基于ARM的高频电磁阀控制系统设计与实现

重庆大学本科学生毕业设计（论文）基于 ARM 的高频电磁阀控制系统设计与实现学 生：学 号：指导教师：专 业：自动化重庆大学自动化学院二 O 一四年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityDesign and implementation of the system of high frequency electromagnetic valve control based on ARMUndergraduate:Supervisor: Major: AutomationCollege of AutomationChongqing UniversityJune 2014重庆大学本科学生毕业设计（论文） 中文摘要中文摘要电磁阀是一种能够实现电磁能和机械能转换的控制流体的执行器，在工业自动化控制中运用非常广泛，有着十分重要的地位，怎样去控制电磁阀，使之能够精确快速地完成预期目标是现代工业控制的一个很重要的研究问题。实际应用中的要求不一样，控制方法也就不一样。有的只需要控制电磁阀的开关，主要精度集中在指令发出到开关动作完成的时间差，有的不仅需要控制开关，还要控制开关的大小。不同的控制方法也有着各自的优点与不足。实际应用中关键是要根据自己的实际要求来选择合适的控制方法。本文介绍了一种基于 STM32 单片机和 74LS244 总线驱动器的控制办法，这种方法是通过将 ARM 的输入、输出信号，经过隔离后送入集成驱动芯片，对电磁阀进行控制和检测。集成驱动芯片既能驱动 4 通道电感负载，又可以监测每个通道有没有出现短路、开路、过载、过热及时钟丢失之类的故障。工程事例表明，此种控制方法可靠性高、能够监测多种故障、成本低、驱动能力强，具有极高的研究价值和工程价值。关键词：STM32，电磁阀，控制电路，74LS244重庆大学本科学生毕业设计（论文） ABSTRACTIABSTRACT The solenoid valve can change the electromagnetic energy into mechanical energy . It is a kind of Basic automation component to control the fluid. It is of high importance in practical application. So, How to control the electromagnetic valve, so that it can quickly and accurately complete the expected target is a very important research issue in modern industrial control.The practical application of the requirements are different, the control method is also not the same. Some only need to switch to control the electromagnetic valve, mainly concentrated in the precision of instruction is issued to the switch moves to complete the time difference, some need not only the control switch, but also control the switch size. Different control methods have their own power and the lack of. The key is to control the application of the appropriate method to choose according to their actual requirements.This paper presents a control method based on STM32 microcontroller and chip 74LS244 drives, this method input and output signals by ARM, then sent into the driver chip after the isolation integrated to control and test the electromagnetic valve. Integrated driver chips will not only drive 4-channel inductive loads, and can monitor each channel is short circuit, open circuit, overload, overheating and loss of clock failure. Project examples show that this control method, high reliability, can monitor a variety of failure, low cost, driving ability, it has high research value and the value of work.Keyword: STM32,solenoid valve ,control circuit ,74LS244重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录II目 录中文摘要 .IABSTRACT.II1 绪论 .11.1 电磁阀 .11.1.1 电磁阀特点 .11.1.2 常见的电磁阀控制方法 .21.1.3 ARM 控制 .21.1.4 基于 ARM 的电磁阀 .22 软件部分 .32.1 软件介绍 .32.1.1 Keil uVision 4.32.1.2 J-LINK .32.2 程序框图 .53 硬件部分 .63.1 单片机的选择 .63.1.1 STM32F10 简介 .63.1.2 STMF103 系列特点 .73.2 驱动芯片 74LS244.73.3 电磁阀选择 .83.4 电磁阀控制电路设计 .93.4.1 单片机最小控制系统设计 .103.4.2 总线驱动器设计 .113.4.3 施密特触发器设计 .113.4.4 LED 显示电路设计 .123.4.5 时钟电路设计 .123.4.6 运放电路设计 .133.4.7 存储电路设计 .143.4.8 串口电路设计 .143.4.9 键盘电路设计 .154 系统调试 .164.1 可能引起误差种类 .164.1.1 增益误差 .164.1.2 微分线性误差 .16重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录III4.1.3 积分线性误差 .164.1.4 电源噪声 .164.1.5 电源稳压 .174.1.6 模拟输入信号的噪声 .174.1.7 ADC 的动态范围与最大输入信号幅度严重不匹配 .174.1.8 模拟信号源阻抗的影响 .174.1.9 信号源的容抗与 PCB 分布电容的影响 .174.1.10 I/O 引脚间的串扰 .184.2 如何得到最佳精度 .184.2.1 减小电源噪声 .184.2.2 电源稳压的建议 .184.2.3 消除模拟输入信号的噪声 .184.2.4 模拟信号源的阻抗计算 .194.2.5 信号源频率条件与源电容和分布电容的关系 .194.2.6 温度效应补偿 .204.2.7 注入电流最小化 .204.2.8 减小 I/O 脚串扰 .204.2.9 降低 EMI 导致的噪声 .204.2.10.PCB 的设计建议204.3 调试结果 .214.3.1 LCD 模块调试 .214.3.2 键盘模块调试 .214.3.3 接口电路调试 .214.3.4 电磁阀控制电路调试 .215 总结 .236 致谢 .25参考文献 .26重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录IV重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论01 绪论1.1 电磁阀电磁阀是一种在工业控制中通过控制阀芯来调控液体。气体等介质的流量、速度、方向等数据参数的执行器。是一种极其常见的基础自控原件。电磁阀的控制电路有很多种，不同的控制目标对应了不同的控制方法。控制的精度和灵活性能够得到保证是电磁阀控制的主要研究问题 1。电磁阀种类有很多，不同的电磁阀在不同的位置发挥这不同的作用，实际应用中最常见点电磁阀有安全阀、单向阀、速度调节阀、方向控制阀等多个不同的种类。1.1.1 电磁阀特点泄漏容易控制，使用起来安全泄露问题是导致电磁阀安全故障的一个很大的原因。一般的自控阀都是动过电动、气动、或者液动等方式来拉伸电磁阀的阀杆以控制电磁阀的开关。这种方式的阀门需要解决阀杆长期拉伸运动中的密封问题；电磁阀则不需要考虑这个原因，因为它是通过电磁力控制套筒内的铁芯来控制电磁阀的开关的，所以电磁阀一般不存在外泄露的问题。电磁阀的结构式设计不想电动发的力矩式设计那么难以控制，很容易控制内泄露，甚至可以做到完全没有内泄露。因而，电磁阀比电动阀使用起来更加安全，特别是在某些特殊的环境，更是使用的尤为广泛。系统设计简单，价格低廉实惠和调节阀等其他执行期间相比，电磁阀的安装维护更加简单。因为电磁阀本身的结构就把你电动阀等要简单很多，而且电磁阀所组成的系统设计也是相当简单的，安装维护起来要比电动阀所组成的系统要简单的多。电磁阀不仅结构简单，价钱也是十分的低廉。在实际应用中受到广大用户的青睐。当今社会网络普及，多数控制都是通过网络控制，在这一点上电磁阀也占尽优势，由开关信号控制的电磁阀能够很简单的实现与计算机的连接。反应动作很灵敏，外观精巧简约和其他自控阀比起来，电磁阀的反应算是很快的。电磁阀是自成回路，反应时间能够缩短到几个毫秒，远远超出其他阀门。电磁阀在功耗上也很有优势。他的线圈功率消耗很低，只要有触发动作就可以自动的保持开关位置，不浪费多余的电力，是一种名副其实的节能产品，这也是它迅速占据主导市场的一个原因。电磁阀的外形设计也是其他阀门很难比拟的，一般电磁阀都很小，结构重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论1简单，安装到实际环境中节约空间，看上去也美观。时代进步，我们不仅要追求产品的功能效果，产品审美价值也是不可忽视的。调节精度受限，适用介质受限电磁阀之所以没有完全取代其他阀门的一个重要的原因是电磁阀一般只能控制开关，电磁阀阀芯一般只能置于开关两个极限位置，不好做到连续调节，这样一来，电磁阀的控制精度也就会大打折扣。还有一个原因是由于电磁阀的结构简单导致电磁阀对工作环境的要求比其他的要高，颗粒状介质、粘稠状介质等都会影响电磁阀的精度。但是这也并不影响电磁阀的地位，金无足赤，任何一种产品都不能做到毫无瑕疵。也正是因为瑕疵的存在，才能够激励我们不断的改良进步。型号种类繁多，用途十分广泛电磁阀虽然有很多不足之处，但是它的优点是非常显著的，因此就被设计成种类繁多的产品，以便于满足各个不同的需求，它的用途十分宽广。电磁阀技术的不断改进也主要是是围绕着怎样解决它的不足之处，让有点发挥得更加淋漓尽住而展开的。1.1.2 常见的电磁阀控制方法实际应用中用得最多的控制电磁阀的方法有如下几种：由二极管、三极管集成电路或达林顿三极管控制的电路。这类电路虽然线路简单，但是一般具有只能检测故障不能控制或者很难很好的控制电磁阀故障等缺点。由MOSFET控制的典型电路。这类电路线路简单，但由于无法像数字电路那样进行非常准确的控制，同时还具有只能监测故障不能控制故障的缺点。专用控制。这是工业控制中常用的控制方法，虽然具有性能可靠、控制简单等有点，但是价格过于昂贵。1.1.3 ARM 控制上面所列出3 种办法都不具有成本低、电路结构简单、性能安全可靠并具有检测的功能的要求。在本文所提出的电磁阀控制电路中，ARM单片机作为主要核心，专用驱动芯片74LS244与主控芯片之间的隔离用磁隔离芯片来实现， ARM所输出的PWM信号或者数字信号经过隔离后实现对74LS244 的控制，进而控制电磁阀;