基于单片机的阀门定位器设计与开发

本科毕业设计论文 题 目 基于单片机的阀门定位器设计与开发专业名称学生姓名指导教师毕业时间西北工业大学明德学院本科毕业设计论文I基于单片机的阀门定位器设计与开发摘 要阀门是管道系统介质流量的重要调节执行机构，阀门定位器是其主要附件之一。国内传统定位器主要以力平衡式为主，所以行程和零点调整时需反复调整，调校麻烦、功能单一、可扩充性差。而国外进口的智能型阀门定位器价格昂贵。实现数字化、智能化诊断与无人看守的智能阀门定位器己经变得十分迫切。本文就是根据这样的实际需求，阐述了自主开发的阀门定位器的工作基本原理和设计过程中所涉及到的基本知识，并对关键环节进行了详细分析。本文所述的阀门定位器是以单片机 ATmega16 为核心部件，还包括显示电路，RS485 接口、电源、复位电路、 I/V 转换电路、报警器等组成基本控制系统的硬件结构。因为智能阀门定位器具有非线性和实时性，并且在控制过程中出现滞后现象，所以采用模糊自整定 PID 结合产生相应的控制信号，使阀芯准确定位，实现对阀门工作的闭环控制。模糊自整定 PID 使系统可以进行在线的、实时的控制。这些功能的实现是用C 语言的软件程序支持。同时，在软件程序的支持下其它的硬件也能够对各种电信号进行反应和处理，并同时对阀门工作中出现的故障情况也可以做出紧急反应。经过实验证明，该阀门定位器的设计方案是切实可行的。与国内传统定位器相比，该阀门定位器不仅可以显示阀位、与上位机进行串口通信、故障报警且具有控制精度高、调整方便、能耗低、适用范围广等特点。关键词：阀门定位器，模糊控制，PID 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文IIDesign and Development of Valve Positioner Based on MCUABSTRACTThe valve as a executing agency adjust the medium flow of pipeline system,it is an very important implementation,and valve positioner is the one of main annex.Domestic traditional locators are mainly composed of force balance type, so when the stroke and the zero point adjustment needs to adjust repeatedly, set-up, single function, poor scalability. And abroad intelligent valve positioner is expensive. Realizes the digitalization, intelligent diagnosis and unattended intelligent valve positioner very urgently. is according to the actual needs of this, this paper expounds the independent development of valve positioner of the working principle and design process involved in the basic knowledge, and the key links are analyzed in detail.The ATmega16 is core of valve positioner in control system as the paper described, display circuit,RS485 interface converter ,as well as power supply,reset circuit,I/V conversion circuit,alarm and other components composed of the basic control system hardware structure. In that, process control can come true through the combination of grey predication and PID which can adjusted parameters by itself bases on fuzzy control.Grey precdication can play the action of ahead control,fuzzy self-tuning PID can make the system online and real-time control.The control combination of grey predication and fuzzy self-tuning PID can accurate spool positioning,to achieve closed-loop control of the valve work.The system would run by software supported in C language.Of course,other hardware using C language software program support for a variety of electrical signal can be processed.The experiments show that the design of intelligent valve positioner is feasible.Compared to the domestic traditional valve positioner ,the locator has control of high precision,easy adjustment,low energy consumption and for a wide range of characteristics,while the positioning device has a certain ability to think and solve,it can display valve position and fault alarm by itself.KEY WORDS:valve positioner, fuzzy control,PID西北工业大学明德学院本科毕业设计论文III目 录摘 要 .IABSTRACT.II第一章 绪论 .11.1 课题背景及发展状况 .11.1.1 课题背景 .11.1.2 发展状况 .21.2 设计的研究内容和技术关键 .21.2.1 阀门定位器的原理 .21.2.2 研究内容 .21.2.3 设计的关键技术 .31.3 预期成果 .31.4 本文的主要内容 .4第二章 系统的总体设计 .52.1 系统的总体方案设计思路 .52.2 硬件结构设计 .52.3 软件结构设计 .7第三章 系统硬件设计 .73.1 单片机的选择及功能介绍 .83.1.1 单片机的选择 .83.1.2 ATmega16 的管脚说明 .93.1.3 ATmega16 的主要特征 .103.2 电源电路的设计 .113.3 前向通道的设计 .113.3.1 I/V 转换电路 .123.3.2 时钟电路的设计 .123.3.3 复位电路的设计 .133.4 后向通道的设计 .133.4.1 输出电路的设计 .133.4.2 报警电路 .143.5 单片机与上位机的接口电路 .143.6 键盘、显示电路 .153.7 硬件抗干扰 .16第四章 软件设计 .174.1 开发环境和编程语言 .174.2 软件系统的结构分析与规划 .174.2.1 软件功能的规划 .174.2.2 功能结构 .174.3 主程序 .18西北工业大学明德学院本科毕业设计论文IV4.3.1 初始化程序 .184.3.2 数据处理模块 .184.3.3 数字滤波 .194.3.4 对阀门异常的判别和报警 .194.4 通讯接口程序设计 .214.4.1 通讯接口的协议 .214.4.2 单片机的通信程序设计.22第五章 系统控制策略 .245.1 模糊控制的概述 .245.2 模糊控制原理 .245.3 模糊自适应整定 PID 控制原理 .25第六章 总结与展望 .28参 考 文 献 .29致 谢 .30毕业设计小结 .31附录 设计原理图 .32西北工业大学明德学院本科毕业设计论文1第一章 绪论1.1 课题背景及发展状况 1.1.1 课题背景阀门定位器作为气动调节阀的主要附件之一，主要以改善阀门特性、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。随着社会的不断进步和生产力的发展，工业生产已经向大规模、自动化的方向发展。目前，自动化装置已经成为大型设备不可分割的一部分 1。因此生产过程中的自动化程度成为衡量工业现代化水平的一个重要标志，而过程控制则是工业自动化的一个重要分支。对于过程控制来讲，调节阀是其重要的一个环节。调节阀性能的好坏直接影响着过程控制的性能指标。阀门定位器是调节阀的一个辅助执行机构，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。现在我国市场上大量使用的还是被国外淘汰的产品，这些产品有很多缺陷使得调节阀在控制过程中精度不高且机械结构复杂，这和现代工业发展的要求格格不入。在科技发展飞速的今天，对“阀门”进行有效的改造使其更加智能化、且易于操作者对其进行控制，这对实际生产领域有着非凡的意义。基于这些，实现阀门定位器的数字化和智能化是整个阀门系统实现智能化的关键，并且基于此从而可以实现各种现场总线的网络通信功能，使阀门成为真正的智能化网络设备的一部分。随着电子技术的发展和进步，智能阀门定位器已经将基于模拟和数字电子技术的产品淘汰，出现了新型产品智能阀门，产品作用也由最初的辅助有关人员工作，到现在代替操作员自动化操作。新型智能阀门不仅弥补了传统阀门的缺陷，而且还改善了控制精度，并且节省了人力物力，可以大量对其进行开发和推广。随着单片机技术的成熟，为智能阀门定位器的开发提供了坚强的物质基础，使阀门在一定程度上实现了自动化，且也为各智能阀门组成局域网络提供了物质基础，基于单片机，我们可以将专家解决问题的方法和思维方式以编程序的形式加入到单片机系统里，从而使阀门的智能化进一步的提高。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文21.1.2 发展状况自从阀门问世以来，基于阀门气动装置本身的缺点国外很多公司都在进行新产品和新技术的研发。时至今日，随着单片机技术、通讯技术和网络技术等的发展和技术的成熟，已经取得了一些成果。目前已基本将基于力平衡原理的完全气动的定位器和电气阀门定位器淘汰，智能阀门定位器这个新型定位器随之抢占了市场。这些新型的阀门定位器表现出操作方便、质量卓越、外形美观的优点。随着产品的更新和普及，在美国就有二十多个从事专门或相关的气动执行器研究所，如 Rockwell 公司具有非常完善的设备和测试基地，对产品可以进行多方面性能参数的测定。由于高新技术的迅猛发展、大量人力物力的投入和关键元器件技术难关的突破，智能化阀门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。国外对这方面产品有特别研究的德国 SIMENS 公司、英国的 ROTORK 公司、瑞典 ABB 公司等几家生产智能阀门定位器的公司生产的产品功能强大，技术先进，具有一体化的结构、便捷的通讯功能、用于计算机控制、可以智能诊断，代表着此领域的世界领先水平。智能阀门定位器的发展给工业自动化产业带来了新的局面，代表了气动阀门未来的发展趋势。而我们国内才开始着手研究，在国外各大公司竞先抢占市场的同时，我们得尽早投入研究，开发出拥有自主产权的智能化产品，使其规模生产。本课题在理解国内外同类产品的基础上，对阀门定位器的硬件组成、软件设计和控制系统进行了进一步的研究和探索。1.2 设计的研究内容和技术关键1.2.1 阀门定位器的原理阀门定位器是调节阀的主要附件之一，它与调节阀配套使用，接受来自调节器的输出信号，然后阀门定位器经过一些控制算法得到一个输出信号去控制调节阀，当执行器开始工作后，反馈机构使阀门的位移信号反馈到定位器中，阀门定位器和执行机构就构成了一个闭环回路 2。一个阀门定位器，不管是气动还是电动的，都是由以下三部分组成：（1）输入机构：输入部分检测从前向通道引入的信号并将其送到比较装置。（2）比较机构：比较机构比较设定信号和阀位反馈信号，如果检测到这两个信号之间有不同，就通过算法得到控制信号驱动阀门直至阀门反馈信号与设定信号一致。（3）反馈机构：反馈装置检测阀门位置的变化，并把反馈信号传递到前向通道。1.2.2 研究内容本论文的研究中，主要的研究内容为以下几方面：（1）深入了解传统控制器的结构和工作原理，并分析其不足。并了解气动阀门控制器的特点；西北工业大学明德学院本科毕业设计论文3（2）查阅相关数据，对智能阀门定位器的系统进行总体设计，然后对系统中的芯片进行选材；（3）在系统设计中应用单片机和 I/V 转换；（4）对单片机输出的 TTL 电平信号进行 RS-485 标准转换，使单片机控制系统能与上位机进行串口通讯；（5）对系统的后向信道、键盘、显示电路、看门狗电路以及复位电路、报警等电路进行设计、制作；（6）将模糊自适应 PID 控制技术应用到系统中，使人们可以根据相应的经验知识做出相应的决策；（7）对整个电路进行程序的编写，以实现控制系统的各种功能和实现控制系统的控制策略。1.2.3 设计的关键技术设计中可能遇到的问题如下：（1）由于系统对控制精度要求很高在全行程的 0.5%。另外现场有电磁和噪声的干扰以及要求系统的尺寸在满足系统功能的情况下尽可能的小且造价少。（2）进入调节阀气室的气压随环境温度和供气压力的变化而变化，被控过程难以建立准确的数学模型。现场有电磁、噪声和电路板的干扰。解决的方法：采用模糊自整定 PID 控制技术可以得到很好的控制效果、电源进线端接电解电容和集成芯片配置瓷片电容可以减少干扰且挑选性价比高的芯片。1.3 预期成果本论文的研究中，主要完成以下几方面工作：（1）控制精度要很高，智能阀门定位器以微处理器为核心，设定信号与实际阀位的比较是数字比较，不易受影响，提高了精度和可靠性；（2）调整方便，适用范围广，满足各类阀的要求；（3）现场阀位和设定阀门的显示以及故障报警；（4）遥控功能的实现；（5）通讯功能：可以将单片机所采集的数据经处理后传送到上位机，使工作人员随时监控现场调节阀的工作情况；（6）能耗低：定位器空气泄漏小，在执行器处于稳定状态时，将气源切断，能耗低；（7）故障报警和现场阀位的显示。1.4 本文的主要内容本文共包括七章：西北工业大学明德学院本科毕业设计论文4第一章：绪论。阐述阀门定位器的原理、发展以及现状，在此基础上提出要研究的内容和关键技术，总结要做的工作。第二章：总体方案的设计。介绍了本设计的软、硬件构成及整体设计方案，并在此基础上提出了降低系统功耗的措施，使系统工作的绿色环保。 第三章：系统硬件设计。硬件设计主要围绕微处理器即单片机的选型、I/V 转换、显示电路、接口电路、键盘、遥控器等技术难题作了一定的研究工作，提出了相应的解决方案。第四章：系统软件设计。系统软件采用模块化设计，介绍了主程序、控制程序、通讯程序等。第五章：控制策略。模糊自适应 PID 的阐述，详细介绍了本系统的控制策略。第六章：工作总结。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文5第二章 系统的总体设计2.1 系统的总体方案设计思路本系统就是以气动智能阀门定位器系统的单片机为工作的核心，对气动阀门的开度进行控制。其中，阀门定位器中的单片机接收操作人员通过键盘所设定的信号与反馈回来的阀位实际信号并通过计算出这两个值的差值，再经过控制算法对这个差值的计算会得出一个控制信号值，最后控制信号的值通过输出驱动阀门动作，同时，阀门定位器还可以完成将各类信号液晶显示，故障报警，串口通讯等功能，从而达到预想的控制效果。另外，也可以通过红外遥控进行信号量的无线传输或设定，提高系统的智能化 3。总体方案设计图如图 2-1 所示。键盘 、 显示等智能控制器 执行器P C 控制中心R S 4 8 5实际反馈图 2-1 总体设计方案图在此基础上，对系统的具体设计中应该考虑如下几个方面使得智能阀门定位器能达到预期的控制效果。（1）接收设定值信号， 进行 I/V 转换，经过运算处理，存入寄存器；（2）接收传感器反馈回来的阀门实际开度量，进行 AD 转换，并处理为相应数字量，存入寄存器；（3）将阀门实际开度信号与设定信号送到液晶模块进行显示；（4）将阀门实际开度信号与设定开度信号进行比较处理后输出并驱动控制信号；（5）在阀门工作时，进行故障诊断，一旦发现异常就立刻进行报警并及时处理故障；（6）智能控制算法的应用；（7）阀门定位器与上位机通过 RS485 进行串口通讯；（8）利用键盘对设定值进行更改。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文62.2 硬件结构设计如图 2-2 所示的阀门控制器原理图，是以单片机为核心的阀门控制系统。电位计单片机键盘 / 显示固态继电器 2I / V 转换报警电路M A X 4 8 5固态继电器 2阀位反馈杆被控介质调节阀（ 执行部分 ）膜头调节阀（ 调节部分 ）压电阀 A 压电阀 B进气 排气气源控制信号阀位反馈信号红外遥控到 P C图 2-2 阀门控制器原理图其中控制器和执行器构成一个反馈回路，标准 RS485 接口转换芯片 MAX485 连接单片机到 PC 机的通信，另外键盘、显示电路、压电阀控制电路等一起组成了基本系统。其中，设定的 420mA 电流信号经 I/V 转换后，在单片机中设定信号经 A/D 转换后进行阀门的开度换算后变为相对的设定开度信号值。与此同时，由于控制算法后的输出作用使阀芯动作同时也带动阀位的反馈杆动作，阀位反馈杆会经过一些机械装置带动电位计动作，通过电位计动作就把阀门的开度情况输出得到相应的电压信号，并进入微处理器后进行 A/D 转换。阀位传感器位置反馈信号与给定信号值的差值在单片机中进行比较并通过算法处理，如果微处理器得到一个偏差信号，就输出一个相应的控制信号，如果实际开度信号与设定值的偏差在允许范围之内或偏差为 0，则认为阀门控制系统处于稳定状态，即阀门开度在所要求的位置上，单片机不再输出控制信号给执西北工业大学明德学院本科毕业设计论文7行机构，使两压电阀均处于切断状态 6。如果偏差很大，则输出连续信号给压电阀，使压缩气体连续地进入执行机构气室，使阀芯快速动作；如果偏差不是很大，则根据其大小程度，输出不同宽度的脉冲序列给压电阀，使压缩气体间断性的进入执行机构气室，使阀芯缓慢动作。2.3 软件结构设计软件采用模块化设计、自上而下的结构，采用当下最为流行的高级语言 C 语言来编写。其主要分为主程序、监控程序、功能程序这三大块。其功能分别如下：（1）主程序：单片机上电后，启动看门狗、对各个器件进行初始化、开启各中断，随时等待响应中断并进入中断服务程序里，等中断完成后又返回到主程序，主程序继续执行其功能程序和监控程序，如此循环下去。（2）监控程序：主要负责故障诊断和报警。（3）功能程序：完成键盘功能、显示功能、算法实现等各个具体的功能要求。图 2-3 主程序流程框图开中断是否有中断显示模块数据处理控制决策NYNY清时间寄存器初始化时间有 1 s ？上电中断服务程序结束西北工业大学明德学院本科毕业设计论文8第三章 系统硬件设计本设计硬件的主要目的是为控制系统提供实施其信号的载体，因此，控制电路的实现和选择最合适的芯片是本技术项目实现的关键。其整个系统的结构如图 3-1 所示，各部分的具体设计电路见以下各章节介绍。图 3-1 系统结构原理图3.1 单片机的选择及功能介绍3.1.1 单片机的选择随着电子信息技术的发展，单片机的功能也日趋完美，现在市场上的单片机种类非常多，主要分为 AT89 系列单片机、MSP430 系列单片机、PIC 系列单片机、AVR 系列单片机等。以下通过对各单片机的特点的介绍来选择合适的单片机。（1）AT89 系列单片机的特点：AT89 系列单片机是 ATEML 公司的 8 位 Flash 单片机。AT89 系列的引脚的定义和排列与 MCS-51 完全一样，可以直接替换。AT89 系列单片的C P UA T M e g a 1 6液晶显示模块（ 1 6 0 2 ）四位独立式键盘R S 4 8 5 通讯P W M 输出接口电路报警电路4 2 0 m A 信号前端处理电路电源模块西北工业大学明德学院本科毕业设计论文9核心是 8031，在软件和硬件方面与 MCS-51 系列完全兼容，AT89 系列的指令与有关定义和 MCS-51 完全相同，MCS-51 系列单片机应用系统编写的程序可以直接使用。其缺点就是功能不是很多，并且可扩充性差。（2）MSP430 系列单片机的特点：MSP430 系列单片机是 TI 公司推出的功耗极低的产品，待机电流仅为 1.5A/MHz，工作电流也小于 350A/MHz（3V 工作电压)，有五种节能工作模式，正常工作温度在-40 - +80 。CPU 由 16 个寄存器、16 位的 ALU 和一套指令控制逻辑组成。CPU 内部有 16 位的数据和地址总线。MSP430 单片机的外围模块包括定时器、基本定时器、I/O 端口、AD 转换器、串行通讯口以及液晶显示驱动模块。MSP430 的 ROM、RAM 和外围模块，都用一个公共空间进行寻址，特殊寄存器及外围模块的地址在 0000H-1FFFH，ROM 的容量在 1-60KB，RAM 、R0M 共享2000H-FFFFH 地址。对于 Flash 型的单片机，内部还集成有两段 128B 的信息内存以及 1KB存放自举程序。（3）PIC 系列单片机的特点：PIC 系列单片机是美国 Microchip 公司生产的低功耗、低价格、小体积、片内带 EEPR0M 的 CM0S 单片机。它的指令速度比同类单片机的提高五倍左右，程序内存可节约一半。具有容易学也容易用的精简指令集(RISC)结构和一次性的编程技术(0TP 型)，可大大缩短开发周期。（4）AVR 系列单片机的特点：AVR 系列单片机是 ATMEL 公司的产品，该系列单片机吸收了 PIC 系列单片机与 MCS-51 系列单片机的优点而开发的单片机，充分发挥了Flash 内存的特长，是性价比极高的单片机 4。AVR 单片机是应用低功耗、非挥发式的CMOS 工艺制造的，通过 SPI 口和一般的编程器，就可以对 AVR 单片机的 Flash 内存进行编程。由于 AVR 单片机是采用哈佛结构，所以程序内存和数据存储器是分开的，并且可以直接访问 8M 字节的程序内存和 8M 字节的数据存储器，能够快速访问SRAM 内存。并且 AVR 单片机是精简指令 RISC 结构,这种结构综合了半导体集成技术和软件性能的新结构。单片机使用高级语言编程,已经成了一种标准编程方法，而AVR 结构单片机的开发目的就是在于能够采用 C 语言编程，从而能高效地开发出目标产品。为了对目标代码大小、性能及功耗的优化，AVR 单片机采用了大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令。在 AVR 单片机中，使用通用工作寄存器来代替累加器，就避免了累加器和内存之间的数据传送。在其指令中，前一条指令执行的时候，就取出现行的指令，然后以一个时钟周期执行指令，AVR 单片机执行一条指令的时间是一个时钟周期。通过以上的介绍和比较，以及对本设计的系统的实际需求，本文选择了一款性价比最高的单片机 AVR 系列的 ATmega16。3.1.2 ATmega16 的管脚说明ATmega16 的引脚图如下图 3-2 所示：其每个引脚的含义如下 2。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文10PB0(XCK/T)12INA3O4S5M678RE9VGDLFU图 3-2 ATmega16 的引脚图VCC：供电电压。GND：接地。PA 口：PA 口为一个 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，埠 A 处于高阻状态 5。PB 口：PB 口的作用和 PA 口是一样的，都是作为 I/O 口来使用。PC 口：PC 口的作用和 PA、PB 口一样。不同的是如果 JTAG 接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、PC3(TMS) 与 PC2(TCK)的上拉电阻被启动。PD 口：PD 口的作用和 PA、PB 口一样，作为一个 8 为双向的 I/O 口来使用。RST：复位输入。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。AVCC：AVCC 是埠 A 与 A/D 转换器的电源。不使用 ADC 时，该引脚应直接与Vcc 连接。使用 ADC 时应通过一个低通滤波器与 Vcc 连接。AREF：A/D 的模拟基准输入引脚。3.1.3 ATmega16 的主要特征ATmega16 是一款具有 16KB 系统内可编程 Flash 的 8 位 AVR 微控制器，其主要特征如下 6：（1）高性能、低功耗的 8 位 AVR 微处理器；（2）先进的 RISC 结构；（3）非易失性程序和数据存储器；西北工业大学明德学院本科毕业设计论文11（4）JTAG 接口且与 IEEE1149.1 标准兼容；（5）两个具有独立预分频器和比较功能的 8 位定时器/计数器；（6）具有独立振荡器的实时计数器 RTC；（7）四通道 PWM；（8）8 路 10 位 ADC；（9）片内/片外中断源；（10）两个可编程的串行 USART；（11）上电复位以及可编程的掉电检测；（12）片内经过标定的 RC 振荡器。3.2 电源电路的设计电源主要给电路和一些元器件提供电压驱动，是整体控制电路的一部分，是非常重要和关键的。如果电源电路设计的不够合理将会产生非常严重的后果，轻则电路不能正常运行，重则会使电路或元器件烧毁。所以，在设计电源电路的时候，不仅要考虑所需要的电压，还要考虑电压的稳定性等。根据控制电路的实际需要，ATmega16 需要 5V 电压供电，而有的外设需要 12V 电压供电，要对输入电源电压进行变压处理，所以本文采用芯片 LM317，将电压通过电压转换变为+12V 和+5V 电压输出，分别给外设和其他元件提供电压。与此同时，需要考虑电路的稳定性和通用性等，在原电路的基础上，加入 R3 做调节输出电压的作用，D1、D2 起保护电路作用，电容起稳压隔离作用，具体电路图如图 3-3 所示。+VinGNDU3E20KR1CJF图 3-3 电源电路原理图3.3 前向通道的设计在以单片机为核心组成的测控系统中，被测信号需要有输入信道进入单片机中，使得单片机获取其需要的输入信息。作为测控系统，获取被测对象的准确原始信号是系统的核心任务 6。ATmega16 单片机内部集成了 A/D 转换电路，所以，前向通道的主要任务就是要将 4-20mA 的电流设定信号转换为单片机可以接收的电压信号。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文123.3.1 I/V 转换电路本控制系统前向信道中要进入单片机的一路输入信号就是操作者设定的 4-20mA的电流信号。而单片机只能识别电压信号，所以在接收设定的 4-20mA 的电流信号进入单片机之前首先进行 I/V 转换。最简单的电路转换其转换电路图如图 3-4 所示：单片机I / V 转换取样电路4 - 2 0 m A输入输入图 3-4 最简单的 I/V 转换电路原理图仅仅使用一只 I/V 转换取样电阻，就可以把输入电流转换成为信号电压，其取样电阻可以按照 V/I=R 求出， V 是单片机需要的信号电压， I 是输入的最大信号电流。这种电路虽然简单，但是却不实用，因为采集过来的电压都很小，而传输过程中有很多干扰，使得输入到单片机的时候信号已经不准确了。解决上面问题的简单方法是在单片机输入之前配置一个由运算放大器组成的电压跟随器，如图 3-5 所示。其采用的是廉价运放 LM258，当转换后的电压送过来时，对其进行稳压，而这一部分的电容也起到了保护隔离和滤波的作用，保护了单片机和信号的有效性。图 3-5 中的 R 是电流取样电阻，因为单片机内部集成了 A/D 转换，并且其基准电压为 2.56V，也就意味转换后的最大电压为 2.56V，根据这个要求取R=128，但是这样会产生一个问题，就是转换后的电压的范围就不是 0-2.56V 了，而是 0.512V-2.56V。对这个问题，在编写程序当中做了相应处理。 P13567EFCGNDJ与8LM图 3-5 I/V 转换电路原理图3.3.2 时钟电路的设计时钟电路通常采用的方式是在 XTAL1，XTAL2 引脚上外接定时组件即电容和晶体，使之组成并联谐振回路，利用芯片内部的振荡电路，产生自激振荡。振荡晶体可以在 1.2MHz12MHz 之间选择，不同的值就对应不同的时钟频率。电容值对振荡频率输出的值略有影响，C2，C3 可在 20pF100pF 之间取值。本电路中，振荡晶体选择8MHz， C2 和 C3 选择 30pF。具体电路图如图 3-6 所示。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文13VCGNDRXTP2345601M与Y8图 3-6 时钟电路原理图3.3.3 复位电路的设计复位电路的实现就是当按键按下时会在复位引脚上出现 l0ms 以上的 0。本单片机控制系统的复位电路如图 3-7 所示。 KES.7F图 3-7 复位电路3.4 后向通道的设计3.4.1 输出电路的设计在以单片机为核心的本测控系统中，后向通道的输出量是通过单片机的 I/O 口输出的，而这些 I/O 口根本直接驱动不起来气动阀，所以本系统采用固态继电器去驱动气动阀。智能阀门定位器的最主要功能就是对阀门运行进行精确控制，所以，本文采用 PWM 波的输出方式来控制它的精确度，其按照 PWM 波的占空比来决定气动阀门开度的大小。而 PWM 波的占空比的具体比值是根据控制算法经过精确计算得出的，其输出是通过软件实现的，这一部分将在后