电子信息工程专业毕业论文--智能阀门控制器的硬件设计.doc

电子信息工程专业毕业论文-智能阀门控制器的硬件设计 摘 要在现代工业自动化控制中工业过程控制的质量很大程度上取决于过程控制仪表性能的高低气动调节阀是工业过程控制的重要调节机构本文研究的调节型阀门控制器是气动调节阀的核心附件它能够显著改善阀门的动态特性提高阀门的响应速度定位精度以及控制灵活性本文先对国内外智能阀门控制器进行了对比和分析然后详细阐述了智能阀门控制器的总体及硬件设计论文主要解决了基于MSP430单片机的阀门硬件控制电源相序的检测电机保护等关键问题并且由基于MSP430的单片机系统实现对整个系统的数字化智能化控制提高了控制精度针对当前国内阀门电动装置主要为机械式开关控制的现状本着在现有机械结构上改动最小的原则利用传感器和电子电路替换传统的机械控制结构并且开发了集执行机构驱动单元调节控制单元现场显示仪表等为一体的机电一体化智能电动执行器本文设计并实现智能阀门控制器对提高国内阀门控制的自动化水平和智能阀门电动装置生产水平参与国际竞争具有重要的现实意义关键词调节型阀门控制器系统硬件电路设计The Hardware Design of Adjustable Valve ControllerABSTRACTIn modern industrial automation control the quality of industrial process control depends 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 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 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 mechanical 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 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 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 绪 论111调节型阀门执行器的发展及现状1com门执行器的发展及现状1com门执行器的发展及现状212 本课题的目的及内容4com 课题的背景及意义4com 课题研究的主要内容5第二章 调节型电动执行器控制阀门的总体设计621普通阀门电动装置的结构与功能特点622调节型阀门控制器总体设计方案7com阀门控制器设计要求7com阀门控制器功能分析8com阀门控制器基本原理8第三章 调节型阀门控制器中央处理单元1231单片机的选择1232 MSP430F135IPM的基础时钟1733 MSP430F135IPM的定时器18com定时器18com 16位定时器A19com 16位定时器B2234 MSP430F135IPM的各端口2335 MSP430F135IPM的模数转换2436 FLASH存储器24第四章 调节型阀门控制器外围电路设计及抗干扰2641 外围接口电路设计26com 三相电鉴相电路及接口设计26com 开关量控制接口设计29com 继电器驱动电路设计30com 显示接口设计31com 电源电路设计36com 远程模拟控制设计39com 电流工作及保护电路设计42com 开度检测模块设计4442 控制器系统硬件抗干扰措施44第五章 结论与展望47参考文献48致谢50第一章 绪论11 调节型阀门执行器的发展及现状执行器是工业自动化系统中的执行单元也是自动化系统中最重要的组成部分之一电动执行器一般是以电动机作为动力源的阀门电动装置其作用是将控制信号转换成相应的动作来控制阀内截流件的位置或其它调节装置com门执行器的发展及现状近年来我国电动阀门研制行业坚持技术进步加快新产品开发涌现出一批各具特色的高新技术产品如北京机床所的直动式电液伺服阀杭州精工液压 机电公司的低噪声比例溢流阀 拥有专利 宁波华液公司的电液比例压力流量阀 已申请专利 均为机电一体化的高新技术产品并己投入批量生产取得了较 好的经济效益目前国内研制的新型智能电动执行器的主要特点是主要技术指 标正在向国际 90 年代初水平看齐工作死区小于 08 级回差和基本误差都小 于 1 级使用方便具有自诊断自调整和 PID 调节功能PI调节功能但目前仅是个别使用没有形成产品北京航空航天大学机械工程及自动化学院现场总线及工业测控技术研究室与天津百利二通机械有限公司合作于2002年成功开发了基于现场总线的阀门控制系统首次将现场总线CANController Area Network控制器局域网总线应用于国内通用型阀门电动装置另外上海交通大学哈尔滨工业大学天津大学大连理工大学重庆大学等高校也都对阀门电动装置的调节型化控制器进行了相关的研究并取得一定的成果通过上述分析可以说调节型阀门电动装置今后几年在国内将进入发展成熟阶段而且随着工业自动化的进步控制技术的发展及受数字技术和微处理技术的影响人们对工业过程控制的终端执行器提出了新的要求以及调节型阀门电动装置与传统的普通阀门电动装置相比的突出优势可以推测在未来几年时间调节型阀门电动装置将会在很大层面上取代普通阀门电动装置因此进行调节型阀门电动装置控制器的研究开发提升国内产品的技术水平以参与国际竞争势在必行com门执行器的发展及现状自1929年LIMITORQUE公司制造出了世界上第一台电动执行机构以来国际上电动执行器技术水平发展迅速20世纪80年代起国外相继推出了符合各种现场总线标准的调节型执行器在工业现场取得了较好的应用效果由于高新技术的迅猛发展目前国外己开发出新一代调节型化电动执行机构产品电子计算机技术微机控制技术己在阀门设计中得到广泛应用这些调节型化电动执行器功能强大简单可靠技术先进国际著名的电动执行器公司英国的ROTORK罗托克生产的IQ系列调节型化电动执行器不但具有调节型通信调节型控制支持多种现场总线的功能而且其独有的双密封系统和红外线非侵入式设定使它可用在任何环境中防水防暴终身可靠调试及故障排除简单德国HartmannBraum公司新一代产品调节型电动执行器MOE700实现了调节型式电子一体化变频变速定位监控等功能代表着该领域的世界先进水平的公司还有美国的JORDAN公司和LIMITORQUE公司等几家国外著名的公司JORDAN公司的调节型电动执行器突出特点是动作频率高其动作频率是20004000h而国内的电动执行器动作频率在2000h以下一般动作频率达到1200h就是很高的了调节型电动执行器集微机技术和执行器技术于一体以调节型放大器取代传统的磁放大器是一种新型的终端控制单元是工业控制与自动化系统当前和今后发展动向之一国际上电动执行器向五个方向发展调节型性现场总线调节型性轻巧实用性重型安全复位性目前调节型化阀门电动装置在国外已经形成许多系列产品广泛应用于许多工业领域中并呈现出全方位调节型化全方位体现在阀门电动装置与仪表执行机构这两类产品概念的统一即其产品已经将上述两类产品性能集于一身其突出特点在于 1机械结构的精简可靠电子电路高度集成化模块化把整个控制回路装在一个现场仪表阀门电动装置之中同时可在不使用专用的工具移去任何封盖的前提下进行系统设置而是通过安置在控制仪表板上的LCDLiquid Crystal Display和本地控制开关来完成这样使控制系统的设计安装操作和维护等工作大大简化且减少因信号传输中的泄漏和干扰等因素对系统的影响提高了可靠性此外在结构设计上充分考虑到抗恶劣工作环境的因素其组件多带有保护涂层以防腐蚀外壳采用密封式经得起温度湿度的大范围变化和振动冲击的考验保证工作可靠例如OTORK公司生产的Q300系列电动装置就带有防水保护和双层密封外壳工作温度度在-3070之间从这些可以折射出国外阀门电动装置生产厂商的规模生产能力以及其技术工艺的成熟和完善2功能的完备主要体现在其一机多用途完全具备阀门电动装置仪表执行器的所有功能计算机控制功能除了能精确确定阀门全行程的两个极限位置外还可按给定值自动进行过程调节控制流量和压力等过程变量通过微处理器和PID或调节型控制算法编程实现例如VALTEK公司的Starpac调节型化阀门电动装置能响应外部4-20mA模拟信号或经由RS-485通讯口发来的数字信号或按自身程序设定的参数进行PID控制安全保护功能具有高度的自身保护和系统保护功能如自动调整三相电源的相序而保证电机正确起动避免因相序接错导致电机反转而损坏电动装置和阀门此外还能在阀门卡死的情况下防止阀门因过转矩而损坏ROTORK公司生产的IQ型调节型化阀门电动装置具有上述两种功能它装有相同步器自动相序调整装置可确保IQ的三相电动机始终具有正确的相序电源其次如果阀门卡死当启动信号发出715秒后无任何的动作IQ的执行器内部逻辑电路可将相应的触点断开除了有自身保护功能外调节型化阀门电动装置还具有系统保护功能即当某些部件出现故障或系统出现其它问题时会自动采取应急措施以免发生事故调节型诊断功能在阀门电动装置上装有一些附加的传感器或检测电路专门用于故障检测微处理器在运行中连续对整个系统进行检测一旦发现问题立即执行预定的程序自动采取应急措施并报警告知用户3业现场总线技术无线通讯技术的工业产品化应用调节型阀门电动装置利用数字通讯手段与主控制室相连主控制室送出的可寻址数字信号通过电缆被电动装置接收电动装置的微处理器根据收到的信号对电动装置进行相应的控制12 本课题的目的及内容com 课题的背景及意义本课题是一智能型智能电动阀执行机构是开发电动阀智能控制器以取代原来的PLC增加多单片机接口可以降低成本增强企业产品的竞争力智能阀门控制器为控制系统的核心是将送油调节阀溢流阀电磁回油阀等融为一体的具有高精度调节压力上限保护加荷卸荷换向快速送回油等多种控制功能的机电一体化组合体智能阀门控制器接收传感器和定位探头等的信号后通过阀门控制电机组件对阀门进行控制调节实现对整个抗压试验过程的智能化自动控制同时进行力值采集和强度的计算显示和数据的打印保存可以查询所保存的历史数据MSP430单片机的调节型电动执行器有很好的市场前景主要具有如下的现实意义和实际价值1系统提出模块化的设计思想采用MSP430单片机作为阀门控制系统主控CPU具有低成本低功耗和高性能的处理能力对电机的数字化控制非常有用同时几种先进的外设被集成到芯片内部形成真正的单芯片控制器外设集成度高程序存储空间更大AD转换速度更快等特点是电机数字化控制的升级产品2利用固态继电器控制电机的可逆运转的技术设计调节型电动执行器非常适用于频繁启动易燃易爆潮湿等环境恶劣的场合与自控远控设备中3实现了自动化仪表技术从模拟技术向数字技术的转变自动化系统从封闭式系统向开放式系统的转变4将控制显示等功能下载到执行器中更好的实现了其调节型化并简化了上层系统5大大的缩短了我国电动执行机构与国外同类产品的差距6为国民经济各部门提供新的自动化装备从而带来更高的效益7振兴我国仪表工业当前世界上有名的仪表公司的产品进入我国市场竞争激烈只有保持技术上和国外同步促进仪表产品结构的调整才能立于不败之地com 课题研究的主要内容本课题是在充分了解国内外调节型阀门电动执行机构技术现状和发展趋势的基础上认真研究了其优点和不足之处并结合国内用户的需求及应用环境而提出的在国内现有的同类产品基础上将单片机技术电子技术传感器技术应用在电动执行器中开发了集执行机构驱动单元调节控制单元现场显示仪表等为一体的机电仪一体化的调节型执行器以MSP430单片机为中心对阀门电动装置通过开关式控制机构在行程到位过转矩或故障发生时直接切断该机构在电气控制回路中的对应常闭触点来断开电机电源的方式故障检测包括相序检测及自动调整环节断相检测环节电机过热检测环节及极限位置检测等开度控制包括控制电机正反转环节和开度显示环节等主要功能包括本地控制和远程控制两个方面本地控制使用旋钮控制电动执行器开度远程控制使用4-20mA标准信号控制执行器开度输出需要显示电机开度同时使用指示灯显示电机状态通过传感器实现行程和转矩控制机构实时采集行程和转矩信息并以电信号的形式传至MSP430分析处理MSP430根据处理结果实时刷新开度指示模块的开度显示并通过电机驱动模块控制电机的正转反转和停止状态检测模块在系统上电后即对电机电源的相序正反是否缺相电机温度过热等状态实时监控异常时向MSP430发出相应的故障信号MSP430及时做出故障处理如通过电机驱动模块使电机停止等并通过开度指示模块显示故障报警信息LCD汉字显示界面并使结构上达到了操作时非侵入的要求使得该调节型阀门控制器实现了对信息采集的数字化控制处理的精确化人机交互的人性化调节型化以及操作设置的安全化21普通阀门电动装置的结构与功能特点普通阀门电动装置对于行程和转矩的控制均由机械开关式行程和转矩控制机构实现如图21所示包括机械开关式行程控制机构可调式开度指示器和机械开关式蝶簧组及转矩控制机构用以控制阀门的开启关闭及阀门位置的开度指示和开关阀门过程中的转矩保护1电机 com 4蜗杆 5蜗轮 6输出轴 com 9行程控制机构 10中间齿轮 com槽 13曲柄 14转矩控制机构 15蝶簧组及转矩控制机构图21 普通阀门电动装置结构示意图Fig 21 Structure of ordinary valve机械开关式行程控制机构由十进位齿轮组顶杆凸轮和微动开关组成简称计数器其工作原理是由减速箱内的一主动小齿轮带动计数器工作如果计数器按阀门开或关的位置已调整好当计数器随输出轴转到预先调整好的位置圈数时则凸轮将被转动90压迫微动开关动作切断电源电机停转以实现对电动装置行程的控制为了控制较多圈数多回转的阀门可调整凸轮转180或270再迫使微动开关动作同时其指针式阀门开度指示由可调式开度指示器实现其由减速齿轮组调节齿轮阀门开度表盘凸轮微动开关及电位器组成在现场调试时根据所配阀门开关的圈数将调节齿轮调整到所需位置并与减速齿轮组啮合当阀门在开启或关闭过程中开度盘经减速后转动指示阀门的开度值指示角度与阀门开度值同步机械开关式转矩控制机构由曲柄碰块凸轮分度盘支板和微动开关组成当输出轴受到一定的阻力转矩后蜗杆除旋转外还产生轴向位移带动曲柄旋转同时使碰块也产生一定角位移从而压迫凸轮使支板上抬当输出轴上的转矩增大到预定值时则支板上抬到直至微动开关动作切断电源电机停转实现对电动装置输出转矩的控制通过以上描述可见机械开关式行程和转矩控制机构存在着安装设置调整繁琐控制精度不高不易实现阀门开度的电子式数字显示转矩只能针对某个具体值进行控制无法实现连续的采集和控制等弊端另外普通型阀门电动装置是靠三相异步电机通过传动机构来带动阀门的启停电机靠交流接触器控制除电气控制回路外还有各种保护电路例如熔断器热继电器过转矩保护等这种阀门电动装置控制回路简单可靠性较好但所提供的故障信息较少使用维护不便也无法实现联动功能22调节型阀门控制器总体设计方案com阀门控制器设计要求调节型电动执行器是以单片机为核心的控制电路要求其使用时性能稳定可靠控制部分紧凑合理各功能单元既相互独立又互有接口方便维修和在线扩展等优点具体设计要求如下1完成三相异步电动机的正转反转停止的控制2能实现对电机正反转间的互锁防止电源间的短路3 能实现对三相电源进行缺相相序检测避免因缺相带来的电机过热4 接受开关量控制通过操作面板上开关或远程的开阀关阀开关控制开关闭合时电机立即启动开关断开时立即停止5 完成对阀门开度检测并进行反馈控制同时实现变送4-20mA电流信号信号输出6 完成对阀门力矩检测并进行反馈控制检测阀门的行程上下限和力矩上下限7 控制面板上有本地停止远程三种模式选择开关和本地模式下开关操作旋转开关在远程模式下可进行模拟量和开关量控制8 显示部分采用液晶背光型默认设置下可显示阀门开度阀门力矩故障报警代码操作模式电流大小在进行参数设定时显示各种设置参数符号9 电机的过热保护采用热保护器电机内埋入PT100热电阻可用通过程序进行 80150 内的任意温度设定起电机保护作用10 分辨率1元器件选用工业级11 具有较强抗干扰能力 例如电磁干扰噪声干扰温度影响 com阀门控制器功能分析在充分理解和分析国外先进调节型阀门电动装置及其控制器的基础上提出本设计中的调节型非侵入式阀门电动装置控制器应具有以下功能1系统要求电机能够正转反转和停转控制因此系统采用了带互锁的继电器控制电机并配合元件互锁保证电机安全可靠工作在继电器进线端采用了光电耦合实现强电与弱电的隔离提高了系统的抗干扰能力2为了实现对阀门开度的检测系统需要检测阀门的转动位置通过4-20mA标准信号转换传输到单片机从而对电机开度进行实时的检测实现电机的开度控制和显示3为了实现对阀门力矩的检测系统需要检测电机的三相电流按照相应的换算关系间接检测力矩的大小4由于开度和力矩值需要变送输出因此系统要设计开度和力矩的变送模块5为了实现远程模拟量的控制系统需要检测远程模拟量值经过A D转换实现电动机在对应控制信号位置时停止6另外设置的参数要在液晶屏上显示系统还需要设计显示模块7为了使系统在掉电后能够长时间工作系统还需要选用一款低功耗单片机来检测和记录开度其他电路都保持掉电状态8针对电机内部温度过热的现象系统设计了温度检侧模块来实时检测电机的温度值com阀门控制器基本原理根据前面对普通阀门电动装置的结构功能特点及调节型阀门控制器的功能要求的分析本着对现有普通阀门电动装置结构上改动最小即可实现调节型化的原则针对直接开关位置控制方式开发实用的符合我国国情的调节型非侵入式阀门电动装置控制器用于驱动和控制多回转阀门装置提出的总体设计方案如下本设计将微机控制技术传感器技术和电子技术引入到阀门的控制系统中改变了普通阀门电动装置中通过开关式控制机构包括行程转矩和故障检测机构在行程到位过转矩或故障发生时直接切断该机构在电气控制回路中的对应常闭触点来断开电机电源的方式如图22所示在调节型阀门控制器中以调节型中央处理单元为核心实现对单台阀门的控制电机带动机械传动机构使电动装置运行通过传感器实现的行程和转矩控制机构实时采集行程和转矩信息并以电信号的形式传至中央处理单元分析处理中央处理单元根据处理结果实时刷新开度指示模块的开度显示并通过电机驱动模块控制电机的正转反转和停止状态检测模块在系统上电后即对电机电源的相序正反是否缺相电机温度过热等状态实时监控异常时向中央处理单元发出相应的故障信号中央处理单元及时做出故障处理如通过电机驱动模块使电机停止等并通过开度指示模块显示故障报警信息中央处理单元通过非侵入现场开关机构接受控制者对控制器的设置及操作信息并通过控制其它模块做出相应的动作远程功能模块通过与中央处理单元交互实现对系统的远程控制和状态采集以下分别对各个模块的设计方案和选型进行具体阐述图22 调节型阀门控制器总体框图Fig 22 Intelligent valve controller general diagram1中央处理单元如前所述中央处理单元是调节型阀门控制器的标志与核心支配系统各个功能模块协调地工作检测各种工作状态信息和行程转矩信息处理后通过开度指示模块实时更新接收用户输入的控制指令信息控制电机动作并根据状态异常情况发出各种报警信息因此该模块利用可编程的单片机系统实现2行程控制机构为了实现中央处理单元对阀门开启位置的连续电信号采集本设计采用金属膜精密电位器与阀门同轴作为行程控制机构当阀门关到位时对应电阻值最小当阀门开到位时对应电阻值最大在阀门的极限位置装有行程开关避免电机在阀门到位时堵转也避免在开关初始位处易出现的开关不严的现象3转矩控制机构目前用于阀门电动装置转矩控制的方式有通过检测电机电流折算输出转矩通过测力传感器计算输出转矩通过绝对值编码器检测变形计算输出转矩结合当前阀门电动装置的特点考虑到以电机电流方式控制转矩会受到温度电压等多种因素干扰不易实现因此本系统采用了极限位置转矩控制方式即当开度达到满度时通过位置开关强行停止转矩当开度未达到满度时通过电机的启动停止来控制转矩的运行4开度指示模块如前所述传统的普通型阀门电动装置都是通过指针式开度指示机构来指示当前的阀门开度阀门位置受视角因素以及人为因素的影响本设计中使用液晶屏显示开度直接接受中央控制单元发出的控制信号通过液晶驱动模块的驱动实现精度更高的数字化显示同时还能提供给用户更加人性化的界面除了开度显示外用户可以通过该界面对调节型阀门控制器的工作方式和远程状态输出等进行设置同时也可清楚地了解电动装置当前的工作状态如是否有报警信号等另外本设计选用12232点阵液晶可显示两行每行7个半汉字符合国内用户的使用习惯5电机驱动模块阀门电动装置主要是通过电机驱动阀门的正反向运转对于三相异步电机要实现其可逆运转只需改变三相主回路上任意两相电源的相序即可也就是要改变电动机的接线位置用两台交流接触器交替地给电动机送入L1L2L3相序电源和L3L2L1相序电源电动机就可以实现逆向运转如图23所示本电路由熔断器Fu正转交流接触器触点KO反转交流接触器触点KC和电动机M构成主回路KO合闸后送入电动机接线柱UVW的电源相序为L1L2L3电动机正转KC合闸送入电动机接线柱UVW的电源相序为L3L2L1电动机反转图23 调节型阀门控制器电机驱动模块Fig 23 Intelligent valve motor drive controller module在电气控制回路中接入两个12V线圈的小型继电器J1和J2的触点并且实现硬件上的互锁结构如图23所示J1J2分别控制交流接触器KOKC的通断并且J1J2的线圈直接受中央处理单元的开关量控制信号控制中央处理单元通过鉴相电路判断送入电动机接线柱UVW的电源相序是否是正序是的话按照上一段的描述则J1闭合控制电机正转J2闭合控制电机反转否则J1闭合控制电机反转J2闭合控制电机正转因此中央处理单元只要控制J1J2就能实现对电机的正反转和停止控制同时实现了自动调相功能避免了因为接线相序错误而造成危险另外该方案省去了普通阀门控制器控制回路中的急停开关电机热继电器常闭触点等器件而由状态检测电路对上述状态进行监控出现异常时通知中央处理单元中央处理单元通过J1J2断开使电机停转即可6状态检测模块该模块负责检测除行程和转矩以外的状态信息在阀门电动装置除上述两种外的工作状态异常时提供给中央处理单元相应的故障信息以便及时处理该模块可通过设计硬件电路实现根据电路实现机制不同该模块可分为两部分第一部分是检测电源缺相控制回路熔断器熔断电机温度过热等故障的电路该部分均是通过调理电路间接检测380V电压的通断并将其转换成能被中央处理单元识别的开关量信息从而使中央处理单元在故障发生时能够进行及时的处理另一部分则是鉴相电路它负责鉴别送入电动机接线柱的电源相序的正反并以开关量的形式提供给中央处理单元中央处理单元根据相序的情况控制电机驱动模块正确地执行开关阀门的动作7远程功能模块根据功能不同该模块可以分成三个部分第一远程开关对阀门电动装置的点动控制第二可以指示电动装置各种工作状态的开关量输出以便实现联动功能这两种功能均可由继电器接入中央处理单元的输入输出接口并通过软件编程实现第三章 调节型阀门控制器中央处理单元本章在前一章总体设计的基础上针对该调节型阀门控制器的硬件设计进行了详细的阐述实现了整个控制器系统的调节型化31单片机的选择调节型阀门控制器中央处理单元是调节型阀门控制器的核心单元负责系统的所有控制活动系统将采集的各种信号数字信号经AD转换的模拟信号开关信号送的处理单元再根据按用户要求设计的软件程序控制系统从而实现了系统的数字化和调节型化根据系统设计要求应选择IO口等片上资源丰富处理速度块低功耗开发简单快捷并具有较高集成度的单片机作为中央处理器以尽可能减小电路板的面积因此最好选用集成度较高的SOCSystem on Chip单片机这类单片机将各种外围功能模块集成于片内且具有较大的数据和程序存储区从而避免了某些外围器件和存储器的扩展这样不仅能节省电路板的空间减少了电子元件的使用同时又避免了复杂的电子连线提高了系统的可靠性本设计系统的控制核心采用了TI公司的16位高性能MSP430F135单片机用来检测系统的输入状态控制系统各个部分的输出TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器其中包括一系列器件它们针对不同的应用而由不同的模块组成它们具有16位RISC结构CPU中的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗其MSP430系列单片机有以下特点1 低电压低功耗MSP430系列单片机能够在稳定的工作在18V-36V之间在系统时钟频率较低的情况下其消耗电流能降低到400A以下有多种低功耗模式可以在不同的模式实现超低功耗2 强大的处理能力MSP430系列单片机具有16位RISC结构简洁的内核指令系统当工作在8MHz系统时钟下时指令周期为125s3 稳定的工作性能MSP430单片机中内置看门狗同时系统能够在多个时钟源之间切换保证系统正常工作4 丰富的片内资源MSP430系列内置了丰富的片内资源模块主要包括看门狗 WDT 定时器A TimerA 定时器B TimerB 比较器串口0串口1 USTRA0USTRA1 硬件乘法器模数转换 ADC 基本AD口基本定时器等5 工业级产品MSP430系列单片机都是工业级产品具有-085的工作温度范围并具有较强的抗干扰能力MSP430系列单片机具有OPTFlashEPROM和ROM四种类型其中具有片内JTAG调试接口的Flash型MSP430单片机拥有十分便捷的开发环境通过JTAG将程序下载到Flash内上位机软件控制片内程序的运行向JTAG接口输出片内信息供调试开发不需要额外的仿真器和编程器节约了开发成本MSP40F135单片机是MSP430X13X系列中的一种除了MSP430系列单片机的共同特点之外MSP430F135单片机主要特性如下1低电源工作电压18V36V 2 基本的时钟模块高速晶体振荡器 最高8MHz 低速晶体振荡器 最高32768Hz 内部的DCO振荡器 3 12位200kpbs的AD转换器自带采样保持多种转换方式 4 具有3个捕获此较寄存器的16位定时器TimerA 5 具有7个捕获此较寄存器的16位定时器TimerB 6 多达60KB的FlashROM和2KB的RAM 7 内部带有256B的Flash存储器模块 8 JTAG引脚单独引出不与IO线复用9串行在系统编程10安全熔丝的程序代码保护MSP430F135的结构框图31如下图31 MSP430F135的结构框图Fig 31 MSP430F135 diagram of the structure相应引脚图如下图32 MSP430F135引脚图Fig 32 MSP430F135 pin map表31 单片机引脚与本设计阀门控制功能对照表Table 31 SCM pin with the design of the valve control tables序号管脚序号IO点功能112P10行程极限保护上限位213P11行程极限保护下限位314P12转矩极限保护上限位415P13转矩极限保护下限位516P14远程420mA断线后全开处理11播码开关全关处理00播码开关保位0111617P15718P16检测过冲按钮819P17开阀显示灯920P20关阀显示灯1021P21故障显示灯1122P22电机过热保护1223P23本地控制开阀信号1324P24本地控制关阀信号1425P25本地控制停阀信号1526P26反映现场控制状态继电器1627P27反映远程开关控制状态继电器1728P30反映远程模拟控制状态继电器1829P31反映电机过热状态继电器1930P32液晶数据12031P33液晶数据22132P34液晶数据32233P35背板光2334P36本地远程切换2435P37电位器中间位置状态继电器2536P40开关阀按钮点动或自保高点动 低自保2637P41PWM输出口调节占空比用于输出4-20mA模拟量输出2738P42开关两位阀与平常阀选择高正常 低两位2839P43控制电位器检测投入常闭2940P44控制4-20mA的投入常闭3041P45开关型调节型选择3142P46阀门电机正转普通继电器相序调整3243P47阀门电机反转普通继电器相序调整3344P50远程停阀开关量3445P51远程关阀开关量3546P52远程开阀开关量3647P53鉴相芯片输出给单片机反序3748P54鉴相芯片输出给单片机正序3849P55鉴相芯片输出给单片机电源缺C相3950P56鉴相芯片输出给单片机电源缺B相4051P57鉴相芯片输出给单片机电源缺A相4159P60电位器检测开度模拟量输入4260P614361P62远程控制4-20mA模拟量输入442P63电流互感器输入信号453P64464P65475P66486P6732 MSP430F135IPM的基础时钟MSP430的工作方式支持多种超低功率和超低能耗的高级需求这是通过在不同的模块工作方式和CPU状态期间的调节型工作管理实现的受系统价格和电流消耗目标驱使有必要使用不同的时钟信号系统时钟模块需要为系统提供ACLK 辅助时钟 MCLK 主系统时钟 和SMCLK 子系统时钟 其中ACLK主要用于选作的系统外围模块的时钟信号MCLK主要为CPU和系统提供时钟信号SMCLK主要为系统外围模块的时钟信号MSP430F135具有高速晶体振荡器低速晶体振荡器和DCO三个输入时钟源1 高速晶体振荡器高速晶体振荡器连接到MSP430F149的高频振荡器最高可以产生SMHZ的XT2CLK该时钟可以通过各时钟的分频器作1248分频后作为MCLKSMCLK时钟信号2 低速晶体振荡器低频晶体振荡器连接到MSP430F135的低频振荡器一般使用32768Hz晶体振荡器产生LFXTICLK低频信号该时钟也可以通过各时钟的分频器作1248分频后作为MCLKSMCLKACLK时钟信号3 DCO实际上是一个数字可编程的RC振荡器能够在其它两个时钟源失效的情况下自动被选用作系统时钟源同XT2CLK相同DCOCLK可以经过个时钟分频器作1248分频后作为MCLKSMCLK的时钟信号基本时钟模块的输入输出关系如图33所示图33 MSP430的时钟Fig 33 MSP430 clockLFXT1CLK是由低频时钟晶体产生的低频时钟源由标准高频晶体或陶瓷谐振器产生的高频时钟源以及外接时钟信号源XT2CLK是由标准晶体或陶瓷谐振器产生外接450KHz8MHz时钟信号源DCOCLK是片内可以数字控制的RC振荡器一次POR之后DCOCLK被默认使用DCOR位被复位DCO位被置位达到标称初始频率另外如果LFXT1CLK产生MCLK失败DCOCLK自动选择DCOCLK以确保可靠工作SMCLK能够从LFXT1CLK或者DCOCLK产生ACLK常由LFXT1CLK产生晶体振荡器能够被定义成用手表晶体或高频的陶瓷滤波器或晶体工作晶体或陶瓷滤波器跨接到两个端子上用手表晶体工作时无需外部元件如果选择高频XT1模式需要在XIN端子到VSS和XOUT端子到VSS连接由晶体厂家指定的外部电容LFXT1振荡器在VCC加上之后启动 如果OscOff振荡器位设置为1当它不用于MCLK时振荡器停止时钟信号ACLK和SMCLK可以通过端口引脚被外部使用不同的应用需求和系统条件规定不同的系统时钟需求包括1高频用于对系统硬件需求或事件的快速反应2低频用于最小化电流消耗和EMI等3稳定的外设时钟用于定时器应用 例如实时时钟 RTC 两个时钟源LFXT1CLK和DCOCLK能够用于驱动MSP430系统LFXT1CLK由LFXT1晶体振荡器产生LFXT1晶体振荡器能够工作于三种模式低频 LF 中频 XT1 和外部输入方式当LFXT1晶体振荡器不用时可以关闭DCOCLK从DCO产生标称DCO频率由直流发生器定义并能通过一个外部电阻建立或者由集成电阻设置到8个值中的一个通过对DCO模块中寄存器的软件操作DCOCLK的辅助调节和调制是可能的DCOCLK不用于CPU或外设时自动停止当DCOCLK不用时直流发生器能够用SCG0位关闭以实现额外的功率节省系统时钟发生器总是由选用作MCLK的DCOCLK启动以确保程序正确启动执行通过控制位操作由软件最终确定系统时钟的产生33 MSP430F135IPM的定时器com定时器看门狗定时器WDT模块的主要功能是在软件发生问题之后执行一次受控系统重启如果选定的时间间隔到达产生一次系统复位如果应用中不需要看门狗功能模块能够作为一个间隔定时器工作在选定的时间间隔之后它产生一个中断WTD有如下特性主体是一个16位计数器需要口令才能对其操作有看门狗和定时器两种模式有8种可选的定时时间看门狗定时器计数器 WDTCNT 是一个16位增计数器它不能由软件直接访问WDTCNT通过看门狗定时器控制寄存器 WDTCTL 控制它是一个16位的读写寄存器在两种工作方式 看门狗或定时器 中对WDTCT的写入只有在高字节中使用正确的口令才可能低字节存放写入WDTCTL的数据高字节必须是口令05Ah任何 05Ah以外的数值写入 WDTCTL 的高字节将产生一次系统复位 PUC读口令时它的值是069h这使对WDTCTL寄存器的意外写操作减至最少除了看门狗定时器的控制位外还有用于配置NMI引脚的两位也包含在WDTCTL寄存器中WDT的工作模式是有WDTCTL寄存器中的TMSEL决定当TMSEL为0时WDT工作在看门狗模式当TMSEL为1时WDT工作在定时器模式看门狗的目的在于发现程序跑飞时看门狗计数器由于得不到用户程序使其清零发生溢出导致CPU复位这样CPU又会重新运行用户程序所以使用看门狗时必须周期性的在WDTCTL的CNTCL位写1进行喂狗使看门狗计数器复位当然可以不用看门狗定时器以节省功耗将WDTCTL中的HOLD置1时看门狗计时器停止工作com 16位定时器A16位定时器ATimer_A是MSP430所有系列器件都有的模块是一个用途非常广泛的通用16位定时器计数器它有一下一些特点16位计数器4种工作模式多种可选的计数器时钟源具有多个可配置输入端的捕获比较寄存器有8种输出模式的多个可配置的输出单元16位定时器A可支持同时进行的多种时序控制多个捕获比较功能及多种输出波形也可以是几种功能的组合每个捕获比较寄存器可以以硬件方式支持实现串行通信同时16位定时器具有中断能力中断可由计数器溢出引起也可来自具有捕获或比较功能的捕获比较寄存器每个捕获比较模块可独立编程由捕获或比较外部信号以产生中断外部信号可以是上升沿也可以是下降沿也可二者都有16位定时器A可分解成及部分计数器部分捕获比较寄存器及输出单元其中计数器部分完成时钟源的选择与分频模式控制及计数功能捕获比较寄存器用于捕获事件发生的时间或产生时间间隔输出单元用于产生用户需要的输出信号116位定时器A的寄存器16位定时器A 有TACTLTARCCTLXCCRXTAIV等寄存器其中 TACTL 控制寄存器 集中了TimerA 的全部控制包括定时长度输入的时钟源和分频选择计数模式选择以及中断设置等功能 TAR 计数器 中保存Timer-A 定时器的计数值TACCTLx 捕获比较寄存器 针对TimerA中的7个捕获比较模块独立设置的控制寄存器通过设置相应模块的寄存器能够控制该模块的捕获方式输入选择中断能力以及输出模式等TACCRx 捕获比较寄存器 在捕获方式下当满足捕获条件时硬件自动将TAR中的数据写入该寄存器用户可以读取该寄存器在比较方式下用户根据定时器的工作模式向该寄存器中写入相应的数据取得定时结果TAIV 中断向量寄存器 用于存储中断向量的请求源系统按照优先级的顺序执行相应的中断服务程序访问TAIV寄存器能够自动的将优先级最高的中断请求标志位复位受TACTL控制寄存器中MC0和MC1控制位的控制216位定时器A的工作模式Timer-A 有4种工作模式停止模式增计数模式连续计数模式和增减计数模式设置MC0 1MC1 1则Timer-A工作在增减计数模式下该模式下TAR中计数值示意如图34所示图34 增减计数模式下的计数器TARFig 34 Increase decrease counting mode of counter TARTAR计数器的先增加然后减少在增计数阶段增计数到CCR0时计数器停止计数转为减计数模式当减计数到0时TAIFG标志位置位并重新开始增计数阶段由此可见这种模式的计数周期为CCR0值的2倍所以常用于须得到对称波形的场合增减计数模式时中断标志位CCIFG0或TAIFG会在相等的时间间隔置位在一个完整的周期中每个标志位只置位一次分别在半周期时发生当定时器TAR的值从CCR01増计数到CCR0时中断标志位CCIFG0置位当定时器从1减到0时中断标志TAIFG置位16位定时器A在各种模式下改变CCR0的值其结果不一样如在停止模式下定时器没有计数其值不会发生改变在增减计数模式下在增计数时与增计数模式完全相同在减计数时新周期在减计数完成后才起作用3捕获比较模块该定时器有3个相同的捕获比较模块每个模块都可以捕获事件发生的时间或产生一定的时间间隔它为实时处理提供了灵活的手段当发生捕获事件或定时时间到都将引起中断该模块可用于捕获模式也可用于比较模式用CCTLX中的CAPX选择模式用CCMX1和CCMX0选择捕获条件当CAPX 1则模块工作于捕获模式4输出单元每个捕获比较模块都包含一个输出单元用于产生输出信号每个输出单元有8种工作模式可产生基于EQUX的多种信号输出模式如下1输出模式0输出模式输出信号OUTX由每个捕获比较模块的控制寄存器CCTLX中的OUTX位定义并在写入该寄存器后立即更新最终为OUTX直通2输出模式1置位模式输出信号在TAR等于CCRX时置位并保持置位到定时器复位或选择另一种输出模式为止3输出模式2PWM翻转复位模式输出在TAR的值等于CCRX时翻转当TAR的值等于CCR0时复位4输出模式3PWM置位复位模式输出在TAR的值等于CCRX