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 

ABSTRACT

....

KEY WORDS:valve positioner, fuzzy control,PID

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章  绪论 1

1.1 课题背景及发展状况 1

1.1.1 课题背景 1

1.1.2 发展状况 2

1.2 设计的研究内容和技术关键 2

1.2.1 阀门定位器的原理 2

1.2.2 研究内容 2

1.2.3 设计的关键技术 3

1.3 预期成果 3

1.4 本文的主要内容 4

第二章 系统的总体设计 5

2.1 系统的总体方案设计思路 5

2.2 硬件结构设计 5

2.3 软件结构设计 7

第三章 系统硬件设计 7

3.1 单片机的选择及功能介绍 8

3.1.1 单片机的选择 8

3.1.2 ATmega16的管脚说明 9

3.1.3 ATmega16的主要特征 10

3.2 电源电路的设计 11

3.3 前向通道的设计 11

3.3.1 I/V转换电路 12

3.3.2 时钟电路的设计 12

3.3.3 复位电路的设计 13

3.4 后向通道的设计 13

3.4.1 输出电路的设计 13

3.4.2 报警电路 14

3.5 单片机与上位机的接口电路 14

3.6 键盘、显示电路 15

3.7 硬件抗干扰 16

第四章 软件设计 17

4.1 开发环境和编程语言 17

4.2 软件系统的结构分析与规划 17

4.2.1 软件功能的规划 17

4.2.2 功能结构 17

4.3 主程序 18

4.3.1 初始化程序 18

4.3.2 数据处理模块 18

4.3.3 数字滤波 19

4.3.4 对阀门异常的判别和报警 19

4.4 通讯接口程序设计 21

4.4.1 通讯接口的协议 21

4.4.2 单片机的通信程序设计 22

第五章 系统控制策略 24

5.1 模糊控制的概述 24

5.2 模糊控制原理 24

5.3 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

文档设计小结 31

附录 设计原理图 32