畢業(yè)設(shè)計(jì)_閥流量的智能控制2

1、閥流量的智能控制1 緒論1.1流量控制閥的發(fā)展歷史與我國現(xiàn)狀我國的流量控制閥生產(chǎn)行業(yè)起步較晚，國70年代自行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的直通單座閥、直通雙座閥、三通流量控制閥、高壓流量控制閥、蝶閥、長行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門定位器等傳統(tǒng)產(chǎn)品直至90年代仍在生產(chǎn)和使用。我國流量控制閥的飛躍是從80年代開始，流量控制閥在系列化、標(biāo)準(zhǔn)化等方面得到了進(jìn)一步完善，縮小了與國外產(chǎn)品的差距，成為目前國執(zhí)行器行業(yè)流量控制閥的主流產(chǎn)品。其技術(shù)水平為國際80年代末或90年代初的水平，依然落后于國際先進(jìn)水平，現(xiàn)在已不能滿足國與國際市場的需求。從技術(shù)上分析主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1.1.1性能直動(dòng)閥分為單座閥和籠式雙座閥，單座閥的密封性能

2、較好，可達(dá)ANSI標(biāo)準(zhǔn)級，但是由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，其允許壓差比較小，要滿足允許壓差，則其推力比較大，需要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(動(dòng)力源)較大。而籠式雙座閥則相反，由于其結(jié)構(gòu)上的原因，閥的密封性較差，一般為ANSI標(biāo)準(zhǔn)級，但由于壓力平衡的結(jié)構(gòu)，允許壓差較大，因此所配的執(zhí)行機(jī)構(gòu)較小。1.1.2結(jié)構(gòu)70年代以前，我國流量控制閥采用“統(tǒng)一設(shè)計(jì)產(chǎn)品”都是仿聯(lián)的閥門結(jié)構(gòu)型式，即四法蘭型式。這種型式的特點(diǎn)是采用上、下導(dǎo)向，由于導(dǎo)向堅(jiān)固，其抗振動(dòng)、耐壓差性能較好，缺點(diǎn)是由于有下法蘭，而增加了一個(gè)泄漏點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從70年代以來西歐、日本、美國相繼發(fā)展了三法蘭的型式。一個(gè)泄漏點(diǎn)，因此被廣泛采用，以至成為閥門的主流，當(dāng)今世界

3、各大公司的閥門，基本采用此種型式，但由于少了一個(gè)導(dǎo)向，使得閥門的抗振動(dòng)性能與允許壓差性能受到影響，因此，雙導(dǎo)向、四法蘭型式的閥門仍然存在，只是數(shù)量較少。1.1.3控制系統(tǒng)流量控制閥與控制系統(tǒng)接口是通過電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門定位器實(shí)現(xiàn)的，國流量控制閥生產(chǎn)企業(yè)，主要還是以先前引進(jìn)或仿制的電氣閥門定位器為主，雖然國的研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)，也在智能定位器和智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開發(fā)上下了很大功夫，產(chǎn)品也有推向市場，但目前智能型與總線定位器和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍然以進(jìn)口產(chǎn)品為主。1.1.4可靠性國流量控制閥產(chǎn)品不論在質(zhì)量還是外觀質(zhì)量，在可靠性方面考慮的比較少，外置式定位器和其他附件，可靠性差。在產(chǎn)品性能可靠性設(shè)計(jì)上更是少

4、有研究。1.1.5專有技術(shù)國外流量控制閥企業(yè)在特殊材料和特殊工藝手段上都有自己多年的積累，能夠滿足高溫、高壓差、抗；中刷、強(qiáng)耐磨、耐強(qiáng)腐蝕的極端工況條件，已形成他們專有技術(shù)，占據(jù)了高端市場。而我們在這方面投入的技術(shù)攻關(guān)和研究經(jīng)費(fèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，我們還處于拼價(jià)格的階段。1.2現(xiàn)代工業(yè)對流量控制閥的最新要求先進(jìn)的現(xiàn)代化工業(yè)是以生產(chǎn)自動(dòng)化為標(biāo)志的。人們已經(jīng)不再滿足于傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，開始用數(shù)字化、微機(jī)化等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行革新。智能儀表的研制和使用更為工業(yè)自動(dòng)化開創(chuàng)了美好的未來。另外，隨著現(xiàn)代化工業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，對工業(yè)品的要求也越來越高，圍也越來越廣。作為工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的手腳流量控制閥也將面臨新的課題有待創(chuàng)新

5、、提高。1.2.1 高質(zhì)量、高可靠性在過程控制中，流量控制閥直接控制流體，它的質(zhì)量好壞將會直接影響到整個(gè)系統(tǒng)，一旦發(fā)生故障，后果不堪設(shè)想。在石油天然氣工業(yè)中，從油田到煉油廠，各種生產(chǎn)裝置都大規(guī)模地集中監(jiān)測和控制，大部分操作條件都是在高溫或高壓中進(jìn)行，介質(zhì)都是易燃、易爆的油、氣，因此流量控制閥的質(zhì)量與可靠性被提到了首位。在化學(xué)工業(yè)中，過程的多樣性與工藝條件的變化，對溫度、壓力、流量、液位四大熱工變量的控制中，都有很多特殊問題要求流量控制閥能夠適應(yīng)。在電力工業(yè)中，發(fā)電廠要對鍋爐進(jìn)行控制，鍋爐調(diào)節(jié)系統(tǒng)中保持水位的正常非常關(guān)鍵，避免流量控制閥的誤開、誤關(guān)、失靈等故障的發(fā)生是何等的重要。1.2.2 保護(hù)

6、環(huán)境隨著工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境污染也日趨嚴(yán)重，人們的健康與生態(tài)環(huán)境面臨著極大的威脅，各個(gè)國家都在積極地制定相應(yīng)的法律、法規(guī)以減少環(huán)境污染，并保護(hù)公眾的健康和生態(tài)平衡，因此環(huán)保已成為企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)所要考慮的關(guān)鍵問題之一。流量控制閥對環(huán)境造成的危害主要表現(xiàn)為噪聲和因外泄漏導(dǎo)致大氣污染等，公眾和社會對此都有強(qiáng)烈的要求，而作為流量控制閥制造廠就必須作出響應(yīng)。1.2.3 節(jié)約能源經(jīng)濟(jì)的高速增長必然引起能源的極大損耗，然而地球的資源是有限的。原材料供不應(yīng)求，石油、煤、水資源的消耗和短缺已成為目前與今后相當(dāng)長的時(shí)期所面臨的問題。因此用于流體控制的閥門，在其設(shè)計(jì)、使用過程中要與節(jié)能問題相聯(lián)系。這就要求，我們的流量

7、控制閥不但要滿足惡劣工況調(diào)節(jié)需求，更要求閥門在關(guān)閉的情況下泄漏率要控制在最低，甚至是不漏的。1.2.4 適用于新領(lǐng)域隨著新技術(shù)、新工藝的突破，傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)過程也將向著更深、更新的領(lǐng)域發(fā)展，如超超臨界高溫、高壓差、低溫、強(qiáng)烈摩擦、氣蝕或固體顆粒沖刷磨損等，而與之相適應(yīng)的流量控制閥則等待我們?nèi)パ芯?、開發(fā)。1.3流量控制閥的發(fā)展方向1.3.1 模塊化設(shè)計(jì)(1)定位器與電磁閥與執(zhí)行機(jī)構(gòu)配套設(shè)計(jì)，采用無管路連接，使調(diào)節(jié)閥具有更高的抗振性、堅(jiān)固性與安裝的多樣性、靈活性，同時(shí)使得流量控制閥的安裝空間大大縮小，附件安裝簡捷、迅速，應(yīng)了現(xiàn)場對流量控制閥的極高要求；(2 )打破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，采用模塊化設(shè)計(jì)，使

8、得零件的通用性大大提高，產(chǎn)品更加多樣化，功能更完善，效率更高，節(jié)約了制造成本、維修成本與原材料，縮短了產(chǎn)品的交貨期。采用這種最新結(jié)構(gòu)模式可使流量控制閥的零件總數(shù)比傳統(tǒng)的流量控制閥減少25，成本降低20，可組配的流量控制閥品種規(guī)格卻增加了40，對制造廠而言，工裝模具的制造量少了近50，半成品庫和成品庫的存量可大大減少，使采用零庫存的管理模式成為可能。同樣的道理，對用戶而言，也可大大減少備件庫存量，例如：正反作用流量控制閥可很方便地更換。1.3.2 智能化設(shè)計(jì)流量控制閥不論是氣動(dòng)還是電動(dòng)，都可以智能化。流量控制閥通過閥門定位器和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更多的就地?cái)?shù)字控制和通信。隨著現(xiàn)場總線的開發(fā)與應(yīng)用，數(shù)

9、字式智能定位器與電機(jī)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)也早已問世，未來流量控制閥還要向著無線通信的數(shù)字式智能化的方向發(fā)展。1.3.3 高可靠性可靠性將作為第一設(shè)計(jì)要素，以使流量控制閥的早期故障率降得更低，并且將早期故障發(fā)生控制在裝配調(diào)試期，確保流量控制閥在工作期間的故障率趨于零，運(yùn)行更加可靠。1.3.4 符合最新的環(huán)保要求（1）防止大氣污染流量控制閥的泄漏可分為漏和外漏，漏主要在閥座，外漏主要在填料，因此解決流量控制閥的泄漏問題也要從這兩個(gè)方面人手。改變傳統(tǒng)的螺紋壓緊式結(jié)構(gòu)，采用新型可雙面使用的直壓式閥座結(jié)構(gòu)，這不僅便于維修、裝配、延長使用壽命，更重要的是提高了閥座的密封性能，防止介質(zhì)泄漏，同時(shí)保證密封元件不因過載而

10、破壞；采用新型填料密封箱設(shè)計(jì)：其一，采用特殊材料與特殊設(shè)計(jì)的型填料提高填料的密封性能；其二，增加微型密封圈與防塵圈防止密封元件的損壞，確保填料密封可靠；其三，改變填料函材質(zhì)，延長填料函的使用壽命。（2）防止噪聲在過程裝置中，產(chǎn)生噪聲的各種設(shè)備很多，其中流量控制閥是產(chǎn)生噪聲的主要設(shè)備之一，因此流量控制閥噪音的治理就顯得非常重要。當(dāng)前能降低噪聲的流量控制閥種類很多，諸如多孔套筒式低噪聲閥、多級套筒式低噪聲閥、迷宮式閥等，也只能降低1020dB，而在許多場合噪聲仍然超過環(huán)保的要求。因此開發(fā)出新型低噪音閥也是今后流量控制閥發(fā)展所要注重的一個(gè)方面。另外，因?yàn)楝F(xiàn)場超聲設(shè)備的使用，所以也有必要研究超聲噪聲對

11、流量控制閥的影響。1.3.5提高效益(1)提高的密封性能。流量控制閥的泄漏不僅造成環(huán)境污染，而且造成能源的損耗。另一方面，泄漏還會引起系統(tǒng)壓力的下降造成動(dòng)力損失。傳統(tǒng)的流量控制閥的泄漏等級一般單座閥為級，籠式雙座閥為級，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足使用要求，今后流量控制閥的泄漏等級將會提高到級甚至更高。(2)減少定位器的耗氣量。目前，大部分定位器由于它采用的是噴嘴擋板原理，耗氣量為連續(xù)排放，一般在3 0 0Lh ，而且直接排入大氣，浪費(fèi)了大量的壓縮空氣與能源。而另外一種全新的數(shù)字式智能定位器已經(jīng)誕生，它采用的不是噴嘴擋板原理，而是硅微流量控制閥原理。這種定位器的耗氣是間斷性的，只有在定位器動(dòng)作時(shí)才向外排氣，

12、其余時(shí)間排氣口處于關(guān)閉狀態(tài)。它的耗氣量非常小，只有20Lh。因此這種全新的數(shù)字式智能定位器必將受到客戶的青睞，占據(jù)市場的主導(dǎo)地位。(3)開發(fā)出具有噴氣裝置的多彈簧氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以保護(hù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)部不受環(huán)境腐蝕，這不僅可以延長執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用壽命，同時(shí)還可以雙倍利用輔助能源。其設(shè)計(jì)原理是將定位器所消耗的壓縮空氣直接排入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜室腔，防止具有腐蝕性的大氣吸入執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜腔，從而保護(hù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)部不被腐蝕。1.3.6 特殊材質(zhì)和特殊工藝處理手段要想在高端閥門市場有所作為，就必須要研究出專門用于閥門行業(yè)的特殊專用材質(zhì)，可能前期投入很高，但得到的回報(bào)也必然很高。國的市場，用戶用20的資金買了80的國產(chǎn)閥門，而用

13、80的資金買了20的進(jìn)口閥門，由此可見，我們在特殊材質(zhì)和特殊工藝處理手段上開展工作的必要性和緊迫性。展望未來，我們要面臨的問題會更多，社會將對提高生產(chǎn)力和改善工作條件提出更高的要求，環(huán)境保護(hù)與人類生活質(zhì)量提高的呼聲也將更高。要解決這些問題，就要對舊的過程控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，或者創(chuàng)造出更新更先進(jìn)的過程控制方法，而新的系統(tǒng)對流量控制閥的要求將會更高。1.4 研究容本設(shè)計(jì)主要完成主要集中在閥門流量的模塊化和智能化設(shè)計(jì)。主要完成以下幾方面的設(shè)計(jì)：流量控制球閥的設(shè)計(jì)和選用；壓差傳感器的壓力檢測；A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集；單片機(jī)的數(shù)字處理；單片機(jī)和計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)PWM信號的輸出；舵機(jī)的可控化轉(zhuǎn)角帶動(dòng)球閥實(shí)現(xiàn)開度的

14、控制；角位移傳感器實(shí)現(xiàn)閥體轉(zhuǎn)動(dòng)角度的反饋。2 閥流量的智能控制原理2.1 器件和原理閥門的流量為式中流量系數(shù);閥口的面積,mm2閥門前后的壓力差，MPa. 本設(shè)計(jì)的目的是為了得到一定的流量，即當(dāng)負(fù)載變化時(shí)流量保持不變。那么就要調(diào)節(jié)壓力和閥口面積，其中壓力我們可以用壓差傳感器測得，然后根據(jù)公式調(diào)整閥口面積既可，即調(diào)節(jié)閥柄轉(zhuǎn)角。其具體流為程單片機(jī)接收A/D轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換的壓差傳感器傳來的壓力信號，經(jīng)過計(jì)算，模擬出PWM信號，精確控制脈寬的變化，從而控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，帶動(dòng)球閥閥柄轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。其流程圖如圖2-1。圖2-1 流量閥智能控制流程圖本設(shè)計(jì)所需要的主要器件有舵機(jī)，89C51單片機(jī)，差壓傳感

15、器，角位移傳感器，A/D轉(zhuǎn)化器，鎖存器以與8253計(jì)數(shù)器。表2-1 主要器件和數(shù)量名稱FUTABA-S3003舵機(jī)89c51單片機(jī)通用差壓傳感器（CYX-28系列）Vert-X_13E_e角位移傳感器AD0809A/D轉(zhuǎn)化器8253計(jì)數(shù)器數(shù)量1111112.2 壓力與開度的數(shù)據(jù)處理壓力和開度的關(guān)系有實(shí)驗(yàn)推得。實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由電磁流量計(jì)、電動(dòng)球閥、標(biāo)準(zhǔn)容器、U形管差壓計(jì)、計(jì)時(shí)器、流量標(biāo)準(zhǔn)裝置組成。實(shí)驗(yàn)溫度t =18,閥門通徑D = 50×10-3 m , 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度v =1.0672×10 - 2 cm2/s ,管道壓力P =0.35MPa。其數(shù)據(jù)如表1-2、表1-3。

16、表2-250 mm閥門實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ( 開度由小到大)閥門開度k流量qv/m3·h-1壓差(閥前后)p/ kPa30%3.458.632.1869.91940%3.5517.6522.620.489.06615.06550%4.6318.6629.650.4273.528.55960%4.6318.5930.250.1071.122.98670%5.0917.7429.580.0530.5871.54580%5.117.7829.750.0270.320.85390%5.1518.129.860.0270.2130.48表2-350 mm閥門實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析( 開度由小到大)閥門開度k流量

17、qv/m3·h-1壓差(閥前后)p/ kPa30%5.10.02718.350.21340%30.850.565.090.02717.770.21350%300.5335.640.05318.290.26760%29.940.6935.640.05317.930.53370%30.31.5735.290.1618.251.38780%29.453.7065.260.34717.83.78690%29.810.5865.651.57317.8615.039由以上數(shù)據(jù)可得出：閥的開度由小到大調(diào)節(jié)時(shí), 在各開度點(diǎn),隨壓力從大到小變化時(shí), 各對應(yīng)的壓力值變化較大，說明這時(shí)閥的調(diào)節(jié)作用較明顯,

18、 對流量的控制能力較強(qiáng)；閥的開度由大到小調(diào)節(jié)時(shí),在各開度點(diǎn),隨壓力從小到大變化時(shí),各對應(yīng)的壓力值變化沒有開度由小到大調(diào)節(jié)時(shí)的變化大，說明這種閥開度的調(diào)節(jié)法,對流量的控制能力較弱；在開度k = 30 %60 %時(shí),壓力從大到小變化時(shí),各對應(yīng)的壓力值值變化較大,說明在這段中閥流量控制能力較強(qiáng)，而在開度k =70%90%時(shí),壓力變化不大,說明在這段中閥流量控制能力較弱。具體數(shù)據(jù)與其關(guān)系由另行論文得出，本文不對此部分研究。2.3 舵機(jī)的輸出特點(diǎn)2.3.1舵機(jī)的工作原理舵機(jī)可以再微機(jī)電系統(tǒng)和航模系統(tǒng)中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其簡單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)非常容易與之接口。單片機(jī)系統(tǒng)的舵機(jī)控制具備精確定

19、位和工作可靠地特點(diǎn)。舵機(jī)由一個(gè)小型的直流單機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)隨著極性的改變而變換旋轉(zhuǎn)方向。舵機(jī)的部電路如圖2-2所示。圖2-2 舵機(jī)部電路舵機(jī)的工作原理是：PWM信號由接收通道進(jìn)入信號解調(diào)電路BA66881的12腳進(jìn)行解調(diào)，獲得一個(gè)直流偏置電壓。該直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差由BA6688的3腳輸出。該輸出送人電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路BA6686，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器R旋轉(zhuǎn)，直到電壓差為O，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置。2.3.2 舵機(jī)的控制方法標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)有3條導(dǎo)線，分別是：電源線、地線、控制線，如圖2-3所

20、示。電源線和地線用于提供舵機(jī)部的直流電機(jī)和控制線路所需的能源。電壓通常介于46V，一般取5V。注意，給舵機(jī)供電電源應(yīng)能提供足夠的功率?？刂凭€的輸入是一個(gè)寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號，方波脈沖信號的周期為18 ms。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。舵機(jī)的極限轉(zhuǎn)角變化和舵機(jī)的靜止中立點(diǎn)所對應(yīng)的控制信號脈沖圖如圖2-4所示。圖2-3 舵機(jī)接線圖圖2-4 控制舵機(jī)的PWM信號在圖中，舵機(jī)處于3種極限位置時(shí)的脈寬信號如下。舵機(jī)靜止控制信號的周期T2=18.00（ms），脈寬T1=1.5(ms)舵機(jī)右極限位置控制信號的周期T2=18.00（ms），脈寬T3=

21、1.1(ms)舵機(jī)左極限位置控制信號的周期T2=18.00（ms），脈寬T4=1.9(ms)2.4 單片機(jī)系統(tǒng)中如何實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)轉(zhuǎn)角的控制可以使用FPGA、模擬電路、單片機(jī)來產(chǎn)生舵機(jī)的控制信號，但FPGA成本高且電路復(fù)雜。對于脈寬調(diào)制信號的脈寬變換，常用的一種方法是采用調(diào)制信號獲取有源濾波后的直流電壓，但是需要50Hz(周期是20ms)的信號，這對運(yùn)放器件的選擇有較高要求，從電路體積和功耗考慮也不易采用。5mV以上的控制電壓的變化就會引起舵機(jī)的抖動(dòng)，對于機(jī)載的測控系統(tǒng)而言，電源和其他器件的信號噪聲都遠(yuǎn)大于5mV，所以濾波電路的精度難以達(dá)到舵機(jī)的控制精度要求。   也可以用單片

22、機(jī)作為舵機(jī)的控制單元，使PWM信號的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級的變化，從而提高舵機(jī)的轉(zhuǎn)角精度。單片機(jī)完成控制算法，再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號輸出到舵機(jī)，由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號的變化完全依靠硬件計(jì)數(shù)，所以受外界干擾較小，整個(gè)系統(tǒng)工作可靠。   單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先完成兩個(gè)任務(wù)：首先是產(chǎn)生基本的PWM周期信號，本設(shè)計(jì)是產(chǎn)生18ms的周期信號；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機(jī)模擬PWM信號的輸出，并且調(diào)整占空比。   單片機(jī)模擬數(shù)字PWM信號的方法是脈沖計(jì)數(shù)，其原理是單片機(jī)指定計(jì)數(shù)器輸出脈寬信號的脈寬和周期，信號的脈寬反映了舵機(jī)的

23、轉(zhuǎn)角變化所對應(yīng)的控制指令。其功能由單片機(jī)和計(jì)數(shù)器共同完成，如圖2-5所示。圖2-5 數(shù)字信號的數(shù)字處理方法原理脈沖計(jì)數(shù)可以利用51單片機(jī)的部計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)，但是從軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和程序結(jié)構(gòu)的合理性看，宜使用外部的計(jì)數(shù)器，還可以提高CPU的工作效率。實(shí)驗(yàn)后從精度上考慮，對于FUTABA系列的接收機(jī)，當(dāng)采用1MHz的外部晶振時(shí)，其控制電壓幅值的變化為0.6mV，而且不會出現(xiàn)誤差積累，可以滿足控制舵機(jī)的要求。最后考慮數(shù)字系統(tǒng)的離散誤差，經(jīng)估算誤差的圍在±0.3%，所以采用單片機(jī)和8253、8254這樣的計(jì)數(shù)器芯片的PWM信號產(chǎn)生電路是可靠的。2.5單片機(jī)和計(jì)數(shù)器控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角如上文所述，單片

24、機(jī)本身對信號的處理過程并不復(fù)雜，完成測控模塊的關(guān)鍵在于使用合適的方法和合適的外圍芯片處理和輸出信號。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)的外部計(jì)數(shù)芯片8253作為專用的計(jì)數(shù)器，單片機(jī)通過對外部計(jì)數(shù)芯片的操作，完成PWM信號的輸出。在輸出控制指令時(shí)，由于使用了外部的計(jì)數(shù)器芯片，單片機(jī)只需要向8253芯片的寄存器中發(fā)送控制脈寬的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器能自動(dòng)的根據(jù)計(jì)數(shù)指調(diào)節(jié)電平的高低變化，從而模擬PWM信號輸出。單片機(jī)對8253芯片的操作過程如下：利用外部的晶振電路產(chǎn)生一定頻率的技術(shù)脈沖。將該頻率的計(jì)數(shù)脈沖作為外部計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，而將需要測量的脈寬信號作為外部芯片的門控信號，外部芯片在該門控周期對計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)脈沖的

25、頻率依靠外部的晶振頻率，當(dāng)然該晶振頻率可以進(jìn)行分頻。盡管外部晶振的頻率越高越有助于提高脈寬計(jì)數(shù)的精度，但是最終輸入到外部計(jì)數(shù)器的脈沖頻率最好不要超過10MHz。8253芯片的通道與控制字寄存器的狀態(tài)與8253端口地址的對應(yīng)關(guān)系如表2-4所示。表2-4 8253芯片的通道與控制字寄存器的狀態(tài)與8253端口地址的對應(yīng)關(guān)系A(chǔ)1A0寄存器000通道011通道102通道11控制端口2.6 C51程序控制PWM信號的脈寬單片機(jī)寫入8253的控制字和讀取8253寄存器中的計(jì)數(shù)值，都需要對8253的寄存器單元進(jìn)行操作。8253寄存器在單片機(jī)程序中的和單片機(jī)片外的存儲器一樣。單片機(jī)對8253的操作主要是通過以下

26、步驟完成的。寄存器地址的定義根據(jù)輸入/輸出的地址連接線，對8253的寄存器地址定義如下：/定義8253的寄存器地址/定義8253的控制字寄存器地址#define COMI XBYTE0x3100/定義8253的計(jì)數(shù)器0寄存器地址#define C0I XBYTE0x0100控制字的寫入8253計(jì)數(shù)器的工作方式由編程設(shè)定，將控制字寫入控制字寄存器，用以選擇每個(gè)計(jì)數(shù)器的工作方式，控制字的格式如表2-5所示。表2-5 控制字的格式D7D6D5D4D3D2D1D0SC1SC0RL1RL0M2M1MOBCD8253中寫入控制字代碼：/向8253中的控制字寄存器中選擇計(jì)數(shù)器0，并賦初值0COMI=0x30

27、;C0I=0;C0I=0;片外數(shù)據(jù)的讀取讀取8253計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)值時(shí)，和讀取片外存儲器中的單元容一樣。代碼如下：uchar lCOMI=0x30;l=C0I;3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)球閥的基本參數(shù)，公稱壓力（PN）=1.63MPa,公稱直徑（DN）=50mm,工作溫度為0-150，工作介質(zhì)為油品。球閥的整體結(jié)構(gòu)和重要零件圖。3.1 球閥裝配圖圖3-1球閥裝配圖3.2閥體圖3-2 閥體3.3 左閥體圖3-3左閥體3.4 右閥體圖3-4 右閥體3.5 閥柄圖3-5閥柄4 電路設(shè)計(jì)電路圖部分主要有單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)化器和8253計(jì)數(shù)器三部分組成。圖4-1 電路圖5 程序設(shè)計(jì)5.1 程序功能本設(shè)計(jì)的程序主要包

28、括三方面關(guān)鍵容，一是A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)的采集，而是數(shù)據(jù)的處理，三是PWM信號的模擬。其中PWM信號的模擬還包括8253寄存器的地址定義，控制字的寫入和數(shù)據(jù)讀取三方面容。5.2 A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集部分 此部分用到的器件是ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器和74LS373鎖存器，其功能是把壓差傳感器傳來的電壓信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號并存入數(shù)組ad中。5.3 數(shù)據(jù)處理部分工作原理在這一部分把A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其原理是把數(shù)組ad中的值代入公式，經(jīng)計(jì)算得出閥柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度，數(shù)學(xué)處理換算成計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。5.4 PWM信號模擬部分此部分所用的主要器件就是8253芯片。以下主要對程序中的函數(shù)和變量進(jìn)行說明。

29、5.4.18253的片選信號P2.2為單片機(jī)的片選信號，其輸出對應(yīng)的8253的片選地址如表5-1所示。表5-1 8253的片選地址P2.2片選地址器件00xX200H82535.4.2 8253的控制字的定義P2.5、P2.6為單片機(jī)的地址線，分別連接8253的A0、A1。8253的A0、A1是8253的寄存器地址。單片機(jī)通過對8253的片選地址A0、A1的選擇，確定對8253控制字的寫入對寄存器計(jì)數(shù)值的讀取，其寄存器地址如表5-2所示。表5-2 寄存器地址P2.5P2.6地址寄存器110x3100H控制字000x0100H計(jì)數(shù)器05.4.3 變量和函數(shù)的定義本程序中用到的變量與說明如表5-3

30、所示。表5-3 變量與說明變量說明COMI定義8253的控制字寄存器地址C0I定義8253的計(jì)數(shù)器0寄存器地址BUF810定義8253的計(jì)數(shù)器0寄存器數(shù)據(jù)Sendflag發(fā)送信號的標(biāo)志位5.5 程序流程圖Y有中斷YNN開始定義頭文件寄存器地址和全局變量A/D轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)采樣它的通道值初始化中斷和變量數(shù)據(jù)處理開外中斷和定時(shí)器中斷定時(shí)器賦初值8253計(jì)數(shù)器0=BUF810延時(shí)1秒檢測轉(zhuǎn)動(dòng)返回5.5 程序代碼/定義頭文件和寄存器地址，以與全局變量#include<absacc.h>#include<reg51.h>#include<stdio.h>#define

31、 uchar unsigned char#define uint unsigned int/定義通道和寄存器地址#define IN0 XBYTE0x7ff8 /設(shè)置AD0809的通道0地址#define COMI XBYTE0x3100 /定義8253的控制字寄存器地址#define C0I XBYTE0x0100 /定義8253的計(jì)數(shù)器0寄存器地址sbit ad_busy=P33; /即EOC狀態(tài)sbit P2_2=P22;sbit gata=P25;/sbit EXF2=T2CON6;uint I,sendflag;unsigned long BUF810;uint BUF810H,BU

32、F810L;static uchar ad10;unsigned long J,K;uchar j,k,a,b,c; /定義全局變量void ad0809(uchar idata *x) /采集結(jié)果放指針中的AD采集函數(shù)uchar i; uchar *ad_adr;ad_adr=&IN0;for(i=0;i<1;i+) /采0路通道 *ad_adr=0; /啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 i=i; /延時(shí)等待EOC變低 i=i; while(ad_busy=0); /查詢等待轉(zhuǎn)換結(jié)果 xi=*ad_adr; /存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果 void func(void) ad0809(ad);void oper (v

33、oid) j=ad-ad1;k=j* Equation;/主函數(shù)，初始化定時(shí)器和片外寄存器void main(void)EA=1;PT0=1;ET0=1;ET1=1;IT0=1;IT1=1;EX0=1;EX1=1;TCON=0x08;/定時(shí)器0產(chǎn)生18ms的中斷信號，為8253輸出PWM信號提供時(shí)鐘周期基準(zhǔn)TMOD=0x21;TH0=0Xb9;TL0=0Xb0;向8253中的控制字寄存器中選擇計(jì)數(shù)器0，并賦初值0COMI=0x30;C0I=0;TR0=1;sendflag=1;while(1);/定時(shí)器中斷1，向8253發(fā)送控制數(shù)據(jù)void intsvr1(void)interrupt 1TH

34、0=0Xb9;TL0=0Xb0;COMI=0x30BUF810=k;C0I=BUF810L;C0I=BUF810H;for(a=1000;a>0;a-)for(b=1000;b>0;b-);if (gata=1)prift:”end”else main;5 結(jié)論隨著工業(yè)自動(dòng)化與現(xiàn)場總線技術(shù)的快速發(fā)展，對低成本、高可靠性的智能化閥門的要求越來越迫切，閥門除了雙向通信功能外，閥門還應(yīng)具有自診斷功能，流量特性人機(jī)對話功能，存儲維修記錄等智能化功能。其發(fā)展趨勢是機(jī)電一體化、智能型與總線制接口，無線通信功能，同時(shí)向著精小型、節(jié)能、節(jié)材以與高溫高壓大壓差、抗強(qiáng)沖刷方向發(fā)展。本設(shè)計(jì)就是在順應(yīng)閥門

35、大方向的前提下，在不改變閥門復(fù)雜程度的基礎(chǔ)上，對閥門的流量控制納入了單片機(jī)的智能控制，從而實(shí)現(xiàn)了閥門流量的智能控制。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)按順序編碼制組織，即各篇文獻(xiàn)按正文部分標(biāo)注的序號依次列出。1 普通圖書1 全國起重機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.中國機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編.中國標(biāo)準(zhǔn),2007.2 陸培文.實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊.:機(jī)械工業(yè),2007.9.                     3 馬忠梅，籍順心，凱，馬巖.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)（第三版）.：航空航天大學(xué),2003.11.4 科技.計(jì)算機(jī)接口