(xiàn)聯(lián)動功能22調節(jié)型閥門控制器總體設計方案com閥門控制器設計要求調節(jié)型電動執(zhí)行器是以單片機為核心的控制電路要求其使用時性能穩(wěn)定可靠控制部分緊湊合理各功能單元既相互獨立又互有接口方便維修和在線擴展等優(yōu)點具體設計要求如下1完成三相異步電動機的正轉反轉停止的控制2能實現(xiàn)對電機正反轉間的互鎖防止電源間的

27、短路3 能實現(xiàn)對三相電源進行缺相相序檢測避免因缺相帶來的電機過熱4 接受開關量控制通過操作面板上開關或遠程的開閥關閥開關控制開關閉合時電機立即啟動開關斷開時立即停止5 完成對閥門開度檢測并進行反饋控制同時實現(xiàn)變送4-20mA電流信號信號輸出6 完成對閥門力矩檢測并進行反饋控制檢測閥門的行程上下限和力矩上下限7 控制面板上有本地停止遠程三種模式選擇開關和本地模式下開關操作旋轉開關在遠程模式下可進行模擬量和開關量控制8 顯示部分采用液晶背光型默認設置下可顯示閥門開度閥門力矩故障報警代碼操作模式電流大小在進行參數(shù)設定時顯示各種設置參數(shù)符號9 電機的過熱保護采用熱保護器電機內埋入PT100熱電阻可用通

28、過程序進行 80150 內的任意溫度設定起電機保護作用10 分辨率1元器件選用工業(yè)級11 具有較強抗干擾能力 例如電磁干擾噪聲干擾溫度影響 com閥門控制器功能分析在充分理解和分析國外先進調節(jié)型閥門電動裝置及其控制器的基礎上提出本設計中的調節(jié)型非侵入式閥門電動裝置控制器應具有以下功能1系統(tǒng)要求電機能夠正轉反轉和停轉控制因此系統(tǒng)采用了帶互鎖的繼電器控制電機并配合元件互鎖保證電機安全可靠工作在繼電器進線端采用了光電耦合實現(xiàn)強電與弱電的隔離提高了系統(tǒng)的抗干擾能力2為了實現(xiàn)對閥門開度的檢測系統(tǒng)需要檢測閥門的轉動位置通過4-20mA標準信號轉換傳輸?shù)絾纹瑱C從而對電機開度進行實時的檢測實現(xiàn)電機的開度控制和

29、顯示3為了實現(xiàn)對閥門力矩的檢測系統(tǒng)需要檢測電機的三相電流按照相應的換算關系間接檢測力矩的大小4由于開度和力矩值需要變送輸出因此系統(tǒng)要設計開度和力矩的變送模塊5為了實現(xiàn)遠程模擬量的控制系統(tǒng)需要檢測遠程模擬量值經(jīng)過A D轉換實現(xiàn)電動機在對應控制信號位置時停止6另外設置的參數(shù)要在液晶屏上顯示系統(tǒng)還需要設計顯示模塊7為了使系統(tǒng)在掉電后能夠長時間工作系統(tǒng)還需要選用一款低功耗單片機來檢測和記錄開度其他電路都保持掉電狀態(tài)8針對電機內部溫度過熱的現(xiàn)象系統(tǒng)設計了溫度檢側模塊來實時檢測電機的溫度值com閥門控制器基本原理根據(jù)前面對普通閥門電動裝置的結構功能特點及調節(jié)型閥門控制器的功能要求的分析本著對現(xiàn)有普通閥門電

30、動裝置結構上改動最小即可實現(xiàn)調節(jié)型化的原則針對直接開關位置控制方式開發(fā)實用的符合我國國情的調節(jié)型非侵入式閥門電動裝置控制器用于驅動和控制多回轉閥門裝置提出的總體設計方案如下本設計將微機控制技術傳感器技術和電子技術引入到閥門的控制系統(tǒng)中改變了普通閥門電動裝置中通過開關式控制機構包括行程轉矩和故障檢測機構在行程到位過轉矩或故障發(fā)生時直接切斷該機構在電氣控制回路中的對應常閉觸點來斷開電機電源的方式如圖22所示在調節(jié)型閥門控制器中以調節(jié)型中央處理單元為核心實現(xiàn)對單臺閥門的控制電機帶動機械傳動機構使電動裝置運行通過傳感器實現(xiàn)的行程和轉矩控制機構實時采集行程和轉矩信息并以電信號的形式傳至中央處理單元分析處

31、理中央處理單元根據(jù)處理結果實時刷新開度指示模塊的開度顯示并通過電機驅動模塊控制電機的正轉反轉和停止狀態(tài)檢測模塊在系統(tǒng)上電后即對電機電源的相序正反是否缺相電機溫度過熱等狀態(tài)實時監(jiān)控異常時向中央處理單元發(fā)出相應的故障信號中央處理單元及時做出故障處理如通過電機驅動模塊使電機停止等并通過開度指示模塊顯示故障報警信息中央處理單元通過非侵入現(xiàn)場開關機構接受控制者對控制器的設置及操作信息并通過控制其它模塊做出相應的動作遠程功能模塊通過與中央處理單元交互實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠程控制和狀態(tài)采集以下分別對各個模塊的設計方案和選型進行具體闡述圖22 調節(jié)型閥門控制器總體框圖Fig 22 Intelligent valve

32、controller general diagram1中央處理單元如前所述中央處理單元是調節(jié)型閥門控制器的標志與核心支配系統(tǒng)各個功能模塊協(xié)調地工作檢測各種工作狀態(tài)信息和行程轉矩信息處理后通過開度指示模塊實時更新接收用戶輸入的控制指令信息控制電機動作并根據(jù)狀態(tài)異常情況發(fā)出各種報警信息因此該模塊利用可編程的單片機系統(tǒng)實現(xiàn)2行程控制機構為了實現(xiàn)中央處理單元對閥門開啟位置的連續(xù)電信號采集本設計采用金屬膜精密電位器與閥門同軸作為行程控制機構當閥門關到位時對應電阻值最小當閥門開到位時對應電阻值最大在閥門的極限位置裝有行程開關避免電機在閥門到位時堵轉也避免在開關初始位處易出現(xiàn)的開關不嚴的現(xiàn)象3轉矩控制機構目

33、前用于閥門電動裝置轉矩控制的方式有通過檢測電機電流折算輸出轉矩通過測力傳感器計算輸出轉矩通過絕對值編碼器檢測變形計算輸出轉矩結合當前閥門電動裝置的特點考慮到以電機電流方式控制轉矩會受到溫度電壓等多種因素干擾不易實現(xiàn)因此本系統(tǒng)采用了極限位置轉矩控制方式即當開度達到滿度時通過位置開關強行停止轉矩當開度未達到滿度時通過電機的啟動停止來控制轉矩的運行4開度指示模塊如前所述傳統(tǒng)的普通型閥門電動裝置都是通過指針式開度指示機構來指示當前的閥門開度閥門位置受視角因素以及人為因素的影響本設計中使用液晶屏顯示開度直接接受中央控制單元發(fā)出的控制信號通過液晶驅動模塊的驅動實現(xiàn)精度更高的數(shù)字化顯示同時還能提供給用戶更加

34、人性化的界面除了開度顯示外用戶可以通過該界面對調節(jié)型閥門控制器的工作方式和遠程狀態(tài)輸出等進行設置同時也可清楚地了解電動裝置當前的工作狀態(tài)如是否有報警信號等另外本設計選用122×32點陣液晶可顯示兩行每行7個半漢字符合國內用戶的使用習慣5電機驅動模塊閥門電動裝置主要是通過電機驅動閥門的正反向運轉對于三相異步電機要實現(xiàn)其可逆運轉只需改變三相主回路上任意兩相電源的相序即可也就是要改變電動機的接線位置用兩臺交流接觸器交替地給電動機送入L1L2L3相序電源和L3L2L1相序電源電動機就可以實現(xiàn)逆向運轉如圖23所示本電路由熔斷器Fu正轉交流接觸器觸點KO反轉交流接觸器觸點KC和電動機M構成主回路

35、KO合閘后送入電動機接線柱UVW的電源相序為L1L2L3電動機正轉KC合閘送入電動機接線柱UVW的電源相序為L3L2L1電動機反轉圖23 調節(jié)型閥門控制器電機驅動模塊Fig 23 Intelligent valve motor drive controller module在電氣控制回路中接入兩個12V線圈的小型繼電器J1和J2的觸點并且實現(xiàn)硬件上的互鎖結構如圖23所示J1J2分別控制交流接觸器KOKC的通斷并且J1J2的線圈直接受中央處理單元的開關量控制信號控制中央處理單元通過鑒相電路判斷送入電動機接線柱UVW的電源相序是否是正序是的話按照上一段的描述則J1閉合控制電機正轉J2閉合控制電機反

36、轉否則J1閉合控制電機反轉J2閉合控制電機正轉因此中央處理單元只要控制J1J2就能實現(xiàn)對電機的正反轉和停止控制同時實現(xiàn)了自動調相功能避免了因為接線相序錯誤而造成危險另外該方案省去了普通閥門控制器控制回路中的急停開關電機熱繼電器常閉觸點等器件而由狀態(tài)檢測電路對上述狀態(tài)進行監(jiān)控出現(xiàn)異常時通知中央處理單元中央處理單元通過J1J2斷開使電機停轉即可6狀態(tài)檢測模塊該模塊負責檢測除行程和轉矩以外的狀態(tài)信息在閥門電動裝置除上述兩種外的工作狀態(tài)異常時提供給中央處理單元相應的故障信息以便及時處理該模塊可通過設計硬件電路實現(xiàn)根據(jù)電路實現(xiàn)機制不同該模塊可分為兩部分第一部分是檢測電源缺相控制回路熔斷器熔斷電機溫度過熱

37、等故障的電路該部分均是通過調理電路間接檢測380V電壓的通斷并將其轉換成能被中央處理單元識別的開關量信息從而使中央處理單元在故障發(fā)生時能夠進行及時的處理另一部分則是鑒相電路它負責鑒別送入電動機接線柱的電源相序的正反并以開關量的形式提供給中央處理單元中央處理單元根據(jù)相序的情況控制電機驅動模塊正確地執(zhí)行開關閥門的動作7遠程功能模塊根據(jù)功能不同該模塊可以分成三個部分第一遠程開關對閥門電動裝置的點動控制第二可以指示電動裝置各種工作狀態(tài)的開關量輸出以便實現(xiàn)聯(lián)動功能這兩種功能均可由繼電器接入中央處理單元的輸入輸出接口并通過軟件編程實現(xiàn)第三章 調節(jié)型閥門控制器中央處理單元本章在前一章總體設計的基礎上針對該調

38、節(jié)型閥門控制器的硬件設計進行了詳細的闡述實現(xiàn)了整個控制器系統(tǒng)的調節(jié)型化31單片機的選擇調節(jié)型閥門控制器中央處理單元是調節(jié)型閥門控制器的核心單元負責系統(tǒng)的所有控制活動系統(tǒng)將采集的各種信號數(shù)字信號經(jīng)AD轉換的模擬信號開關信號送的處理單元再根據(jù)按用戶要求設計的軟件程序控制系統(tǒng)從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)字化和調節(jié)型化根據(jù)系統(tǒng)設計要求應選擇IO口等片上資源豐富處理速度塊低功耗開發(fā)簡單快捷并具有較高集成度的單片機作為中央處理器以盡可能減小電路板的面積因此最好選用集成度較高的SOCSystem on Chip單片機這類單片機將各種外圍功能模塊集成于片內且具有較大的數(shù)據(jù)和程序存儲區(qū)從而避免了某些外圍器件和存儲器的擴展

39、這樣不僅能節(jié)省電路板的空間減少了電子元件的使用同時又避免了復雜的電子連線提高了系統(tǒng)的可靠性本設計系統(tǒng)的控制核心采用了TI公司的16位高性能MSP430F135單片機用來檢測系統(tǒng)的輸入狀態(tài)控制系統(tǒng)各個部分的輸出TI公司的MSP430系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器其中包括一系列器件它們針對不同的應用而由不同的模塊組成它們具有16位RISC結構CPU中的16個寄存器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430微控制器能達到最高的代碼效率靈活的時鐘源可以使器件達到最低的功率消耗其MSP430系列單片機有以下特點1 低電壓低功耗MSP430系列單片機能夠在穩(wěn)定的工作在18V-36V之間在系統(tǒng)時鐘頻率較低的情況下

40、其消耗電流能降低到400A以下有多種低功耗模式可以在不同的模式實現(xiàn)超低功耗2 強大的處理能力MSP430系列單片機具有16位RISC結構簡潔的內核指令系統(tǒng)當工作在8MHz系統(tǒng)時鐘下時指令周期為125s3 穩(wěn)定的工作性能MSP430單片機中內置看門狗同時系統(tǒng)能夠在多個時鐘源之間切換保證系統(tǒng)正常工作4 豐富的片內資源MSP430系列內置了豐富的片內資源模塊主要包括看門狗 WDT 定時器A TimerA 定時器B TimerB 比較器串口0串口1 USTRA0USTRA1 硬件乘法器模數(shù)轉換 ADC 基本AD口基本定時器等5 工業(yè)級產(chǎn)品MSP430系列單片機都是工業(yè)級產(chǎn)品具有-0°85&#

41、176;的工作溫度范圍并具有較強的抗干擾能力MSP430系列單片機具有OPTFlashEPROM和ROM四種類型其中具有片內JTAG調試接口的Flash型MSP430單片機擁有十分便捷的開發(fā)環(huán)境通過JTAG將程序下載到Flash內上位機軟件控制片內程序的運行向JTAG接口輸出片內信息供調試開發(fā)不需要額外的仿真器和編程器節(jié)約了開發(fā)成本MSP40F135單片機是MSP430X13X系列中的一種除了MSP430系列單片機的共同特點之外MSP430F135單片機主要特性如下1低電源工作電壓18V36V 2 基本的時鐘模塊高速晶體振蕩器 最高8MHz 低速晶體振蕩器 最高32768Hz 內部的DCO振蕩

42、器 3 12位200kpbs的AD轉換器自帶采樣保持多種轉換方式 4 具有3個捕獲此較寄存器的16位定時器TimerA 5 具有7個捕獲此較寄存器的16位定時器TimerB 6 多達60KB的FlashROM和2KB的RAM 7 內部帶有256B的Flash存儲器模塊 8 JTAG引腳單獨引出不與IO線復用9串行在系統(tǒng)編程10安全熔絲的程序代碼保護MSP430F135的結構框圖31如下圖31 MSP430F135的結構框圖Fig 31 MSP430F135 diagram of the structure相應引腳圖如下圖32 MSP430F135引腳圖Fig 32 MSP430F135 pin

43、 map表31 單片機引腳與本設計閥門控制功能對照表Table 31 SCM pin with the design of the valve control tables序號管腳序號IO點功能112P10行程極限保護上限位213P11行程極限保護下限位314P12轉矩極限保護上限位415P13轉矩極限保護下限位516P14遠程420mA斷線后全開處理11播碼開關全關處理00播碼開關保位0111617P15718P16檢測過沖按鈕819P17開閥顯示燈920P20關閥顯示燈1021P21故障顯示燈1122P22電機過熱保護1223P23本地控制開閥信號1324P24本地控制關閥信號1425P2

44、5本地控制停閥信號1526P26反映現(xiàn)場控制狀態(tài)繼電器1627P27反映遠程開關控制狀態(tài)繼電器1728P30反映遠程模擬控制狀態(tài)繼電器1829P31反映電機過熱狀態(tài)繼電器1930P32液晶數(shù)據(jù)12031P33液晶數(shù)據(jù)22132P34液晶數(shù)據(jù)32233P35背板光2334P36本地遠程切換2435P37電位器中間位置狀態(tài)繼電器2536P40開關閥按鈕點動或自保高點動 低自保2637P41PWM輸出口調節(jié)占空比用于輸出4-20mA模擬量輸出2738P42開關兩位閥與平常閥選擇高正常 低兩位2839P43控制電位器檢測投入常閉2940P44控制4-20mA的投入常閉3041P45開關型調節(jié)型選擇31

45、42P46閥門電機正轉普通繼電器相序調整3243P47閥門電機反轉普通繼電器相序調整3344P50遠程停閥開關量3445P51遠程關閥開關量3546P52遠程開閥開關量3647P53鑒相芯片輸出給單片機反序3748P54鑒相芯片輸出給單片機正序3849P55鑒相芯片輸出給單片機電源缺C相3950P56鑒相芯片輸出給單片機電源缺B相4051P57鑒相芯片輸出給單片機電源缺A相4159P60電位器檢測開度模擬量輸入4260P614361P62遠程控制4-20mA模擬量輸入442P63電流互感器輸入信號453P64464P65475P66486P6732 MSP430F135IPM的基礎時鐘MSP4

46、30的工作方式支持多種超低功率和超低能耗的高級需求這是通過在不同的模塊工作方式和CPU狀態(tài)期間的調節(jié)型工作管理實現(xiàn)的受系統(tǒng)價格和電流消耗目標驅使有必要使用不同的時鐘信號系統(tǒng)時鐘模塊需要為系統(tǒng)提供ACLK 輔助時鐘 MCLK 主系統(tǒng)時鐘 和SMCLK 子系統(tǒng)時鐘 其中ACLK主要用于選作的系統(tǒng)外圍模塊的時鐘信號MCLK主要為CPU和系統(tǒng)提供時鐘信號SMCLK主要為系統(tǒng)外圍模塊的時鐘信號MSP430F135具有高速晶體振蕩器低速晶體振蕩器和DCO三個輸入時鐘源1 高速晶體振蕩器高速晶體振蕩器連接到MSP430F149的高頻振蕩器最高可以產(chǎn)生SMHZ的XT2CLK該時鐘可以通過各時鐘的分頻器作124

47、8分頻后作為MCLKSMCLK時鐘信號2 低速晶體振蕩器低頻晶體振蕩器連接到MSP430F135的低頻振蕩器一般使用32768Hz晶體振蕩器產(chǎn)生LFXTICLK低頻信號該時鐘也可以通過各時鐘的分頻器作1248分頻后作為MCLKSMCLKACLK時鐘信號3 DCO實際上是一個數(shù)字可編程的RC振蕩器能夠在其它兩個時鐘源失效的情況下自動被選用作系統(tǒng)時鐘源同XT2CLK相同DCOCLK可以經(jīng)過個時鐘分頻器作1248分頻后作為MCLKSMCLK的時鐘信號基本時鐘模塊的輸入輸出關系如圖33所示圖33 MSP430的時鐘Fig 33 MSP430 clockLFXT1CLK是由低頻時鐘晶體產(chǎn)生的低頻時鐘源由

48、標準高頻晶體或陶瓷諧振器產(chǎn)生的高頻時鐘源以及外接時鐘信號源XT2CLK是由標準晶體或陶瓷諧振器產(chǎn)生外接450KHz8MHz時鐘信號源DCOCLK是片內可以數(shù)字控制的RC振蕩器一次POR之后DCOCLK被默認使用DCOR位被復位DCO位被置位達到標稱初始頻率另外如果LFXT1CLK產(chǎn)生MCLK失敗DCOCLK自動選擇DCOCLK以確?？煽抗ぷ鱏MCLK能夠從LFXT1CLK或者DCOCLK產(chǎn)生ACLK常由LFXT1CLK產(chǎn)生晶體振蕩器能夠被定義成用手表晶體或高頻的陶瓷濾波器或晶體工作晶體或陶瓷濾波器跨接到兩個端子上用手表晶體工作時無需外部元件如果選擇高頻XT1模式需要在XIN端子到VSS和XOU

49、T端子到VSS連接由晶體廠家指定的外部電容LFXT1振蕩器在VCC加上之后啟動 如果OscOff振蕩器位設置為1當它不用于MCLK時振蕩器停止時鐘信號ACLK和SMCLK可以通過端口引腳被外部使用不同的應用需求和系統(tǒng)條件規(guī)定不同的系統(tǒng)時鐘需求包括1高頻用于對系統(tǒng)硬件需求或事件的快速反應2低頻用于最小化電流消耗和EMI等3穩(wěn)定的外設時鐘用于定時器應用 例如實時時鐘 RTC 兩個時鐘源LFXT1CLK和DCOCLK能夠用于驅動MSP430系統(tǒng)LFXT1CLK由LFXT1晶體振蕩器產(chǎn)生LFXT1晶體振蕩器能夠工作于三種模式低頻 LF 中頻 XT1 和外部輸入方式當LFXT1晶體振蕩器不用時可以關閉D

50、COCLK從DCO產(chǎn)生標稱DCO頻率由直流發(fā)生器定義并能通過一個外部電阻建立或者由集成電阻設置到8個值中的一個通過對DCO模塊中寄存器的軟件操作DCOCLK的輔助調節(jié)和調制是可能的DCOCLK不用于CPU或外設時自動停止當DCOCLK不用時直流發(fā)生器能夠用SCG0位關閉以實現(xiàn)額外的功率節(jié)省系統(tǒng)時鐘發(fā)生器總是由選用作MCLK的DCOCLK啟動以確保程序正確啟動執(zhí)行通過控制位操作由軟件最終確定系統(tǒng)時鐘的產(chǎn)生33 MSP430F135IPM的定時器com定時器看門狗定時器WDT模塊的主要功能是在軟件發(fā)生問題之后執(zhí)行一次受控系統(tǒng)重啟如果選定的時間間隔到達產(chǎn)生一次系統(tǒng)復位如果應用中不需要看門狗功能模塊能

51、夠作為一個間隔定時器工作在選定的時間間隔之后它產(chǎn)生一個中斷WTD有如下特性主體是一個16位計數(shù)器需要口令才能對其操作有看門狗和定時器兩種模式有8種可選的定時時間看門狗定時器計數(shù)器 WDTCNT 是一個16位增計數(shù)器它不能由軟件直接訪問WDTCNT通過看門狗定時器控制寄存器 WDTCTL 控制它是一個16位的讀寫寄存器在兩種工作方式 看門狗或定時器 中對WDTCT的寫入只有在高字節(jié)中使用正確的口令才可能低字節(jié)存放寫入WDTCTL的數(shù)據(jù)高字節(jié)必須是口令05Ah任何 05Ah以外的數(shù)值寫入 WDTCTL 的高字節(jié)將產(chǎn)生一次系統(tǒng)復位 PUC讀口令時它的值是069h這使對WDTCTL寄存器的意外寫操作減

52、至最少除了看門狗定時器的控制位外還有用于配置NMI引腳的兩位也包含在WDTCTL寄存器中WDT的工作模式是有WDTCTL寄存器中的TMSEL決定當TMSEL為0時WDT工作在看門狗模式當TMSEL為1時WDT工作在定時器模式看門狗的目的在于發(fā)現(xiàn)程序跑飛時看門狗計數(shù)器由于得不到用戶程序使其清零發(fā)生溢出導致CPU復位這樣CPU又會重新運行用戶程序所以使用看門狗時必須周期性的在WDTCTL的CNTCL位寫1進行喂狗使看門狗計數(shù)器復位當然可以不用看門狗定時器以節(jié)省功耗將WDTCTL中的HOLD置1時看門狗計時器停止工作com 16位定時器A16位定時器ATimer_A是MSP430所有系列器件都有的模

53、塊是一個用途非常廣泛的通用16位定時器計數(shù)器它有一下一些特點16位計數(shù)器4種工作模式多種可選的計數(shù)器時鐘源具有多個可配置輸入端的捕獲比較寄存器有8種輸出模式的多個可配置的輸出單元16位定時器A可支持同時進行的多種時序控制多個捕獲比較功能及多種輸出波形也可以是幾種功能的組合每個捕獲比較寄存器可以以硬件方式支持實現(xiàn)串行通信同時16位定時器具有中斷能力中斷可由計數(shù)器溢出引起也可來自具有捕獲或比較功能的捕獲比較寄存器每個捕獲比較模塊可獨立編程由捕獲或比較外部信號以產(chǎn)生中斷外部信號可以是上升沿也可以是下降沿也可二者都有16位定時器A可分解成及部分計數(shù)器部分捕獲比較寄存器及輸出單元其中計數(shù)器部分完成時鐘源

54、的選擇與分頻模式控制及計數(shù)功能捕獲比較寄存器用于捕獲事件發(fā)生的時間或產(chǎn)生時間間隔輸出單元用于產(chǎn)生用戶需要的輸出信號116位定時器A的寄存器16位定時器A 有TACTLTARCCTLXCCRXTAIV等寄存器其中 TACTL 控制寄存器 集中了TimerA 的全部控制包括定時長度輸入的時鐘源和分頻選擇計數(shù)模式選擇以及中斷設置等功能 TAR 計數(shù)器 中保存Timer-A 定時器的計數(shù)值TACCTLx 捕獲比較寄存器 針對TimerA中的7個捕獲比較模塊獨立設置的控制寄存器通過設置相應模塊的寄存器能夠控制該模塊的捕獲方式輸入選擇中斷能力以及輸出模式等TACCRx 捕獲比較寄存器 在捕獲方式下當滿足捕

55、獲條件時硬件自動將TAR中的數(shù)據(jù)寫入該寄存器用戶可以讀取該寄存器在比較方式下用戶根據(jù)定時器的工作模式向該寄存器中寫入相應的數(shù)據(jù)取得定時結果TAIV 中斷向量寄存器 用于存儲中斷向量的請求源系統(tǒng)按照優(yōu)先級的順序執(zhí)行相應的中斷服務程序訪問TAIV寄存器能夠自動的將優(yōu)先級最高的中斷請求標志位復位受TACTL控制寄存器中MC0和MC1控制位的控制216位定時器A的工作模式Timer-A 有4種工作模式停止模式增計數(shù)模式連續(xù)計數(shù)模式和增減計數(shù)模式設置MC0 1MC1 1則Timer-A工作在增減計數(shù)模式下該模式下TAR中計數(shù)值示意如圖34所示圖34 增減計數(shù)模式下的計數(shù)器TARFig 34 Increa

56、se decrease counting mode of counter TARTAR計數(shù)器的先增加然后減少在增計數(shù)階段增計數(shù)到CCR0時計數(shù)器停止計數(shù)轉為減計數(shù)模式當減計數(shù)到0時TAIFG標志位置位并重新開始增計數(shù)階段由此可見這種模式的計數(shù)周期為CCR0值的2倍所以常用于須得到對稱波形的場合增減計數(shù)模式時中斷標志位CCIFG0或TAIFG會在相等的時間間隔置位在一個完整的周期中每個標志位只置位一次分別在半周期時發(fā)生當定時器TAR的值從CCR01増計數(shù)到CCR0時中斷標志位CCIFG0置位當定時器從1減到0時中斷標志TAIFG置位16位定時器A在各種模式下改變CCR0的值其結果不一樣如在停止模

57、式下定時器沒有計數(shù)其值不會發(fā)生改變在增減計數(shù)模式下在增計數(shù)時與增計數(shù)模式完全相同在減計數(shù)時新周期在減計數(shù)完成后才起作用3捕獲比較模塊該定時器有3個相同的捕獲比較模塊每個模塊都可以捕獲事件發(fā)生的時間或產(chǎn)生一定的時間間隔它為實時處理提供了靈活的手段當發(fā)生捕獲事件或定時時間到都將引起中斷該模塊可用于捕獲模式也可用于比較模式用CCTLX中的CAPX選擇模式用CCMX1和CCMX0選擇捕獲條件當CAPX 1則模塊工作于捕獲模式4輸出單元每個捕獲比較模塊都包含一個輸出單元用于產(chǎn)生輸出信號每個輸出單元有8種工作模式可產(chǎn)生基于EQUX的多種信號輸出模式如下1輸出模式0輸出模式輸出信號OUTX由每個捕獲比較模塊的控制寄存器CCTLX中的OUTX位定義并在寫入該寄存器后立即更新最終為OUTX直通2輸出模式1置位模式輸出信號在TAR等于CCRX時置位并保持置位到定時器復位或選擇另一種輸出模式為止3輸出模式2PWM翻轉復位模式輸出在TAR的值等于CCRX時翻轉當TAR的值等于CCR0時復位4輸出模式3PWM置位復位模式輸出在TAR的值等于CCRX時