閥門定位控制系統(tǒng)設計課程設計說明書

電腦控制系統(tǒng)課程設計手冊閥門定位控制系統(tǒng)設計閥位設計控制系統(tǒng)概括閥門定位器作為氣動控制閥的主要附件之一，可以改善閥門特性，提高控制精度、速度，增加控制靈活性。智能閥門定位器的數(shù)字化、通信化、智能化以及支持現(xiàn)場總線的特點，給工業(yè)自動化生產帶來了深刻的變化，代表了氣動執(zhí)行器技術的發(fā)展方向。本文介紹了智能閥門定位系統(tǒng)的相關原理。以單片機為核心，增加A/D、D/A（模數(shù)，數(shù)模）轉換接口，三位氣動放大器驅動氣動執(zhí)行機構，形成智能閥位控制系統(tǒng)。電位器用來反映實際閥位值，控制單片機通過A/D采集實際閥位值和輸入的設定閥位值計算偏差，并控制調節(jié)閥位到設定值PID（比例-微分-積分控制算法）。智能閥門定位器使調節(jié)閥更易于控制和更精確，同時簡化了高性能控制回路的設計并使控制回路實施更加緊湊。由于硬件難以實現(xiàn)，本文選擇Proteus軟件進行仿真，既簡化了設計過程，又便于修改和調試。關鍵詞閥門定位器；PID；A/D轉換器目錄1簡介11.1課程背景11.2課程意義12項目分析 32.1科目要求32.2設計要求32.3設計理念33閥門定位相關原理43.1計算機控制系統(tǒng)的工作原理43.2閥門介紹43.3智能閥門定位器43.4閥門定位器的工作原理53.5系統(tǒng)工作原理53.6系統(tǒng)控制要求64軟件算法設計 74.1選項74.2控制算法選擇74.2.1PID控制算法74.2.2PID算法詳解84.3調節(jié)閥開度顯示設計104.4PID參數(shù)整定104.5報警觸發(fā)條件125整體系統(tǒng)設計方案 135.1系統(tǒng)硬件配置及組成原理135.2A/D轉換電路165.3鍵盤、顯示接口芯片175.4時鐘報警電路196閥門定位控制系統(tǒng)仿真20結論 22至 23參考文獻 24附錄 251簡介1.1課程背景生產過程的自動控制稱為過程控制，在工業(yè)生產中占有極其重要的地位。過程控制的質量很大程度上取決于過程控制儀表，包括變送器、調節(jié)器、執(zhí)行器和各種輔助控制裝置。本文討論的一種輔助控制儀表——閥門定位器，是各國研究的對象。它在一定程度上決定了過程控制的調整質量。隨著過程控制水平的發(fā)展，定位器也必須不斷發(fā)展，以滿足現(xiàn)代生產對過程控制的要求。目前定位器的研究重點主要在于智能閥門定位器。國外一些大公司，如西門子、費雪-羅斯蒙特等，紛紛推出產品，但中國在這方面起步較晚。國內常用的電動閥門定位器采用機械力平衡原理，存在一些缺點，不能滿足過程控制發(fā)展的需要，而且國外進口的智能定位器價格昂貴，所以智能電動閥門定位的研究與設計設備是非常必要的。智能閥門定位器集機械、電子、通訊和控制理論知識及相關軟件知識于一體，是一款跨學科的智能產品。本課題開發(fā)的主要對象是智能閥門定位器的控制系統(tǒng)。它收集來自調節(jié)器的設定閥門開度信號和反饋的實際閥門開度信號。在計算出偏差和偏差變化率后，通過模糊運算和決策輸出的相應控制信號來控制壓電閥的開啟時間，從而控制進入氣室的進氣量。調節(jié)閥，從而推動閥芯移動并準確定位。這樣一來，與傳統(tǒng)閥門定位器相比，智能閥門定位器不僅體現(xiàn)了提高精度、降低能耗、增加功能等優(yōu)點，而且可以整合一定的人類經驗和知識，具有一定的思維能力，從而滿足過程控制的發(fā)展需要。.隨著智能化、網(wǎng)絡化、通訊和控制/管理一體化自動化技術的發(fā)展，工業(yè)控制領域對氣動控制閥的智能化要求越來越迫切。本課題的研究與我國新一代智能氣動控制閥的核心技術研究和產品更新?lián)Q代緊密結合，代表了傳統(tǒng)氣動儀表智能化、網(wǎng)絡化的發(fā)展趨勢。1.2課程意義本課題設計的智能閥門定位器系統(tǒng)，由于采用了導電塑料和壓電閥門等新型控制元件，可以實現(xiàn)非常高的閥門定位；并且由于使用氣動執(zhí)行器，可以在各種惡劣的條件下使用，使用壽命長。長且故障率低，這兩點從根本上提高了產品的質量。由于采用了微加工，定位器的調整可以隨著適用范圍而大大提高。對于廠商而言，該系統(tǒng)具有廣闊的市場前景、高價值、高利潤。對于使用本系統(tǒng)的廠家來說，本系統(tǒng)的應用可以大大節(jié)省生產資源，提高生產效率，降低能耗和原材料損失，對廠家降耗增效有很好的助推作用。該系統(tǒng)可以自動調整。配置簡單靈活，可輕松設置正反閥動作、流量特性、行程限制或分程運行等功能。對生產廠家來說，簡化了設備安裝調試的過程，減少了設備安裝對企業(yè)正常生產的影響。該系統(tǒng)定位器的耗氣量極低。傳統(tǒng)定位器的噴嘴和擋板系統(tǒng)是連續(xù)耗氣式元件。智能定位器只有在輸出壓力降低時才會排氣，所以大部分時間處于非消耗狀態(tài)。對于制造商來說，降低了生產能耗，節(jié)約了生產資源。該系統(tǒng)具有智能通訊和現(xiàn)場顯示功能，甚至維修人員也可以為用戶檢查和維護定位器的工作狀態(tài)。該系統(tǒng)的定位器和閥門可以分開安裝。由于智能定位器的位置反饋元件是電位器，閥位信息是通過電信號傳遞的，可以在CPU中現(xiàn)場調節(jié)閥的特性。對用戶來說，系統(tǒng)可以安裝在狹小的特定設備空間內，無需開辟專門的空間來安裝該設備。本系統(tǒng)的行程檢測裝置可以使用非接觸式位置傳感器，非常適合需要在惡劣領域使用的廠商。并能保證定位器的可靠使用和壽命。2話題分析2.1科目要求利用單片機實現(xiàn)閥門定位的單片機控制系統(tǒng)，如圖2-1所示，通過位置傳感器檢測氣缸位置，進而控制調節(jié)閥的開度。2.2設計要求(1)要求閥開度大于90或小于10%，以便閥芯卡死時報警。(2)要求具有調節(jié)閥線圈故障診斷功能。(3)用數(shù)碼管實時開閥位。2.3設計思路位置由位置傳感器檢測并作為反饋模擬信號反饋給單片機。信號經過單片機PID控制算法處理后，輸出一定寬度的脈沖，驅動調節(jié)閥，實現(xiàn)定位反饋控制。從鍵盤輸入閥門的工作量特性和閥芯的最大和最小行程等參數(shù)。使用功能鍵實現(xiàn)點動和自動復位。定位速率由每組設定，即確定PID控制算法參數(shù)。氣缸氣缸驅動電路單片機鍵盤輸入位置傳感器驅動電路單片機鍵盤輸入位置傳感器調節(jié)閥調節(jié)閥1調節(jié)閥調節(jié)閥1A/DA/D轉換圖2-1閥門定位控制系統(tǒng)示意圖3閥門定位原理3.1計算機控制系統(tǒng)的工作原理計算機控制系統(tǒng)包括硬件組件和軟件組件。在計算機控制系統(tǒng)中，需要專用的數(shù)模轉換設備和模數(shù)轉換設備。因為過程控制一般是實時控制，有時對計算機速度要求不高，但要求可靠性高，反應及時。計算機控制系統(tǒng)的工作原理可以概括為以下三個過程：(1)實時數(shù)據(jù)采集：檢測被控量的瞬時值并輸入計算機。(2)實時決策：分析采集到的代表受控參數(shù)的狀態(tài)量，根據(jù)已建立的控制規(guī)律確定下一步的控制過程。(3)實時控制：根據(jù)決策，及時向執(zhí)行器致控制信號，完成控制任務。這三個過程不斷重復，使整個系統(tǒng)按照一定的質量指標工作，對控制量和設備本身的異?，F(xiàn)象及時處理。3.2閥門介紹閥門是流體輸送系統(tǒng)中的控制元件，具有截止、調節(jié)、導流、防止回流、穩(wěn)壓、導流或溢流、泄壓等功能。流體控制系統(tǒng)中使用的閥門，從最簡單的截止閥到極其復雜的自動控制系統(tǒng)中使用的各種閥門，品種繁多，規(guī)格繁多。閥門可用于控制空氣、水、蒸汽、各種腐蝕性介質、泥漿、油類、液態(tài)金屬和放射性介質等各種流體的流動。閥門又分為鑄鐵閥門、鑄鋼閥門、不銹鋼閥門（201、304、316等）、鉻鉬鋼閥門、鉻鉬釩鋼閥門、雙相鋼閥門、塑料閥門、非標定制閥門材料等。3.3智能閥門定位器閥門定位器按結構形式和工作原理可分為氣動閥門定位器、電動氣動閥門定位器和智能閥門定位器。閥門定位器可以增加調節(jié)閥的輸出功率，減少調節(jié)信號的傳輸滯后，加快閥桿的運動速度，提高閥門的線性度，克服閥桿的摩擦力，消除不平衡力的影響，這確保了調節(jié)閥的正確定位。閥門定位器是控制閥的主要附件。它以閥桿位移信號作為輸入反饋測量信號，以控制器輸出信號作為設定信號進行比較。當兩者之間存在偏差時，執(zhí)行器的輸出信號就會改變。，使執(zhí)行器動作，建立閥桿位移與控制器輸出信號一一對應關系。因此，閥門定位器構成了以閥桿位移為測量信號，控制器輸出為設定信號的反饋控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的操縱變量是閥門定位器到執(zhí)行器的輸出信號[1]。閥門定位器用于確定閥門位置并為微控制器的控制提供信息。為了穩(wěn)定信號并避免噪聲、共振等現(xiàn)象，進行了改進。原理圖如圖3-1所示。圖3-1智能型電動閥門定位器原理框圖3.4閥門定位器的工作原理執(zhí)行器是控制系統(tǒng)的終端設備，它接收控制器信號，改變操縱變量，實現(xiàn)控制要求。執(zhí)行器與生產過程直接接觸，工作在高溫、高壓、腐蝕和振動等環(huán)境中。對于不同的操縱變量，執(zhí)行器可以是控制閥、阻尼器、步進電機和變頻調速器。為了保證執(zhí)行機構的控制精度，在某些特定場合需要使用閥門定位器。定位器控制執(zhí)行機構的閥位，可以增加執(zhí)行機構的輸出功率，減少信號傳輸?shù)臏螅朔y桿的摩擦力和消除不平衡力的影響等，確保定位準確.一般用于高壓高溫下，以克服摩擦力和不平衡力；用于高壓差，增加輸出力，克服不平衡力；控制器輸出直接轉換成氣壓信號來操作執(zhí)行機構，提高響應速度，輸出信號閥門流量大，滯后明顯減少；可實現(xiàn)氣開、氣關的互換；改善和修正控制閥的流量特性；可實現(xiàn)分程控制。閥門定位器是控制閥的主要附件。接收控制器輸出的電流控制信號，輸出氣壓信號控制閥門；當控制閥動作時，閥桿的位移通過反饋裝置反饋給閥門定位器。因此，閥門定位器和控制閥形成一個閉環(huán)。定位器檢測輸入控制信號并將其與閥位反饋信號進行比較。如果兩個信號不同，它將驅動閥門執(zhí)行器，直到反饋信號與輸入信號匹配。當反饋信號與輸入信號相等時，驅動裝置停止調節(jié)閥位。普通電動定位器提高了控制閥的質量，但由于結構等因素，仍易受溫度波動和振動的影響；安裝調試技術要求高；噴頭第一擋板容易堵塞，耗能大；定位器零點和行程調整需要重復等。3.5系統(tǒng)工作原理閥門定位器控制系統(tǒng)采用以89C51為核心的單片機控制系統(tǒng)。它接收來自調節(jié)器的電流信號（4-20mA）來設定閥門開度，并將該信號與來自調節(jié)閥閥桿的實際反饋一起使用。比較打開信號。如果微處理器得到一個偏差信號，它將利用這個信號控制壓電閥，使一定量的壓縮空氣通過壓電閥進入調節(jié)閥執(zhí)行器的氣室，推動閥芯。移動或旋轉以實現(xiàn)閥芯的準確定位。3.6系統(tǒng)控制要求單片機控制系統(tǒng)閥門定位器的設計要求如下：(1)可接收來自調節(jié)器的電流信號并轉換成電壓信號，并可采集閥位反饋的模擬信號；(2)可以對上面采集的信號進行計算和整理，最后根據(jù)偏差的大小輸出連續(xù)信號或一定寬度的脈沖信號來控制壓電閥；（3）采用數(shù)碼管，輸入?yún)?shù)可現(xiàn)場顯示匹配閥門開度；（4）可通過按鈕現(xiàn)場設置閥門工作流量特性參數(shù)，可設置閥芯最大、最小行程等參數(shù)；(5)調節(jié)閥自動運行過程中，當閥芯開度大于90%或小于10%時，閥芯卡死時控制系統(tǒng)可報警；(6)具有斷電保存功能、看門狗功能和電源電壓監(jiān)控功能。4軟件算法設計4.1方案選擇在控制系統(tǒng)中，如果采用開環(huán)控制系統(tǒng)，只有給定量影響輸出量，受控量只能由受控量控制，受控量不能依次影響受控量。系統(tǒng)的主要功能是將測量結果反饋到輸入端，減去輸入量得到偏差，然后偏差產生直接控制效果，消除偏差。因此，開環(huán)系統(tǒng)顯然不能滿足系統(tǒng)的功能要求。使用閉環(huán)控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)實際輸出與輸入比較后，通過雙向數(shù)據(jù)交換對控制系統(tǒng)進行校正的功能，實現(xiàn)對被控對象的實時控制。在閉環(huán)系統(tǒng)中，其控制動作的依據(jù)是控制量與給定值的偏差。這種偏差是各種實際擾動的綜合結果。個人原因之間沒有區(qū)別。因此，這類系統(tǒng)往往能夠同時抵抗多種擾動，對系統(tǒng)自身元件參數(shù)的波動不是很敏感。比較上述兩種控制系統(tǒng)，可以得出結論，該系統(tǒng)應采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。4.2控制算法選擇工業(yè)控制中常用的控制算法有PID控制算法、最小節(jié)拍隨動控制系統(tǒng)、神經網(wǎng)絡系統(tǒng)等。本控制系統(tǒng)選用PID控制算法。PID控制器自問世至今已有近70年的歷史。它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、運行可靠、調整方便等優(yōu)點成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或者沒有精確的數(shù)學模型，以及其他控制技術難以使用時，必須通過經驗和現(xiàn)場調試確定系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù).這時，應用PID控制技術最為方便。.即當我們對一個系統(tǒng)和被控對象不完全了解，或者不能有效測量系統(tǒng)參數(shù)時，PID控制技術是最合適的。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器是系統(tǒng)誤差，它采用比例、積分和微分計算控制量進行控制。具有原理簡單、易于實現(xiàn)、應用廣泛、控制參數(shù)獨立、參數(shù)選擇相對簡單等優(yōu)點；并且理論上可以證明，對于過程控制的典型對象——“一階滯后+純滯后”和“二階滯后+純滯后”的控制對象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調節(jié)法是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)質量校正的有效方法。其參數(shù)設置方法簡單靈活，結構靈活（PI、PD、...）。4.2.1PID控制算法對于大多數(shù)控制對象來說，數(shù)字PID控制可以達到滿意的控制效果?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將DCS控制站的功能分配給現(xiàn)場儀表，從而形成一個虛擬控制站。這樣，系統(tǒng)就應該有一個PID控制運算模塊。PID控制程序流程如圖4-1所示?？刂瞥绦蚋鶕?jù)當前變量值和變量值與設定值的偏差進行PID運算。此外，程序還提供手動自動切換功能，并限制輸出值大小和變化率。由于實際控制系統(tǒng)的采樣回路可能存在高頻干擾，因此幾乎所有的控制回路都配備了一階低通濾波器，以限制高頻干擾的影響[2]。所謂PID是指比例、積分和微分控制算法。比例控制（P）：比例環(huán)節(jié)能按時間比例反映控制系統(tǒng)的偏差信號。一旦出現(xiàn)偏差，控制器將立即采取控制措施以減少偏差。比例系數(shù)的增加可以加快系統(tǒng)響應速度，減小系數(shù)穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但是，如果過大，會造成很大的超調，甚至導致不穩(wěn)定；過小可以減小系統(tǒng)的超調量，增加穩(wěn)態(tài)裕度，但會降低系統(tǒng)的調節(jié)精度，延長過渡過程時間。根據(jù)過渡過程的要求和系統(tǒng)控制過程不同階段運行量的經驗，通常在控制的初始階段，適當?shù)胤旁谳^小的等級，以減少初始變化的影響每個物理量的；在控制過程中，適當增加以提高快速性和動態(tài)精度，在過渡過程后期，為避免較大的超調，提高靜態(tài)精度的穩(wěn)定性，將減少[3]。積分控制（I）：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比。對于一個自動控制系統(tǒng)，如果進入穩(wěn)態(tài)后出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差，則該控制系統(tǒng)是一個微分系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，必須在控制器中引入“積分項”。積分項的誤差取決于時間積分，隨著時間的增加，積分項增加。這樣，即使誤差很小，積分項也會隨著時間的推移而增加，從而推動控制器輸出增加，進一步減小穩(wěn)態(tài)誤差，直到等于零。比例+積分（PI）控制器可以使系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)，沒有穩(wěn)態(tài)誤差。主要用于消除靜態(tài)差異，提高習慣性冷漠程度。積分作用的強度取決于積分時間常數(shù)，積分越大，積分作用越弱，反之亦然。微分控制（D）：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差變化率）成正比。自動控制系統(tǒng)在克服誤差調整的過程中可能會出現(xiàn)振蕩和不穩(wěn)定。慣性元件（鏈接）或有延遲（延遲）的元件具有抑制誤差的作用，它們的變化總是滯后于誤差的變化。解決方法是使抑制誤差的變化“領先”，即當誤差接近于零時，抑制誤差應該為零，也就是說，引入“比例”往往是不夠的"控制器中的術語。比例項只是用來放大誤差幅度，當前需要增加的是“微分項”，可以預測誤差的變化趨勢。這樣，它具有比例+微分控制器，可以使抑制誤差控制功能提前為零，為負值，避免了被控量的嚴重超調。對于慣性或滯后較大的被控對象，比例+微分（PD）控制器可以改善系統(tǒng)調整過程中的動態(tài)特性。它可以反映偏差信號的變化趨勢，在偏差信號的值變得過大之前，可以作為系統(tǒng)中有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，降低調整時間。4.2.2PID算法詳解在計算機控制系統(tǒng)中，PID控制律的實現(xiàn)必須采用數(shù)值逼近的方法。當采樣周期比較短時，用求和代替積分，用后向差分代替微分，從而將模擬PID離散化為差分方程。圖4-1顯示了數(shù)字PID增量控制算法的流程圖。圖4-1數(shù)字PID增量控制算法流程圖數(shù)字PID位置控制算法：方程（4.1）等式(4.1)表示的控制算法提供了執(zhí)行器的位置u(k)，例如閥門的開度。從公式(4.1)可以看出，位置控制公式并不方便，因為偏差e(i)的累加不僅占用了較多的存儲單元，而且不方便編寫程序。為此，對公式（4.1）進行修改。根據(jù)公式(4.1)，不難寫出u(k-1)的表達式，即：方程（4.2）式（4.1）和式（4.2）相減得到數(shù)字PID增量控制算法：方程（4.3）式中，——代表比例系數(shù)；-表示積分系數(shù)；-表示微分系數(shù)。為方便編程，式（3.3）可組織成如下形式：方程（4.4）公式，4.3調節(jié)閥開度顯示設計因為系統(tǒng)設計需要顯示0-100%的閥門開度，而A/D轉換后得到的數(shù)字是0-255，所以我們用下面的公式將A/D轉換后的數(shù)據(jù)轉換成閥門開度的Spend。方程（4.5）式中——電位器動接點輸出換算的實際值；——電位器動觸點輸出最大行程換算值，默認值為255；——電位器動接點輸出在最小行程時的換算值，默認值為0。通過式(4.5)，可以為現(xiàn)場閥門定位器電位器與閥芯反饋桿的連接帶來方便。因為電位器的最大行程距離和閥芯的最大行程距離不可能相同，而且我們很難改變機械結構使閥芯的最大行程與電位器的最大行程完全匹配，所以可以根據(jù)實際情況進行調整。安裝時，用閥芯的最大行程代替默認值，用最小行程代替默認值。這樣，在閥芯最大行程距離小于和接近電位器最大行程距離的情況下，無論閥門的最大行程距離如何，都能準確測量閥芯的開度。核。來自穩(wěn)壓器的信號經過A/D轉換后得到的數(shù)據(jù)也需要按公式（4.5）進行轉換。將得到的設定開度與閥門的實際開度進行比較，得到偏差。如果偏差大于允許誤差值（小于0.2%），則輸出。4.4PID參數(shù)設置PID控制器參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內容，它是確定PID控制器比例系數(shù)、積分時間和微分時間大小的受控過程特性。圖4-2參數(shù)合理的PID圖圖4-3參數(shù)不合理的PID圖設置參數(shù)主要有兩種方式：1、理論計算設定方法主要根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學模型、理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法得到的計算數(shù)據(jù)不能直接使用，必須結合工程實際進行調整和修改。2.工程調優(yōu)方法它主要依靠工程經驗，在直接控制系統(tǒng)測試中進行。該方法簡單易掌握，在工程實踐中得到廣泛應用?？刂破鲄?shù)的工程整定方法主要有臨界比例法、響應曲線法和衰減法。工程整定法和理論計算整定法各有特點。但無論采用哪種方法獲取控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后的調整和改進，一般采用臨界比例法。4.5報警觸發(fā)條件當閥門開度大于90%或小于10%時，由閥門定位器感應得到閥門開度。確認定位器定位正確后，報警器會直接報警。判斷閥芯是否未卡死時，首先判斷系統(tǒng)輸出是否為0%，如果為0%，定位器判斷閥位單位時間內不移動閥門。即判斷閥芯卡死，驅動報警電路直接報警。若閥芯燒壞，則與閥芯卡死現(xiàn)象一致。5系統(tǒng)總體設計方案5.1系統(tǒng)硬件配置及組成原理5.1.1微控制器微控制器（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術集成中央處理器CPU、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、各種I/O端口和中斷系統(tǒng)、定時器具有數(shù)據(jù)處理能力。它是在單個硅片上集成顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路復用器、A/D轉換器等功能和計數(shù)器組成的小型完整的微機系統(tǒng)。廣泛應用于控制領域。從1980年代開始，從當時的4位和8位單片機發(fā)展到現(xiàn)在的300M高速單片機[4]。單片機應用廣泛，主要應用如下：（一）在家電領域的應用現(xiàn)在在家電更新?lián)Q代、市場開拓等方面，單片機的應用越來越廣泛。例如，在電子玩具或高級電子游戲機中，會使用單片機來實現(xiàn)其控制功能；而洗衣機可以通過單片機識別衣物的種類和臟污程度。污染程度，從而自動選擇洗滌強度和洗滌時間；冰箱冰柜采用單片機控制，可識別食物種類和新鮮程度，實現(xiàn)冷藏溫度和冷藏時間的自動選擇；微波爐還可以通過單片機識別食物的種類，自動判斷加熱溫度、加熱時間等。單片機技術應用后，這些家電在性能和功能上都取得了長足的進步。傳統(tǒng)技術。（2）在醫(yī)療器械領域的應用現(xiàn)代醫(yī)療條件越來越發(fā)達，人們越來越重視醫(yī)用滅菌消毒技術。但偏遠地區(qū)的一些小醫(yī)院、小診所的消毒殺菌設備還很簡陋，無法有效控制消毒質量。隨著單片機技術的發(fā)展，其體積小、功能強大、擴展靈活、應用方便等特點越來越突出。等設備得到廣泛應用。（3）在工業(yè)控制領域的應用事實上，最早的單片機是從工業(yè)領域開始興起的，它在工業(yè)控制領域的應用還是非常廣泛的。利用單片機技術形成的各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)，如工廠流水線智能管理、智能電梯、報警系統(tǒng)等，都通過單片機技術與計算機連接，形成二級控制系統(tǒng)。(4)在儀器儀表領域的應用上面也提到了單片機具有集成度高、體積小、控制功能強、擴展靈活等特點，處理速度快、可靠性高，因此在智能儀器儀表領域的應用也非常廣泛。..單片機在一定程度上帶動了傳統(tǒng)測控儀表技術的一場革命。通過單片機技術，實現(xiàn)了儀器儀表技術的數(shù)字化、智能化、集成化和多功能化，與傳統(tǒng)電子電路或數(shù)字電路相比，其功能更加強大，綜合性更加突出。單片機在智能儀器中的應用已經非常廣泛。直到現(xiàn)在，兼容MCS-51核心系列的單片機仍然是主流產品（如目前流行的89S51、89C51等）。ATMEL公司的單片機AT89C51，除了增加了4KB的E2PROM，其余與MCS-51系列的8031單片機完全相同。與8031一樣，AT89C51有4個8位并行U0口，2個16位可編程定時器計數(shù)器，128字節(jié)RAM，5個中斷源，全雙工串行通信H，工作電壓從2.7V到5.5V，主頻為110592MHZ。AT89C51是一款采用CMOS技術和高密度非易失性存儲器（NURAM）技術的4K字節(jié)Flash可編程可擦寫只讀存儲器（EPROM）的低功耗高性能8位微控制器，其輸出引腳和命令系統(tǒng)與MCU-51系列微控制器兼容。片上閃存允許在系統(tǒng)重新編程，主要用于工業(yè)控制?？蓴U展的64K字節(jié)程序ROM，外部數(shù)據(jù)存儲器。有5個中斷，包括2個外部中斷，2個定時器中斷，1個串口中斷。AT89C51是一款功能強大的微控制器（MCU），具有多種功能模塊，可滿足定位器系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)選用89C51單片機、A/D轉換芯片ADC0808、可編程鍵盤和顯示接口芯片8279組成基本系統(tǒng)。此外，還有一些基本的附加電路，如復位電路、報警電路等。具體工作原理如下：閥門的實際開度信號由閥桿位置傳感器拾取，經過A/D轉換轉換成數(shù)字編碼信號，與定位器設定信號的數(shù)字編碼相比較在CPU中，計算兩者的偏差。價值。CPU根據(jù)偏差設定輸出指令對壓電閥進行相應的開/關動作，即：當設定信號大于閥位反饋時，增壓閥打開，輸出氣源壓力增加，執(zhí)行機構氣室壓力增大，使閥門開度增大，減小兩者的偏差；若設定信號小于閥位反饋，則排氣閥打開，通過排氣降低輸出氣源壓力。偏差減少。正是通過CPU控制閥來調節(jié)輸出氣源壓力的大小，達到輸入信號與閥位的新平衡[4]。圖5-1AT89C51單片機圖5-2AT89C51引腳圖5.1.2并行和串行I/O端口AT89C51集成了四個8位雙向并行接口，每個接口都帶有輸出鎖存器、輸出驅動器和輸出緩沖器。四個端口分別為P0、P1、P2和P3。P0端口的每一位由一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)緩沖器、一個輸出驅動器和一個輸出控制電路組成，其工作狀態(tài)由輸出控制電路控制。PO口可用作地址/數(shù)據(jù)線，也可用作通用O；P1口為8位準雙向并行I/O口，用于通用I/O；P2口也是一個8位準雙向并行I/O口，比P1口多了一個輸出轉換控制部分。當P3端口用作通用I/O時，當它是多功能端口時，它用作讀/寫信號和標準串行1/O端口。AT89C51有一個可編程的全雙工串行I/O端口，它是一個通用異步接收器/致器(UART)，也可以用作同步移位寄存器。AT89C51的串行I/O帶有緩沖寄存器SBUF、SFR，可直接尋址、接收和致緩沖寄存器。串口I/O口有四種工作模式：模式0、模式1、模式2和模式3。模式0為同步移位寄存器，同步移位脈沖由TXD管腳致，致或接收串行數(shù)據(jù)通過RXD引腳。Mode1為I/O位異步收發(fā)模式，串口數(shù)據(jù)位由TXD引腳致，對方致的串口數(shù)據(jù)位由RXD引腳接收。模式2為11位異步收發(fā)模式，第9個數(shù)據(jù)位可插入字符格式末尾，可設置為奇偶校驗位。模式3是11位異步接收和致模式。5.1.3AT89C51定時器/計數(shù)器5l系列單片機有定時器/計數(shù)器，AT89C51有兩個16位定時器/計數(shù)器：11D和T1。主要特點：計時/計數(shù)既可以計數(shù)也可以計時；計數(shù)器的模值是可變的，其最大值取決于計數(shù)器的位數(shù)；來自11D或T1引腳的輸入脈沖數(shù)可以計算為計數(shù)器或頻率計數(shù)器。AT89C51的定時器和計數(shù)器是可編程的。5.1.4AT89C51中斷AT89C51有5個中斷源，即2個外部中斷、2個定時器/計數(shù)器中斷和1個串口中斷。當某個中斷源產生中斷時，SFR中的中斷標志位被設置為TCON中的每一位。當單片機從標志位識別出中斷類型并響應應用程序時，立即從主程序轉到執(zhí)行中斷服務子程序。用于中斷和保護站點。各種中斷的向量地址就是中斷服務程序的入口地址。中斷程序結束后，恢復程序運行環(huán)境，返回斷點繼續(xù)執(zhí)行程序。5.2A/D轉換電路圖5-3ADC0808引腳圖為了將電動閥門定位器輸出的模擬信號轉換成單片機可以處理的數(shù)字信號，需要一個A/D轉換器進行轉換。A/D轉換的作用是將時間連續(xù)、幅度連續(xù)的模擬信號轉換成時間和幅度離散的數(shù)字信號。因此，A/D轉換一般要經過采樣、保持、量化和編碼四個過程。.在實際電路中，這些過程中有些是結合在一起的，例如在轉換過程中往往同時進行采樣保持、量化和編碼。量化（離散）模擬量或連續(xù)變化量并將其轉換為相應數(shù)字量的電路。A/D變換由三部分組成：采樣、量化和編碼。通常，量化和編碼是同時進行的。采樣是將模擬信號及時離散化的過程；量化是在幅度上離散模擬信號的過程；編碼就是用一定的二進制碼來表示每個量化的樣本。ADC0808是一款經濟實惠的逐次比較8位A/D轉換器，可輸入8路模擬信號。這里我們選擇IN0和IN1作為模擬信號輸入通道。ADC0808的最大不可調誤差小于1/2LSB，典型時鐘頻率為640kHz，每個通道的轉換時間約為100Ls。89C51通過地址線P0.0和讀寫控制線控制轉換后的模擬輸入通道地址鎖存、啟動和輸出使能。模擬輸入通道地址的解碼輸入A、B、C由P2.2-P2.4提供。由于ADC0808具有通道地址鎖存功能，我們省略了地址鎖存器74LS373，直接連接P2.2-P2.4分別接A、B、C。例如，當我們要選擇IN0模擬電路并將其致到ADC0808時，執(zhí)行如下程序：移動DPTR，#0FEFFH；輸入ADC0808的地址FEFFH轉DPTR移動，#00H；將IN0模擬電壓地址致到AMOVXDPTR,A;將A中的數(shù)據(jù)致到A、B、C，并啟動ADC08085.3鍵盤、顯示接口芯片5.3.1獨立按鍵獨立按鍵電路圖如下：圖5-4獨立按鍵電路當按鍵K1被按下時，地通過電阻R1最后通過按鍵K1進入I/O口形成通路，則該線的CON8.1管腳為低電平。松開按鍵，線路斷開，不會有電流流過，此時CON8.1恢復默認高電平。我們可以通過IO口的高低電平來判斷一個按鈕是否被按下。5.3.2矩陣鍵盤矩陣按鍵電路圖如下：圖5-5矩陣鍵盤電路圖矩陣鍵盤的讀取方式與獨立鍵盤類似，但其讀取方式節(jié)省了I/O端口。5.3.3去抖鍵盤大多數(shù)情況下，我們不能一直按住按鈕，所以我們通常判斷按鈕的兩種狀態(tài)從按下變成了彈出，就認為有按鈕按下了。在程序中，我們可以存儲每個鍵的狀態(tài)。讀入下一個鍵狀態(tài)時，將其與當前鍵狀態(tài)進行比較。如果發(fā)現(xiàn)兩個key的狀態(tài)不一致，說明key已經動作了。狀態(tài)不是按下，現(xiàn)在是按下，此時按鍵動作為“按下”；上次狀態(tài)被按下時，現(xiàn)在沒有被按下，此時的按鍵動作是“彈跳”。顯然，每個按鍵動作都會包含一個“按下”動作和一個“彈跳”動作，我們可以選擇一個動作來執(zhí)行程序，或者兩者都用于執(zhí)行不同的程序。通常，用于按鍵的開關是機械彈性開關。在機械觸點開合時，由于機械觸點的彈性作用，按鍵開關在閉合時不會立即穩(wěn)定接通，斷開時也不會接通。一下子會完全斷開，但在合閘和分閘的瞬間會伴隨著一系列的抖動，如圖5-6所示。圖5-6按鍵抖動狀態(tài)圖按鈕穩(wěn)定閉合時間的長短由操作者決定，一般在100ms以上。如果快速刻意地按下它，它可以達到40-50ms左右，這很難降低。抖動時間由按鍵的機械特性決定，一般小于10ms。為了保證程序對按鈕的關閉或打開只響應一次，必須對按鈕進行去抖動處理。當檢測到按鍵狀態(tài)變化時，它不會立即響應動作，而是等待關閉或打開穩(wěn)定后再處理。5.4時鐘/報警電路單片機雖然有振蕩電路，但要形成時鐘，必須連接外部電路。外部時鐘利用芯片部分的振蕩電路，外部定時元件連接到XTAL1和XTAL2引腳，內部振蕩電路會產生自激振蕩。最常用的部分時鐘方法是使用由外部晶振和電容組成的并聯(lián)諧振電路，振蕩器晶振可以在1.2MHz和12MHz之間選擇。系統(tǒng)設置了上下限報警。當控制閥的開度大于90%或小于10%時，控制系統(tǒng)可以報警。蜂鳴器接+5V電源時會發(fā)出聲音。當需要報警時，通過程序設置“CLRP2.0”可以使AT89C51的P2.0輸出低電平，使報警電路報警。6閥門定位控制系統(tǒng)仿真根據(jù)上述設計使用Proteus設計，應用Keil設計程序?？梢允褂玫脑骷蠥T89C51、ADC0808、8段數(shù)碼管、按鍵、LED顯示燈、蜂鳴器、按鍵等。圖6-1Proteus中使用的組件代碼下圖是Proteus軟件仿真制作的閥門定位控制系統(tǒng)仿真單片機連接圖。圖6-2閥門定位控制系統(tǒng)仿真單片機連接圖使用仿真軟件對上圖進行測試，得到以下兩個閥門開度圖。圖6-3閥門開度小于10%的仿真圖圖6-4閥門開度大于90%