基于MCS8051单片机智能阀门控制器-.doc

华中科技大学机械科学与工程学院 “智能仪器”课程项目设计报告基于MCS-8051单片机的智能阀门控制器姓名： U201010895 专业/班级：测控技术与仪器1004班 指导老师姓名： 2014年 1月目录一、概述4二、工作原理41.就地方式42.远程方式43.自动方式4三、操作说明41.操作面板说明42.接线43.就地方式54.远程方式55.自动方式6四、 阀门控制器的结构6五、外围扩展器件简介及连接75.1 TLC0832A/D转换器75. 2 MAX813L看门狗电路85.3节点信号的输入电路95. 4指示灯驱动电路105. 5电动机正反转驱动电路11 5. 6电源电路12六、阀门控制器的电路原理图13结束语17参考文献18一、概述 在工业自动控制系统中，执行器和传感器一样是不可或缺的设备。执行器依其驱动介质的不同分成三类：电动执行器、气动执行器和液动执行器。而电动执行器的输入信号有连续信号和断续信号两种：连续信号是指DC0 10mA和DC4 20mA两种范围的电流信号，断续信号是指开关信号。阀门电动装置属于输入断续信号的电动执行器。而KD-1型阀门控制器是与阀门电动装置配套使用的产品，可用来控制电动阀门的开启和关闭。二、工作原理 控制阀门电动装置的方案有多种，可用传统的继电器一接触器控制电路，可用可编程序控制器(PLC)，也可用单片机应用系统。KD-1型阀门控制器采用单片机应用系统，KD-1型阀门控制器有三种工作方式:就地、远程和自动。 1.就地方式 可根据仪表面板上的“开”、“关”、“停”按钮，指挥阀门启闭。根据用户由面板键入的命令，指挥阀门电动装置“开”、“关”、“停”，并在开足、关足、故障三队信号之一到来时，立即使阀门停止，给出亮灯指示。 2.远程方式远程方式又分两种情形:远程通信通过通信接口指挥阀门启闭。远程控制通过远控开关指挥阀门启闭。 3.自动方式 先由仪表面板上的电位器给定阀门开度，然后仪表指挥阀门开到给定的大小。三、操作说明 1.操作面板说明 KD-1型阀门控制器的前面板示意图和背面板接线图如图所示。在前面板示意图中，第二排为表示阀门开度的光柱，远程就地选择开关和电碌开关；第三排为开足、故降、关足指示灯；第四排为开、停、关按钮;；后一排依次为说零电位器、熔丝管、设定电位器(设定阀门开度)和设定通信彼特率和阀门控制器地址的拨码开关。 2.接线KD-1型阀门控制器使用前，要先按背面接线图接线。如图所示，将配套阀门电动装置的开足、关足、故障三对信号分别与2座的14与13、12与11、10与9的端子连接。RS-485通信线A、B与9芯插座中的A, B相连，三相供电电源与I座的4, 5, 6,7号端子（A、B、C、N)连接。1座的11、10、9(U、V、W）号端子与阀门电动装置的三相连接。图1 阀门控制器的前面板示意图 3.就地方式 (1)将就地/远程开关，指向就地。按下电源开关，电源指示灯亮。 (2)用手轮将阀门开启至50%开度处，按下“开”或“关”按钮，检查阀门的旋向与所按的按钮是否一致，如不一致立即按“停”按钮，切断三相电源，调换三相电源中的任意两相。 (3)按下“开”按钮，当阀门全开到位时，电动机停止转动，前面板上的“开足”指示灯亮，阀门开度显示100%处;按下“关”按钮，当阀门全关到位时，电动机停止转动，前面板上的“关足”指示灯亮，阀门开度显示0%处;当阀门在“开”或“关”向需停止时，按“停”按钮，阀门停止，阀门开度指示到0一100之间。B座的10号和9号端子为故障信号接线端子，把它们短接，前面板上的“故障”灯亮。 (4)调阀门开度的零点及满度:调节面板上的调零电位器，使阀门全关时阀门开度显示0%处，阀门全开时阀门开度显示100%处。 4.远程方式 远程方式分两种:远程通信和远程控制。两种方式只能任选一种。 (1)远程通信： 1)将就地/远程开关指向远程。 2)选择地址，用前面板下方的地址拨码开关选地址，二进制为000001B一1111111B，十进制是01 127，“ON”一侧为0，另一侧为1。 3)选择波特率，用前面板下方的波特率拨码开关选波特率：00为1200, 01为2400, 10为4800 , 1 l为96006it/s, “ON”一侧为0，另一侧为1。 4)按下电源开关，电源指示灯亮。此时，而板上的“开”、“关”和“停”按钮已不再起作用，开关阀与否全靠上位机控制。 5)上位机控制又分两种方式:专用软件控制和组态王控制。不论用哪种方式，均可将阀门控制器的数据传到上位机并显示出来，上位机也可命令阀门控制器开、关和停。 (2)远程控制: 1)按背面板接线图接线，将配套阀门电动装置的远开、远关、远停三对信号分别与n座的1与2, 3与4, 5与6号端子连接。 2)将就地/远程开关指向远程。 3)按下电源开关，电源指示灯亮。此时，面板上的“开”、“关”和“停”按钮已不再起柞用，开关阀与否全靠远程信号控制。 5.自动方式 (1)将就地/自动开关指向自动(此开关不在前面板上)。将前面板下方的设定电位器放至中间位置，按下电源开关，电源指示灯亮。 （2）此时，阀门将开启至大约50%开度处，再旋转设定电位器，通过调节，阀门将停到所需的位置。四、 阀门控制器的结构 阀门控制器框图如图5-2所示。由图可见，整个系统由单片机及其外围电路组成。 电动机正反转驱动电路：电动机的正传对应于阀门的开启；电动机的反传对应于阀门的关闭；单片机的P3.4、P3.5分别控制电动机正反转。拨码开关及按钮输人电路：PC和阀门控制器通信时，阀门控制器的地址与波特率均可设定。用两个拨码开关来设定：一个8位拨码开关用来选地址；另一个2位拨码开关用来选波特率。阀门控制器 图2 阀门控制器框图的前面板上有开、停、关三个按钮，按钮输入电路就是指这三个按钮。 拨码开关及按钮输入电路因距单片机近，都不用光电隔离。 节点信号输人电路：所谓节点信号就是通断信号，共有三个节点信号，它们就是配套阀门电动装置输出的开足、关足和故障信号，均属于远传节点信号。 指示灯驱动电路：阀门控制器的前面板上有三个指示灯，分别是开足、故障、关足指示灯。用光耦合器隔离，由晶体管9013和继电器驱动。 A/D转换器使用TLC0832芯片，TLC0832是2通道、串行8位A/D转换器。这里用这两个通道来采样设定阀门开度值的电位器和指示阀门开度值的电位器大小。 看门狗电路使用MAX813L，这是一种单纯看门狗电路芯片。如果在1.6s内没有接到喂狗指令，则MAX813 L的输出脚即输出一个低电平信号，使单片机复位。 RS-485通信口用MAX485芯片。上位机(如PC或工控机)和阀门控制器的通信，靠RS-485通信口，两者为主从关系。上位机为主机，阀门控制器为从机。 电源电路为阀门控制器提供两组电源:一组为+5V，另一组为+12V。前者供单片机用，后者供指示灯等外围器件包括光电隔离器件用。五、外围扩展器件简介及连接5.1 TLC0832A/D转换器5.1.1 TLC0832 8位串行控制A/D转换器简介 TLC0832为8位、双通道、串行控制A/D转换器，可用软件配置为单端输入或查分输入。其特点为: (1) 8位分辨率； (2)易于和微处理器接口或独立使用； (3)满比例尺工作或用5V基准电压； (4)单通道或多路器选择的双通道，可单端或差分输人选择； (5)单5V供电，输人范围为0一5V； (6)输人和输出与TTL和CMOS兼容； 图3 TLC0832的引脚排列(7)在Fclock = 250kHz时，转换时间为32us。 TLC0832的引脚排列如图3所示。 图中，CHO, CH1为模拟输人端；CS为片选端；DI为串行数据输入端；DO为串行数据输出端；CLK为串行时钟输人端；Vcc/REF为正电源电压端或参考电压输入端；GND为电源地。5.1.2 TLC0832与单片机的连接 TLC0832与单片机的连接如图所示，DO、CLK和CS依次和单片机的P1.4、P1.5、P1.6连接，其中DO和DI是连在一起的。CHO和CH1接两路模拟输人信号。 图4 TLC0832与单片机的连接5. 2 MAX813L看门狗电路5. 2. 1 MAX813L带看门狗和电源监控功能的复位芯片简介 MAX813L是一组CMOS监控电路，能够监控电源电压、电池故障和微处理器(MPU或MP)或微控制器(MCU或MC)的工作状态。 MAX813L的引脚排列如图5 -5所示。引脚功能如下:MR为手动复位输人端，低电平有效；Vcc、 GND分别为电源端和地端；PFI为电源故障输人端；PFO为电源故障输出端；WDI为看门狗输人端；RESET为复位输出端;；WDO为看门狗输出端。 MAX813L芯片具有以F主要性能特点: (1)复位输出。系统上电、掉电以及供电电压降低时，7脚产生复位输出，复位脉冲宽度的典型值为200ms ，高电平有效。复位门限的典型值为4. 65 V。 (2)看门狗电路输出。如果在1. 6s内没有触发该电路(即6脚无脉冲输人)，则8脚翰出一个低电平信号。 (3)手动复位输入，低电平有效，即1脚输入一个低电平，则7脚产生复位输出。 （4）1.25V时，5脚输出一个低电平信号。 图5 MAX813L引脚排列 5. 2. 2 MAX813I.与单片机的连接 MAX813L的典型应用电路如图5 -6所示，图中，单片机以MCS-8051为例，MAX813 L的1脚与8脚相连。7脚接单片机的复位脚；6脚(WDI)与单片机的P3. 7相连。在软件设计中，P3. 7不断输出脉冲信号，如果因某种原因单片机进人死循环，则P3. 7无脉冲输出。于是1. 6s后在MAX813L的8脚输出低电平，该低电平加到1脚，使MAX813 L产生复位输出，使单片机有效复位，摆脱死循环的困境。另外，当电源电压低于4. 65 V限值时，MAX813L也产生复位输出，使单片机处于复位状态，不执行任何指令，直至电源电压恢复正常，可有效防止因电源电压较低进而单片机产生错误的动作。 图6 MAX813L的典型应用电路原理5.3节点信号的输入电路 节点信号输人电路原理如图所示。所谓节点信号就是通断信号，本仪器共有三个节点信号S11, S12和S13，它们就是配套阀门电动装置输出的开足、关足和故障信号。因为这是一种远传节点信号，极易引入干扰。这里采用光隔离技术，使用TPL521光藕合器。 光耦合器的隔离作用主要有两种：一为信号隔离，用于单片机应用系统的前向通道，可防止由输入信号引人的干扰；二为驱动隔离，用于系统的后向通道，可防止由输出通道引人的干扰。 光耦合器也有多种，有普通的光耦合器，有高速的光耦合器;有输出端基极带引出线的光祸合器，也有输出端基极不带引出线的光藕合器。具有驱动功能的光祸合器，又可分成两种，具有达林顿管输出的和晶闸管输出的，前者用于驱动低频负载或远距离的光电传输，后者用于交流大功率隔离驱动普通光耦合器如东芝公司的TLP521 , TLP621 , TLP509等；输出端基极带引出线的光祸合器如东芝公司的TLP503和夏普公司的PC503等;高速的光藕合器如东芝公司的TLP551和夏普公司的PC618等；达林顿管输出的光祸合器如东芝公司的TLP570和夏普公司的PC505 、PC715等；晶闸管输出的光耦合器如东芝公司的TLP510G和TLP541 G等。这里是应用系统的前向通道，属于信号隔离。发光二极管一侧用+12V电源，光敏器件一侧用单片机的+5V电源。光耦合器的输出加一74HC07以增加驱动能力。74HC07的三个输出分别与单片机的P2.4 、P2. 5、P2. 6相连。VL31、VL32和VL33均为发光二极管，二极管发光表明有效信号来了。 当节点信号有输入，相当于S11（S12、S13）开关闭合时，串有发光二极管的12V电压回路导通，发光二极管发光，光敏器件受光后导通，74 H C07的输人端低电位，则输出端也低电位，P2. 4脚为低电位。 节点信号无输入，相当于S11（S12、S13）开关断开，串有发光二极管的12V电压回路不通，发光二极管不发光，光敏器件不导通，74 HC07的输人端高电位，输出端也高电位，则P2. 4脚为高电位。 图7 节点信号输入电路原理5. 4指示灯驱动电路 智能阀门控制器的前面板上有三个指示灯，分别是开足、故障、关足指示灯。这里的隔离为驱动隔离，用于系统的后向通道，因后面有晶体管电路，也使用TPL521光祸合器。指示灯驱动电路原理如图5-8所示，单片机的Pl. 0接一TPI521光藕合器，发光二极管一侧用单片机的十SV电源，光敏器件一侧用+ 12V电源。光藕合器的输出与一9013晶体管的基极相连，晶体管的集电极与继电器的线圈相连，继电器的线圈上并接的二极管是续流二极管，其作用是抑制断开线圈时产生的反电动势干扰。继电器的常开触点串在指示灯回路里，指示灯供电电压为12V。 当需要指示灯点亮时，单片机的Pl. 0输出低电平，光耦合器的发光二极管导通，光敏器件的发射结导通，9013晶体管的基极高电位，9013晶体管导通，继电器的线圈上有电压，则继电器的常开触点闭合，指示灯点亮。单片机的P1.0输出高电平，指示灯熄灭。另外两路指示灯驱动电路与此完全相同，分别与一单片机的P1. 1和P1. 2相连。图8 指示灯驱动电路原理5. 5电动机正反转驱动电路电动机正反转驱动电路原理(弱电部分)如图5-9所示，单片机的P3. 4和P3. 5分别接各自的TPI521光藕合器，后面的电路与指示灯驱动电路相同。继电器的常开触电KA1和GUAN串在图5-10所示的电动机正反转驱动电路原理(强电部分)指示的回路里，供电电压为交流220V。继电器的常开触点KAI和GUAN的作用是挖制交流接触器的通断，从而达到控制电动机正反转的目的。图9 电动机正反转驱动电路原理 图10中.M为交流电动机，KR为热继电器，KM1、KM2为交流接触器，FU为熔丝，Q为刀开关。 当需要阀门打开，就是需要电动机正转时，程序给单片机的P3. 4送低电位，P3.5仍保持高电位，则与P3. 4相连的光藕合器的发光二极管导通，光敏器件的发射结导通，9013晶体管的基极高电位，9013晶体管导通，继电器的线圈上有电压，则继电器的常开触点闭合，也就是图5-10中的KAI闭合，交流接触器KM，线圈有电压，KM，闭合，电动机正转，阀门打开。 当需要阀门关闭，就是需要电动机反转时，程序给单片机的P3. 4送高电位，P3. 5送低电位，则图5-10中的KAI断开，GUAN闭合，电动机反转，阀门关闭。 当需要阀门停止，就是需要电动机不转时，程序给单片机的P3. 4、P3.5都送高电位，则图5-10中的KAI, GUAN均断开，电路不通，电动机不转，阀门也停止。 必须注意，程序不能给单片机的P3. 4 ,P3. 5同时送低电位。由电路图可知，主接触点的同时闭合，将会造成电源短路，因此任何时候，只能允许一个接触器通电工作，在用接触器控制电动机正反转电路中，这一点是通过互锁电路来保证的。互锁电路就是将正反转控制接触器的常闭触点分别串接在对方的工作线圈电路里，构成互相制约的关系。图10 电动机正反转驱动电路原理（强电部分）5. 6电源电路本仪器共需两组电源：一组为十5V,另组为+ 12V。前者供单片机用，后者供指示灯等外围器件包括光耦合器用，如图5-1 1所示。两组大致相同的电源电路，都是由电源变压器、桥式整流器件、滤波电容、78系列固定三端稳压块和干扰抑制器等组成。两组电路的不同主要有三点，变压器二次输出电压不同前者二次输出9V，后者二次输出18V；固定三端稳压块不同前者用LM7805，后者用LM7812；瞬态电压抑制器