阀门定位控制系统设计课程设计说明书

电脑控制系统课程设计手册阀门定位控制系统设计阀位设计控制系统概括阀门定位器作为气动控制阀的主要附件之一，可以改善阀门特性，提高控制精度、速度，增加控制灵活性。智能阀门定位器的数字化、通信化、智能化以及支持现场总线的特点，给工业自动化生产带来了深刻的变化，代表了气动执行器技术的发展方向。本文介绍了智能阀门定位系统的相关原理。以单片机为核心，增加A/D、D/A（模数，数模）转换接口，三位气动放大器驱动气动执行机构，形成智能阀位控制系统。电位器用来反映实际阀位值，控制单片机通过A/D采集实际阀位值和输入的设定阀位值计算偏差，并控制调节阀位到设定值PID（比例-微分-积分控制算法）。智能阀门定位器使调节阀更易于控制和更精确，同时简化了高性能控制回路的设计并使控制回路实施更加紧凑。由于硬件难以实现，本文选择Proteus软件进行仿真，既简化了设计过程，又便于修改和调试。关键词阀门定位器；PID；A/D转换器目录1简介11.1课程背景11.2课程意义12项目分析 32.1科目要求32.2设计要求32.3设计理念33阀门定位相关原理43.1计算机控制系统的工作原理43.2阀门介绍43.3智能阀门定位器43.4阀门定位器的工作原理53.5系统工作原理53.6系统控制要求64软件算法设计 74.1选项74.2控制算法选择74.2.1PID控制算法74.2.2PID算法详解84.3调节阀开度显示设计104.4PID参数整定104.5报警触发条件125整体系统设计方案 135.1系统硬件配置及组成原理135.2A/D转换电路165.3键盘、显示接口芯片175.4时钟报警电路196阀门定位控制系统仿真20结论 22至 23参考文献 24附录 251简介1.1课程背景生产过程的自动控制称为过程控制，在工业生产中占有极其重要的地位。过程控制的质量很大程度上取决于过程控制仪表，包括变送器、调节器、执行器和各种辅助控制装置。本文讨论的一种辅助控制仪表——阀门定位器，是各国研究的对象。它在一定程度上决定了过程控制的调整质量。随着过程控制水平的发展，定位器也必须不断发展，以满足现代生产对过程控制的要求。目前定位器的研究重点主要在于智能阀门定位器。国外一些大公司，如西门子、费雪-罗斯蒙特等，纷纷推出产品，但中国在这方面起步较晚。国内常用的电动阀门定位器采用机械力平衡原理，存在一些缺点，不能满足过程控制发展的需要，而且国外进口的智能定位器价格昂贵，所以智能电动阀门定位的研究与设计设备是非常必要的。智能阀门定位器集机械、电子、通讯和控制理论知识及相关软件知识于一体，是一款跨学科的智能产品。本课题开发的主要对象是智能阀门定位器的控制系统。它收集来自调节器的设定阀门开度信号和反馈的实际阀门开度信号。在计算出偏差和偏差变化率后，通过模糊运算和决策输出的相应控制信号来控制压电阀的开启时间，从而控制进入气室的进气量。调节阀，从而推动阀芯移动并准确定位。这样一来，与传统阀门定位器相比，智能阀门定位器不仅体现了提高精度、降低能耗、增加功能等优点，而且可以整合一定的人类经验和知识，具有一定的思维能力，从而满足过程控制的发展需要。.随着智能化、网络化、通讯和控制/管理一体化自动化技术的发展，工业控制领域对气动控制阀的智能化要求越来越迫切。本课题的研究与我国新一代智能气动控制阀的核心技术研究和产品更新换代紧密结合，代表了传统气动仪表智能化、网络化的发展趋势。1.2课程意义本课题设计的智能阀门定位器系统，由于采用了导电塑料和压电阀门等新型控制元件，可以实现非常高的阀门定位；并且由于使用气动执行器，可以在各种恶劣的条件下使用，使用寿命长。长且故障率低，这两点从根本上提高了产品的质量。由于采用了微加工，定位器的调整可以随着适用范围而大大提高。对于厂商而言，该系统具有广阔的市场前景、高价值、高利润。对于使用本系统的厂家来说，本系统的应用可以大大节省生产资源，提高生产效率，降低能耗和原材料损失，对厂家降耗增效有很好的助推作用。该系统可以自动调整。配置简单灵活，可轻松设置正反阀动作、流量特性、行程限制或分程运行等功能。对生产厂家来说，简化了设备安装调试的过程，减少了设备安装对企业正常生产的影响。该系统定位器的耗气量极低。传统定位器的喷嘴和挡板系统是连续耗气式元件。智能定位器只有在输出压力降低时才会排气，所以大部分时间处于非消耗状态。对于制造商来说，降低了生产能耗，节约了生产资源。该系统具有智能通讯和现场显示功能，甚至维修人员也可以为用户检查和维护定位器的工作状态。该系统的定位器和阀门可以分开安装。由于智能定位器的位置反馈元件是电位器，阀位信息是通过电信号传递的，可以在CPU中现场调节阀的特性。对用户来说，系统可以安装在狭小的特定设备空间内，无需开辟专门的空间来安装该设备。本系统的行程检测装置可以使用非接触式位置传感器，非常适合需要在恶劣领域使用的厂商。并能保证定位器的可靠使用和寿命。2话题分析2.1科目要求利用单片机实现阀门定位的单片机控制系统，如图2-1所示，通过位置传感器检测气缸位置，进而控制调节阀的开度。2.2设计要求(1)要求阀开度大于90或小于10%，以便阀芯卡死时报警。(2)要求具有调节阀线圈故障诊断功能。(3)用数码管实时开阀位。2.3设计思路位置由位置传感器检测并作为反馈模拟信号反馈给单片机。信号经过单片机PID控制算法处理后，输出一定宽度的脉冲，驱动调节阀，实现定位反馈控制。从键盘输入阀门的工作量特性和阀芯的最大和最小行程等参数。使用功能键实现点动和自动复位。定位速率由每组设定，即确定PID控制算法参数。气缸气缸驱动电路单片机键盘输入位置传感器驱动电路单片机键盘输入位置传感器调节阀调节阀1调节阀调节阀1A/DA/D转换图2-1阀门定位控制系统示意图3阀门定位原理3.1计算机控制系统的工作原理计算机控制系统包括硬件组件和软件组件。在计算机控制系统中，需要专用的数模转换设备和模数转换设备。因为过程控制一般是实时控制，有时对计算机速度要求不高，但要求可靠性高，反应及时。计算机控制系统的工作原理可以概括为以下三个过程：(1)实时数据采集：检测被控量的瞬时值并输入计算机。(2)实时决策：分析采集到的代表受控参数的状态量，根据已建立的控制规律确定下一步的控制过程。(3)实时控制：根据决策，及时向执行器致控制信号，完成控制任务。这三个过程不断重复，使整个系统按照一定的质量指标工作，对控制量和设备本身的异常现象及时处理。3.2阀门介绍阀门是流体输送系统中的控制元件，具有截止、调节、导流、防止回流、稳压、导流或溢流、泄压等功能。流体控制系统中使用的阀门，从最简单的截止阀到极其复杂的自动控制系统中使用的各种阀门，品种繁多，规格繁多。阀门可用于控制空气、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油类、液态金属和放射性介质等各种流体的流动。阀门又分为铸铁阀门、铸钢阀门、不锈钢阀门（201、304、316等）、铬钼钢阀门、铬钼钒钢阀门、双相钢阀门、塑料阀门、非标定制阀门材料等。3.3智能阀门定位器阀门定位器按结构形式和工作原理可分为气动阀门定位器、电动气动阀门定位器和智能阀门定位器。阀门定位器可以增加调节阀的输出功率，减少调节信号的传输滞后，加快阀杆的运动速度，提高阀门的线性度，克服阀杆的摩擦力，消除不平衡力的影响，这确保了调节阀的正确定位。阀门定位器是控制阀的主要附件。它以阀杆位移信号作为输入反馈测量信号，以控制器输出信号作为设定信号进行比较。当两者之间存在偏差时，执行器的输出信号就会改变。，使执行器动作，建立阀杆位移与控制器输出信号一一对应关系。因此，阀门定位器构成了以阀杆位移为测量信号，控制器输出为设定信号的反馈控制系统。控制系统的操纵变量是阀门定位器到执行器的输出信号[1]。阀门定位器用于确定阀门位置并为微控制器的控制提供信息。为了稳定信号并避免噪声、共振等现象，进行了改进。原理图如图3-1所示。图3-1智能型电动阀门定位器原理框图3.4阀门定位器的工作原理执行器是控制系统的终端设备，它接收控制器信号，改变操纵变量，实现控制要求。执行器与生产过程直接接触，工作在高温、高压、腐蚀和振动等环境中。对于不同的操纵变量，执行器可以是控制阀、阻尼器、步进电机和变频调速器。为了保证执行机构的控制精度，在某些特定场合需要使用阀门定位器。定位器控制执行机构的阀位，可以增加执行机构的输出功率，减少信号传输的滞后，克服阀杆的摩擦力和消除不平衡力的影响等，确保定位准确.一般用于高压高温下，以克服摩擦力和不平衡力；用于高压差，增加输出力，克服不平衡力；控制器输出直接转换成气压信号来操作执行机构，提高响应速度，输出信号阀门流量大，滞后明显减少；可实现气开、气关的互换；改善和修正控制阀的流量特性；可实现分程控制。阀门定位器是控制阀的主要附件。接收控制器输出的电流控制信号，输出气压信号控制阀门；当控制阀动作时，阀杆的位移通过反馈装置反馈给阀门定位器。因此，阀门定位器和控制阀形成一个闭环。定位器检测输入控制信号并将其与阀位反馈信号进行比较。如果两个信号不同，它将驱动阀门执行器，直到反馈信号与输入信号匹配。当反馈信号与输入信号相等时，驱动装置停止调节阀位。普通电动定位器提高了控制阀的质量，但由于结构等因素，仍易受温度波动和振动的影响；安装调试技术要求高；喷头第一挡板容易堵塞，耗能大；定位器零点和行程调整需要重复等。3.5系统工作原理阀门定位器控制系统采用以89C51为核心的单片机控制系统。它接收来自调节器的电流信号（4-20mA）来设定阀门开度，并将该信号与来自调节阀阀杆的实际反馈一起使用。比较打开信号。如果微处理器得到一个偏差信号，它将利用这个信号控制压电阀，使一定量的压缩空气通过压电阀进入调节阀执行器的气室，推动阀芯。移动或旋转以实现阀芯的准确定位。3.6系统控制要求单片机控制系统阀门定位器的设计要求如下：(1)可接收来自调节器的电流信号并转换成电压信号，并可采集阀位反馈的模拟信号；(2)可以对上面采集的信号进行计算和整理，最后根据偏差的大小输出连续信号或一定宽度的脉冲信号来控制压电阀；（3）采用数码管，输入参数可现场显示匹配阀门开度；（4）可通过按钮现场设置阀门工作流量特性参数，可设置阀芯最大、最小行程等参数；(5)调节阀自动运行过程中，当阀芯开度大于90%或小于10%时，阀芯卡死时控制系统可报警；(6)具有断电保存功能、看门狗功能和电源电压监控功能。4软件算法设计4.1方案选择在控制系统中，如果采用开环控制系统，只有给定量影响输出量，受控量只能由受控量控制，受控量不能依次影响受控量。系统的主要功能是将测量结果反馈到输入端，减去输入量得到偏差，然后偏差产生直接控制效果，消除偏差。因此，开环系统显然不能满足系统的功能要求。使用闭环控制系统可以实现实际输出与输入比较后，通过双向数据交换对控制系统进行校正的功能，实现对被控对象的实时控制。在闭环系统中，其控制动作的依据是控制量与给定值的偏差。这种偏差是各种实际扰动的综合结果。个人原因之间没有区别。因此，这类系统往往能够同时抵抗多种扰动，对系统自身元件参数的波动不是很敏感。比较上述两种控制系统，可以得出结论，该系统应采用闭环控制系统。4.2控制算法选择工业控制中常用的控制算法有PID控制算法、最小节拍随动控制系统、神经网络系统等。本控制系统选用PID控制算法。PID控制器自问世至今已有近70年的历史。它以其结构简单、稳定性好、运行可靠、调整方便等优点成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或者没有精确的数学模型，以及其他控制技术难以使用时，必须通过经验和现场调试确定系统控制器的结构和参数.这时，应用PID控制技术最为方便。.即当我们对一个系统和被控对象不完全了解，或者不能有效测量系统参数时，PID控制技术是最合适的。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器是系统误差，它采用比例、积分和微分计算控制量进行控制。具有原理简单、易于实现、应用广泛、控制参数独立、参数选择相对简单等优点；并且理论上可以证明，对于过程控制的典型对象——“一阶滞后+纯滞后”和“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节法是连续系统动态质量校正的有效方法。其参数设置方法简单灵活，结构灵活（PI、PD、...）。4.2.1PID控制算法对于大多数控制对象来说，数字PID控制可以达到满意的控制效果。现场总线控制系统将DCS控制站的功能分配给现场仪表，从而形成一个虚拟控制站。这样，系统就应该有一个PID控制运算模块。PID控制程序流程如图4-1所示。控制程序根据当前变量值和变量值与设定值的偏差进行PID运算。此外，程序还提供手动自动切换功能，并限制输出值大小和变化率。由于实际控制系统的采样回路可能存在高频干扰，因此几乎所有的控制回路都配备了一阶低通滤波器，以限制高频干扰的影响[2]。所谓PID是指比例、积分和微分控制算法。比例控制（P）：比例环节能按时间比例反映控制系统的偏差信号。一旦出现偏差，控制器将立即采取控制措施以减少偏差。比例系数的增加可以加快系统响应速度，减小系数稳态误差，提高控制精度。但是，如果过大，会造成很大的超调，甚至导致不稳定；过小可以减小系统的超调量，增加稳态裕度，但会降低系统的调节精度，延长过渡过程时间。根据过渡过程的要求和系统控制过程不同阶段运行量的经验，通常在控制的初始阶段，适当地放在较小的等级，以减少初始变化的影响每个物理量的；在控制过程中，适当增加以提高快速性和动态精度，在过渡过程后期，为避免较大的超调，提高静态精度的稳定性，将减少[3]。积分控制（I）：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比。对于一个自动控制系统，如果进入稳态后出现稳态误差，则该控制系统是一个微分系统。为了消除稳态误差，必须在控制器中引入“积分项”。积分项的误差取决于时间积分，随着时间的增加，积分项增加。这样，即使误差很小，积分项也会随着时间的推移而增加，从而推动控制器输出增加，进一步减小稳态误差，直到等于零。比例+积分（PI）控制器可以使系统进入稳定状态，没有稳态误差。主要用于消除静态差异，提高习惯性冷漠程度。积分作用的强度取决于积分时间常数，积分越大，积分作用越弱，反之亦然。微分控制（D）：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差变化率）成正比。自动控制系统在克服误差调整的过程中可能会出现振荡和不稳定。惯性元件（链接）或有延迟（延迟）的元件具有抑制误差的作用，它们的变化总是滞后于误差的变化。解决方法是使抑制误差的变化“领先”，即当误差接近于零时，抑制误差应该为零，也就是说，引入“比例”往往是不够的"控制器中的术语。比例项只是用来放大误差幅度，当前需要增加的是“微分项”，可以预测误差的变化趋势。这样，它具有比例+微分控制器，可以使抑制误差控制功能提前为零，为负值，避免了被控量的严重超调。对于惯性或滞后较大的被控对象，比例+微分（PD）控制器可以改善系统调整过程中的动态特性。它可以反映偏差信号的变化趋势，在偏差信号的值变得过大之前，可以作为系统中有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，降低调整时间。4.2.2PID算法详解在计算机控制系统中，PID控制律的实现必须采用数值逼近的方法。当采样周期比较短时，用求和代替积分，用后向差分代替微分，从而将模拟PID离散化为差分方程。图4-1显示了数字PID增量控制算法的流程图。图4-1数字PID增量控制算法流程图数字PID位置控制算法：方程（4.1）等式(4.1)表示的控制算法提供了执行器的位置u(k)，例如阀门的开度。从公式(4.1)可以看出，位置控制公式并不方便，因为偏差e(i)的累加不仅占用了较多的存储单元，而且不方便编写程序。为此，对公式（4.1）进行修改。根据公式(4.1)，不难写出u(k-1)的表达式，即：方程（4.2）式（4.1）和式（4.2）相减得到数字PID增量控制算法：方程（4.3）式中，——代表比例系数；-表示积分系数；-表示微分系数。为方便编程，式（3.3）可组织成如下形式：方程（4.4）公式，4.3调节阀开度显示设计因为系统设计需要显示0-100%的阀门开度，而A/D转换后得到的数字是0-255，所以我们用下面的公式将A/D转换后的数据转换成阀门开度的Spend。方程（4.5）式中——电位器动接点输出换算的实际值；——电位器动触点输出最大行程换算值，默认值为255；——电位器动接点输出在最小行程时的换算值，默认值为0。通过式(4.5)，可以为现场阀门定位器电位器与阀芯反馈杆的连接带来方便。因为电位器的最大行程距离和阀芯的最大行程距离不可能相同，而且我们很难改变机械结构使阀芯的最大行程与电位器的最大行程完全匹配，所以可以根据实际情况进行调整。安装时，用阀芯的最大行程代替默认值，用最小行程代替默认值。这样，在阀芯最大行程距离小于和接近电位器最大行程距离的情况下，无论阀门的最大行程距离如何，都能准确测量阀芯的开度。核。来自稳压器的信号经过A/D转换后得到的数据也需要按公式（4.5）进行转换。将得到的设定开度与阀门的实际开度进行比较，得到偏差。如果偏差大于允许误差值（小于0.2%），则输出。4.4PID参数设置PID控制器参数整定是控制系统设计的核心内容，它是确定PID控制器比例系数、积分时间和微分时间大小的受控过程特性。图4-2参数合理的PID图图4-3参数不合理的PID图设置参数主要有两种方式：1、理论计算设定方法主要根据系统数学模型、理论计算确定控制器参数。这种方法得到的计算数据不能直接使用，必须结合工程实际进行调整和修改。2.工程调优方法它主要依靠工程经验，在直接控制系统测试中进行。该方法简单易掌握，在工程实践中得到广泛应用。控制器参数的工程整定方法主要有临界比例法、响应曲线法和衰减法。工程整定法和理论计算整定法各有特点。但无论采用哪种方法获取控制器参数，都需要在实际运行中进行最后的调整和改进，一般采用临界比例法。4.5报警触发条件当阀门开度大于90%或小于10%时，由阀门定位器感应得到阀门开度。确认定位器定位正确后，报警器会直接报警。判断阀芯是否未卡死时，首先判断系统输出是否为0%，如果为0%，定位器判断阀位单位时间内不移动阀门。即判断阀芯卡死，驱动报警电路直接报警。若阀芯烧坏，则与阀芯卡死现象一致。5系统总体设计方案5.1系统硬件配置及组成原理5.1.1微控制器微控制器（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术集成中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、各种I/O端口和中断系统、定时器具有数据处理能力。它是在单个硅片上集成显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路复用器、A/D转换器等功能和计数器组成的小型完整的微机系统。广泛应用于控制领域。从1980年代开始，从当时的4位和8位单片机发展到现在的300M高速单片机[4]。单片机应用广泛，主要应用如下：（一）在家电领域的应用现在在家电更新换代、市场开拓等方面，单片机的应用越来越广泛。例如，在电子玩具或高级电子游戏机中，会使用单片机来实现其控制功能；而洗衣机可以通过单片机识别衣物的种类和脏污程度。污染程度，从而自动选择洗涤强度和洗涤时间；冰箱冰柜采用单片机控制，可识别食物种类和新鲜程度，实现冷藏温度和冷藏时间的自动选择；微波炉还可以通过单片机识别食物的种类，自动判断加热温度、加热时间等。单片机技术应用后，这些家电在性能和功能上都取得了长足的进步。传统技术。（2）在医疗器械领域的应用现代医疗条件越来越发达，人们越来越重视医用灭菌消毒技术。但偏远地区的一些小医院、小诊所的消毒杀菌设备还很简陋，无法有效控制消毒质量。随着单片机技术的发展，其体积小、功能强大、扩展灵活、应用方便等特点越来越突出。等设备得到广泛应用。（3）在工业控制领域的应用事实上，最早的单片机是从工业领域开始兴起的，它在工业控制领域的应用还是非常广泛的。利用单片机技术形成的各种数据采集系统和智能控制系统，如工厂流水线智能管理、智能电梯、报警系统等，都通过单片机技术与计算机连接，形成二级控制系统。(4)在仪器仪表领域的应用上面也提到了单片机具有集成度高、体积小、控制功能强、扩展灵活等特点，处理速度快、可靠性高，因此在智能仪器仪表领域的应用也非常广泛。..单片机在一定程度上带动了传统测控仪表技术的一场革命。通过单片机技术，实现了仪器仪表技术的数字化、智能化、集成化和多功能化，与传统电子电路或数字电路相比，其功能更加强大，综合性更加突出。单片机在智能仪器中的应用已经非常广泛。直到现在，兼容MCS-51核心系列的单片机仍然是主流产品（如目前流行的89S51、89C51等）。ATMEL公司的单片机AT89C51，除了增加了4KB的E2PROM，其余与MCS-51系列的8031单片机完全相同。与8031一样，AT89C51有4个8位并行U0口，2个16位可编程定时器计数器，128字节RAM，5个中断源，全双工串行通信H，工作电压从2.7V到5.5V，主频为110592MHZ。AT89C51是一款采用CMOS技术和高密度非易失性存储器（NURAM）技术的4K字节Flash可编程可擦写只读存储器（EPROM）的低功耗高性能8位微控制器，其输出引脚和命令系统与MCU-51系列微控制器兼容。片上闪存允许在系统重新编程，主要用于工业控制。可扩展的64K字节程序ROM，外部数据存储器。有5个中断，包括2个外部中断，2个定时器中断，1个串口中断。AT89C51是一款功能强大的微控制器（MCU），具有多种功能模块，可满足定位器系统的控制。系统选用89C51单片机、A/D转换芯片ADC0808、可编程键盘和显示接口芯片8279组成基本系统。此外，还有一些基本的附加电路，如复位电路、报警电路等。具体工作原理如下：阀门的实际开度信号由阀杆位置传感器拾取，经过A/D转换转换成数字编码信号，与定位器设定信号的数字编码相比较在CPU中，计算两者的偏差。价值。CPU根据偏差设定输出指令对压电阀进行相应的开/关动作，即：当设定信号大于阀位反馈时，增压阀打开，输出气源压力增加，执行机构气室压力增大，使阀门开度增大，减小两者的偏差；若设定信号小于阀位反馈，则排气阀打开，通过排气降低输出气源压力。偏差减少。正是通过CPU控制阀来调节输出气源压力的大小，达到输入信号与阀位的新平衡[4]。图5-1AT89C51单片机图5-2AT89C51引脚图5.1.2并行和串行I/O端口AT89C51集成了四个8位双向并行接口，每个接口都带有输出锁存器、输出驱动器和输出缓冲器。四个端口分别为P0、P1、P2和P3。P0端口的每一位由一个输出锁存器、两个三态缓冲器、一个输出驱动器和一个输出控制电路组成，其工作状态由输出控制电路控制。PO口可用作地址/数据线，也可用作通用O；P1口为8位准双向并行I/O口，用于通用I/O；P2口也是一个8位准双向并行I/O口，比P1口多了一个输出转换控制部分。当P3端口用作通用I/O时，当它是多功能端口时，它用作读/写信号和标准串行1/O端口。AT89C51有一个可编程的全双工串行I/O端口，它是一个通用异步接收器/致器(UART)，也可以用作同步移位寄存器。AT89C51的串行I/O带有缓冲寄存器SBUF、SFR，可直接寻址、接收和致缓冲寄存器。串口I/O口有四种工作模式：模式0、模式1、模式2和模式3。模式0为同步移位寄存器，同步移位脉冲由TXD管脚致，致或接收串行数据通过RXD引脚。Mode1为I/O位异步收发模式，串口数据位由TXD引脚致，对方致的串口数据位由RXD引脚接收。模式2为11位异步收发模式，第9个数据位可插入字符格式末尾，可设置为奇偶校验位。模式3是11位异步接收和致模式。5.1.3AT89C51定时器/计数器5l系列单片机有定时器/计数器，AT89C51有两个16位定时器/计数器：11D和T1。主要特点：计时/计数既可以计数也可以计时；计数器的模值是可变的，其最大值取决于计数器的位数；来自11D或T1引脚的输入脉冲数可以计算为计数器或频率计数器。AT89C51的定时器和计数器是可编程的。5.1.4AT89C51中断AT89C51有5个中断源，即2个外部中断、2个定时器/计数器中断和1个串口中断。当某个中断源产生中断时，SFR中的中断标志位被设置为TCON中的每一位。当单片机从标志位识别出中断类型并响应应用程序时，立即从主程序转到执行中断服务子程序。用于中断和保护站点。各种中断的向量地址就是中断服务程序的入口地址。中断程序结束后，恢复程序运行环境，返回断点继续执行程序。5.2A/D转换电路图5-3ADC0808引脚图为了将电动阀门定位器输出的模拟信号转换成单片机可以处理的数字信号，需要一个A/D转换器进行转换。A/D转换的作用是将时间连续、幅度连续的模拟信号转换成时间和幅度离散的数字信号。因此，A/D转换一般要经过采样、保持、量化和编码四个过程。.在实际电路中，这些过程中有些是结合在一起的，例如在转换过程中往往同时进行采样保持、量化和编码。量化（离散）模拟量或连续变化量并将其转换为相应数字量的电路。A/D变换由三部分组成：采样、量化和编码。通常，量化和编码是同时进行的。采样是将模拟信号及时离散化的过程；量化是在幅度上离散模拟信号的过程；编码就是用一定的二进制码来表示每个量化的样本。ADC0808是一款经济实惠的逐次比较8位A/D转换器，可输入8路模拟信号。这里我们选择IN0和IN1作为模拟信号输入通道。ADC0808的最大不可调误差小于1/2LSB，典型时钟频率为640kHz，每个通道的转换时间约为100Ls。89C51通过地址线P0.0和读写控制线控制转换后的模拟输入通道地址锁存、启动和输出使能。模拟输入通道地址的解码输入A、B、C由P2.2-P2.4提供。由于ADC0808具有通道地址锁存功能，我们省略了地址锁存器74LS373，直接连接P2.2-P2.4分别接A、B、C。例如，当我们要选择IN0模拟电路并将其致到ADC0808时，执行如下程序：移动DPTR，#0FEFFH；输入ADC0808的地址FEFFH转DPTR移动，#00H；将IN0模拟电压地址致到AMOVXDPTR,A;将A中的数据致到A、B、C，并启动ADC08085.3键盘、显示接口芯片5.3.1独立按键独立按键电路图如下：图5-4独立按键电路当按键K1被按下时，地通过电阻R1最后通过按键K1进入I/O口形成通路，则该线的CON8.1管脚为低电平。松开按键，线路断开，不会有电流流过，此时CON8.1恢复默认高电平。我们可以通过IO口的高低电平来判断一个按钮是否被按下。5.3.2矩阵键盘矩阵按键电路图如下：图5-5矩阵键盘电路图矩阵键盘的读取方式与独立键盘类似，但其读取方式节省了I/O端口。5.3.3去抖键盘大多数情况下，我们不能一直按住按钮，所以我们通常判断按钮的两种状态从按下变成了弹出，就认为有按钮按下了。在程序中，我们可以存储每个键的状态。读入下一个键状态时，将其与当前键状态进行比较。如果发现两个key的状态不一致，说明key已经动作了。状态不是按下，现在是按下，此时按键动作为“按下”；上次状态被按下时，现在没有被按下，此时的按键动作是“弹跳”。显然，每个按键动作都会包含一个“按下”动作和一个“弹跳”动作，我们可以选择一个动作来执行程序，或者两者都用于执行不同的程序。通常，用于按键的开关是机械弹性开关。在机械触点开合时，由于机械触点的弹性作用，按键开关在闭合时不会立即稳定接通，断开时也不会接通。一下子会完全断开，但在合闸和分闸的瞬间会伴随着一系列的抖动，如图5-6所示。图5-6按键抖动状态图按钮稳定闭合时间的长短由操作者决定，一般在100ms以上。如果快速刻意地按下它，它可以达到40-50ms左右，这很难降低。抖动时间由按键的机械特性决定，一般小于10ms。为了保证程序对按钮的关闭或打开只响应一次，必须对按钮进行去抖动处理。当检测到按键状态变化时，它不会立即响应动作，而是等待关闭或打开稳定后再处理。5.4时钟/报警电路单片机虽然有振荡电路，但要形成时钟，必须连接外部电路。外部时钟利用芯片部分的振荡电路，外部定时元件连接到XTAL1和XTAL2引脚，内部振荡电路会产生自激振荡。最常用的部分时钟方法是使用由外部晶振和电容组成的并联谐振电路，振荡器晶振可以在1.2MHz和12MHz之间选择。系统设置了上下限报警。当控制阀的开度大于90%或小于10%时，控制系统可以报警。蜂鸣器接+5V电源时会发出声音。当需要报警时，通过程序设置“CLRP2.0”可以使AT89C51的P2.0输出低电平，使报警电路报警。6阀门定位控制系统仿真根据上述设计使用Proteus设计，应用Keil设计程序。可以使用的元器件有AT89C51、ADC0808、8段数码管、按键、LED显示灯、蜂鸣器、按键等。图6-1Proteus中使用的组件代码下图是Proteus软件仿真制作的阀门定位控制系统仿真单片机连接图。图6-2阀门定位控制系统仿真单片机连接图使用仿真软件对上图进行测试，得到以下两个阀门开度图。图6-3阀门开度小于10%的仿真图图6-4阀门开度大于90%