《基于单片机的电动执行系统的设计 毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的电动执行系统的设计 毕业论文.doc（39页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、辽宁科技大学本科生毕业设计 第页基于单片机的电动执行系统的设计摘要电动执行机构广泛应用于工业控制系统中，对阀门进行控制和调节。其稳定性和精度对整个控制系统性能以及产品质量的提高起着非常重要的作用。本论文在分析了电动执行机构的工作原理和控制过程之后，通过借鉴以往国内外电动执行机构的优点以及为了适应工业发展需要，提出基于单片机的电动执行机构的方案设计通过对可能出现的故 障以及各种影响执行机构精度的因素充分考虑之后，给出了控制系统的硬件结构；之后详细介绍了基于80C196KC单片机的电动执行机构系统构成，电动执行机构系统，由80C196KC单片机、DAC0832转换器、MOC3081M固态继电器、可
2、控硅等器件组成。本系统具有结构合理、功能完善、满足控制精度的要求、抗干扰能力强、较高的灵活性和可靠性、通用性好、价格低，使用方便等特点。关键词：电动执行机构；DAC0832转换器；固态继电器；80C196KC单片机Design for electric actuator based on MCU systemAbstractThe electric actuating equipments are used widely to regulate the valve in the industrial system；It is important for improving the system
3、 performance and the productions quality to advance the stability and the precision of the equipmentThe design of the electric actuating equipment is discussed in the paper and the equipment Can regulate its precision according to the field varietyAfter analyzing electric actuators theory of operati
4、on and control process，we give the scheme design of intelligent electric actuator by using for reference to the merit of the overseas and domestic actuators；We design the hardware structure of the system on basis of the consideration of systems possible trouble and the factors affecting the system p
5、recision；Then we focus on the structure of the electric actuating equipment based on 80C196KC micro controller，Electric actuator systems based on single chip, the 80C196KC microcontroller, DAC0832 converter, MOC3081M solid state relays, SCR and other devices integral. The system has a reasonable str
6、ucture, complete functions, to meet the requirements of precision control, anti-interference ability, high flexibility and reliability, universal good, low price, easy to use and so on.Keywords: Electric actuating equipment；DAC0832 converter；System Motor Solid State Relays；80C196KCMCU目录摘要IAbstractII
7、1 绪论1.1 电动执行系统的现状与发展趋势1.2 本论文的主要研究内容及应用1.3 本论文的总体结构1.4 本章小结2 电动执行系统总体介绍2.1 电动执行系统的设计原理2.2 电动执行系统的控制器2.2.1 控制器的基本概念和定义2.2.2 控制器实现功能2.3 电动执行系统的执行器2.4 电动执行系统基本控制思想2.5 本章小结3 基于80C196KC单片机的电动执行系统的构成3.1 引言3.2 80C196KC单片机53.3 数据采集模块123.4 功率放大模块173.5 恒流源输出模块183.6 本章小结214 两相交流伺服电动机224.1 两相交流电动机224.2 鼠笼式伺服电动机
8、的结构特点224.3 圆形旋转磁场的产生224.4 两相交流伺服电动机的机械特性254.5 本章小结255基于单片机的电动执行系统的软件设计265.1 程序流程图265.2 编程思路265.3 本章小结276系统的可靠性设计286.1硬件抗干扰技术286.1.1 掉电保护电路286.1.2去耦电路296.1.3 信号隔离296.1.4接地技术306.1.5硬件滤波技术306.1.6屏蔽技术316.2软件抗干扰技术316.21数字滤波316.3 “看门狗”技术32结论33致谢34参考文献351 绪论1.1 电动执行系统的现状与发展趋势电动执行系统是工业过程控制系统中的一个十分重要的现场驱动装置，
9、其能源取得方便，安装调试简单，在电力，冶金，石油，化工等工业部门得到越来越广泛的应用。阀门在工业管路控制中是经常使用的重要设备，电动阀门随着工业自动化的发展，因其动力源容易取得，且一般情况下无需维护的优点，比起气动、液动等不同驱动方式的设备使用更为普遍。电动执行系统包括电动执行系统和调节阀两部分，控制精度主要决定于电动执行系统的控制性能，它能够将系统的控制信号转换成输出轴的角位移、直线位移，使被控介质按系统要求状态工作。目前，国内流行的DKJ和DKZ系列具有以下几大特点：l 直接受计算机控制的智能电子型，户外型，隔爆型等改进型产品；l 经电路部分灌封在一个小型塑料盒中，即模块，形成了便于维护的
10、即插即用型。因此，它们的可靠性，精度，负载能力，信号品质系数等性能有了很大的提高，而且对环境条件的要求降低了很多；l 智能型的电动执行系统实现了智能控制，防护等级高，控制精度较高，重量轻，稳定性好的功能。现在，一些企业使用DKJ,DKZ的更新换代产品，但在控制要求较高的实验，生产控制中，主要是依赖价格较高的国外智能产品。现如今，国外智能产品有以下特点：l 智能通信；l 机电一体化；l 控制策略更为先进，先进的控制方法有利于解决电机的惯性问题，实现准确定位，提高控制精度。国际上，电动执行系统正朝着小型化，一体化，数字化，智能化，总线化和网络化方向快速发展，国产电动执行系统在产品的品种、控制精度、
11、工艺水平、可靠性、智能化和网络化方面还有较大差距，具有自主知识产权的高性能电动执行系统十分匮乏。故我国在此方面还有待开发。1.2 本论文的主要研究内容及应用执行系统能否保持正常工作将直接影响自动控制系统的安全性和可靠性，执行器的阀门口径和流量特性选择是否适当和安装是否正确，将直接影响自动控制系统的控制质量，因此执行系统是生产过程自动控制系统的重要设备，常被称为实现生产过程自动化的“手足”，其性能的好坏直接影响系统调节性能。电动执行机构具有动作快，便于远距离的信号传输和计算机配合使用，还可免去选用气动执行机构必须配置良好气源设备和安装气路管线的麻烦。因此，本文是基于单片机的电动执行系统的设计。8
12、0C196KC单片机、MOC3081M固态继电器、可控硅、两相伺服电动机、DAC0832转换器等器件组成了本论文所要设计的电动执行系统。在器件的连接中，首先A/D转换器对反馈回来的信号、参考输入信号、调零点信号、调行程信号、设置灵敏度信号进行转换，然后传入80C196KC单片机中，利用单片机对这些数据进行逻辑分析计算，从而输出控制信号来控制电动机的正转、反转、停止。当单片机计算所得结果大于零且大于所设的值时，经过功率放大模块，从而驱动电动机的正向控制。当单片机计算所得结果小于零且小于所设的值时，经过功率放大模块，从而驱动电动机的反向控制。当单片机计算所得结果大于零且小于所设的值和小于零且大于所
13、设的值时，经过功率放大模块，电动机不执行动作。80C196KC单片机与两相伺服电动机用固态继电器与可控硅连接。当单片机发送使电动机正转的信号时，固态继电器起放大信号的作用，而且其可将单片机与电动机的电路隔离。可控硅则是目前比较理想的交流开关器件。电机是电动执行机构的关键部件，要有优良的静动态特性和转矩特性，来满足电动执行机构频繁的启动、停止的需求。在80C196KC单片机的连接电路中，它还与DAC0832和一个恒流源电路相连接，这是为了更清楚的知道电动执行系统所控制的阀门所达到的开度。本文所设计的是一个很简单的电动执行系统。此电动执行系统主要是基于单片机的控制，所以利用单片机的编程来控制整个过
14、程。本文的设计目的是利用电能驱动两相交流伺服电动机，从而使电动机带动阀门的开闭的动作。本论文所设计的基于单片机的电动执行系统是安装在生产现场，使用条件较差，用来控制介质具有高温、高压、剧毒、深冷、易燃易爆、易结晶、强腐蚀及高粘度等不同特点。1.3 本论文的总体结构第二章从整体上介绍了电动执行系统，来明确一些概念。第三章主要给出了电动执行系统的系统构成，在硬件设计上详细的给出了相应的数据采集模块、功率放大模块、恒流源模块，对整个系统工作流程有一定的了解。第四章重点介绍了两相伺服电动机的结构特点和机械特性，以便更好的理解电动执行系统的控制。第五章写出了此设计所需要的程序流程图。以上五章无论从整体上
15、还是从个体上都对基于单片机的电动执行系统这个设计具体的描述了。在这五章中，有文字描述还有图形示意，都可使基于单片机的电动执行系统清楚、明白、通俗、易懂。第六章对系统的可靠性进行了设计。1.4 本章小结本章首先介绍了电动执行系统的现状及发展趋势，以表示我国目前在此方面与外国的差距，同时也表明了我国在此方面还有很大的潜力可开发。然后简单的介绍了本论文的内容，大概的了解了本论文所要设计与阐述的理论。接下来给出了文章的总体结构，对此论文的内容、思路有了更深一层的理解。所以，基于单片机的执行系统这个设计的内容与思路已基本介绍清楚。2 电动执行系统总体介绍2.1 电动执行系统的设计原理执行机构：一种能提供
16、直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。电动执行系统：执行机构使用电力并通过电机将其转化成驱动作用。电动执行系统的整体结构示意图，如图2.1所示恒流源80C196KC固态继电器两相伺服电动机减速机构输出轴位置传感器A/D转换器图2.1 电动执行系统整体结构示意图在A/D转换器中，对参考输入电压或者电流模拟量、反馈模拟电压量等值进行模/数转换，然后传入单片机中，在单片机中进行逻辑分析计算，当计算所得值大于零且大于系统死区值时，单片机发出使电动机正转的控制信号；当计算所得值小于零且小于系统死区值时，单片机发出使电动机反转的控制信号；当计算所得值在死区值的正负之间时，
17、单片机发出使电动机停止运行的控制信号。当两相交流伺服电动机执行指令进行运动时，此时位置传感器对电动机的位置进行位移与电压的转换，转换所得值即为反馈模拟电压量。电动执行系统的硬件结构框图见图2.2。2.2 电动执行系统的控制器电动执行系统由控制器和执行器组成。电动执行系统的控制器由80C196KC单片机和其内部的A/D转换器组成。电动执行系统中的单片机用于对整个电动执行系统实行控制。对单片机运用编程语言进行编程，来对电动执行系统进行程序控制。电动执行系统中的A/D转换器用于对输入的模拟数据进行转换，转换成二进制数据型数据，然后传入单片机，从而使数据便于电动执行系统各个部分的执行。参考量Lin反馈
18、量Uf驱动电路调行程调行程调零点两相伺服电动机恒流源80C196KC单片机图2.2 电动执行系统的硬件结构框图2.2.1 控制器的基本概念和定义在与A/D转换器的电路中，涉及到几个物理概念。以下将具体介绍。灵敏度：指执行机构运行过程中开度设定信号与位置反馈信号比较时认为二者相等所允许的相对误差。系统在运行过程中要实时采样开度设定信号和反馈信号，并比较其大小。当反馈量小于开度设定量时，电机正方向转动；当反馈量大于开度设定量时，电机向反方向转动；若反馈量等于开度设定量，则电机停止转动。由于采样的不连续性，要使二者绝对相等不太可能。为此，应引进一偏差，即灵敏度。当：/开度的设定值反馈量/灵敏度，则认
19、为开度设定量和反馈量二者相等。零点：是指执行机构启动前的初始位置。系统在具体的运行环境中，由于不同型号阀门的口径不同，针对不同的阀门装置要有不同的初始位置；另外，电动执行系统在装配和使用条件也不尽相同，所以也就要求执行机构的零点（初始位置）可以在一定范围内进行调节。以便和不同口径的阀门配合使用，同时也可以适应不同的现场条件，增强了系统的通用性和适应性。行程：是指执行机构的运动范围。执行机构在不同的运行环境下，给定信号的量程都是相同的，但需要执行机构动作范围不一定相同，这样要在具体的运行环境中设定执行机构的最大动作范围，即行程。2.2.2 控制器实现功能在此系统中，控制器实现对电动机的正转、反转
20、、停止的控制。从整体上来看，控制器具有以下几点功能：1.接受420mA模拟电流或者15V模拟电压、位置反馈值、调行程值、设置灵敏度值和调零点值，对其进行转换并且进行比较，根据比较结果，控制伺服电动机正反转和停止动作。这也是系统的基本功能。2.短信号保护功能：通过读取开关状态，选择断信号时执行机构应处的位置，即处于原位、全开或全关。3.参数调整功能：A、零点的调整功能：可以用单片机指令编程方便的调整执行机构的零点位置，在调整过程中系统应根据设定的运动方向和所需位移的加减实时地控制电机移动位移的大小，达到所需位置，并记录实际位置以便下次启动时无须再次设定。B、行程的调整功能：行程调整同零点调整类似
21、，也用单片机指令编程调整电机输出位移，达到所需位置，记录调整结果。C、灵敏度的调整功能。4.模拟量反馈的功能：即将实际阀门位置以420mA 电流信号的形式反馈输出。5.具有适应的功能：也就是控制器能用在不同类型执行器和不同的负载上，而不至于发生振荡和精度下降。2.3 电动执行系统的执行器电动执行系统用于把阀门驱动至全开或全关的位置。电动执行系统的执行机构能够精确的使阀门走到任何位置。执行器主要是在控制器的控制下完成设定动作的机械执行部分。执行器主要由两相伺服电动机、减速机构等部分组成，它直接用于驱动阀门。电动机采用两相交流伺服电动机，它是执行机构的重要组成部分，具有体积小、重量轻、结构简单、启
22、动转矩大、转动惯量小等特点，适用于控制阀门装置；减速机构主要由齿轮和皮带组成，主要目的是降低电机的转速。2.4 电动执行系统基本控制思想控制器共有五项输入，分别是灵敏度（Lm）、行程（Xc）、零点（Ld）、位置反馈（Vf）和参考给定（Iin）。以上五个参数的运算结果来确定伺服电机的转动情况。运算过程大致如下：y=（VfLd）*Xc/A+B (2.1)其中：A、B-为常数；y-为电动执行系统所处的当前位置。80C196KC单片机根据上式（2.1）实现电动执行系统的零点及行程调节，根据下面条件来判定伺服电动机的状态。当C*IinD*Lm y y时，伺服电动机反转； 当y C*Iin+D*Lm 时，
23、伺服电动机正转。其中：C、D-为常数；D*Lm-反映了执行机构灵敏度的大小。通过上述两条件可以看出，在非线性环节中引入人为死区（死区宽度为2D* Lm），来增加执行机构的稳定性，减少震荡。2.5 本章小结本章不仅介绍了电动执行系统的原理，还介绍了电动执行系统的控制器与执行器的组成与功能，简单概述了电动执行系统的控制思路。从整体上了解电动执行系统的组成及原理，以及它的基本执行思路。3 基于80C196KC单片机的电动执行系统的构成3.1 引言电动执行系统是通过传感器采集输出轴的位置信号，与系统给定信号比较得到控制信号，控制电机运转，使电机带动输出轴达到要求的位置。控制器是电动执行系统控制的核心部
24、分，在对其进行设计时，我们采用了模块化设计思想，设计了基于80C196KC单片机的执行机构硬件电路，其通用性非常突出，系统基本由下面几个模块组成:数据采集模块、功率放大模块、恒流源输出模块。3.2 80C196KC单片机80C196KC单片机是INTEL公司最新推出的CHMOS型16位高性能单片机。它功耗极低，除正常工作外还可工作于两种节电方式。待机方式和掉电方式，能进一步降低功耗，80C196KC的状态周期是由振荡器信号经2分频后获得。当采用16MHz晶体时，一个状态周期只有125ns，工作速度比5l单片机要提高数倍，其外部总线宽度为816位可选，而内部总线宽度总是16位的，最显著的特色是：
25、80C196KC的CPU中的算术逻辑单元没有采用常规的累加器结构，而是改用寄存器-寄存器结构，CPU的操作直接面向512字节的寄存器，消除了一般CPU存在的累加器的瓶颈效应，大大提高了操作速度和数据吞吐能力。可为多个中断服务程序中的局部变量指定专门的寄存器。免除中断服务过程中保护寄存器现场和恢复寄存器现场所增加的软件开销。并给程序设计带来方便。它有一套执行速度更快、数进行操作，16位乘16位指令的执行时间仅为1.4s，片内具有外设事务服务器FTS，专门用于处理外设中断事务。大大减少了CPU的软件开销，其内置的外设有8通道转换速度和位数(8位和10位)可调的AD转换器，三路脉宽调制输出(PWM)
26、。高速输入/输出器(HSIO)等5。80C196KC单片机由功能强大的16位CPU组成，CPU与数据存储器、各种I0功能部件有机地集成在同一硅片上。它是CHMOS中的第二代产品，其特点是： (1)其内部存储器的容量扩大了一倍，达到512字节；(2)寄存器到寄存器结构；(3) 比80C196KB增加了2个PWM(脉宽调制)输出；(4) 80C196KC新增加了一个外设事物服务器PTS；(5)80C196KC中定时器2既可由外部提供时钟，也可由内部提供时钟，而80C196KB中定时器2只能由外部时钟提供计数信号；(6)80C196KC对HSO增加了一条新的命令格式，可以对所有HSO引脚同时寻址；(
27、7)80C196KC的AD转换器除了可采用10位转换方式外，还可以采用8位转换方式，以加速转换过程。此外，80C196KC还可以对采样时间和转换时间进行选择；(8)80C196KC有2个不可擦除的可编程只读存储器UPROM(Uneraseable PROM)，增强了加密手段；(9)80C196KC可以采用16MHz的晶振。其运行速度比12MHz的80C196KB快33。其晶振最高可达20MHz；(10) 内部为2分频电路，指令执行速度快；(11)低功耗工作方式。80C196KC的中断80C196KC提供了28个中断源，18个中断向量。其中非屏蔽中断NMI、软件陷阱中断TRAPHE和非法操作码中
28、断是3种特殊的中断源。各占一个专门的中断向量；其余25个中断源分享15个中断向量。以下主要介绍外部中断、软件定时器溢出中断、定时器2溢出中断。(1)外部中断EXINT和P0.7(ACH7)80C196KC有两个外部中断向量：EXINT(200EH)和EXINT1(2030H)。EXINT可供2个中断源使用，一个是外部中断引脚P2.2(EXINT)，另一个是P0.7(ACH7)，由IOC1.1当不采用P0.7外部中断时，P2.2的中断向量是EXINT，当采用P0.7时外部中断时，P0.7的中断向量是EXINT，而P2.2的中断向量是EXlNT1。在电动执行器控制系统中，采用P0.7作为外部中断，
29、其中断向量为EXINT，初始化程序如下：.IOC1&=0x00FD；MASK=0X80；.(2)定时器溢出中断在80C196KC单片机内部，定时器T1和T2占有重要地位，因为其它一些环节功能的发挥,均离不开T1和他的支持。T1、T2的工作状况与片内几个输入输出控制寄存器(IOC0、IOC1、IOC2、IOC3)，输入输出状态寄存器(IOS1、IOS2)以及中断屏蔽寄存器(INT MASK、INTMASK1)有着密切关系。T1是16位硬件定时器、水平窗口0和水平窗口15中的0AH单元为其地址。在水平窗口O环节下，CPU只能对0AH单元进行读操作；在水平窗口15下，CPU可以对其进行写操作。单片机
30、一旦上电，T1即开始工作。T1的输入信号是系统时钟CLOCK，每经历8T时间，T1的内容增1。当T1值为0FFFFH再加1时，便发生溢出，其内容变为0，然后又重新计数。T1能够自动按照计数溢出一清零计数的方式周而复始地工作，不受外部因素的干扰。若单片机的晶振频率选为12MHZ，经过片内2分频处理后，可以得到状态周期T(=0.167ns)，一般而言，T1的最长时间如下：T1max=0FFFFH8T=655360.1678=87.556msT1的当前值可以从0AH单元读出，但只允许1次读出16位，而不能按字节分2次读出。T1溢出，能够产生定时器中断(若中断被允许)。在80C196KC中，定时器1溢
31、出中断和定时器2都可以产生中断，它们共享一个中断向量，向量单元为2000H。中断可分别由IOC1的微2和位3选通。IOC1.2=1，允许T1溢出中断；IOCl.3=1，允许T2产生中断。若同时允许T1和T2中断，则进入中断程序后，可以靠IOS1的位4和位5确定是由哪个定时器溢出造成的中断，以控制程序流向，IOSl.4=1表示T2溢出，IOSl.5表示T1溢出。当两者可能同时溢出时，可用软件来确定优先级，先查询IOSl.4的状态，则T2溢出中断优先得到响应，反之亦然。此外，他还单独设立了一个中断向量，向量单元为2080H，它的优先级高于定时器溢出中断。T2溢出中断的屏蔽位是INTMASK.4.靠
32、P2.7引脚上出现的上升沿触发一次定时器2的捕捉功能，这也会产生一次溢出中断。其中断向量为2036H，屏蔽位为INTMAKSl.3。在控制系统当中，由于定时器1作为软件定时器的基准时间。采用定时器T2作为控制时间的定时。T2也是16位硬件定时器，水平窗口0和水平窗口15中的0CH单元为其地址。在水平窗口0环境中，CPU可以对12进行读或写操作；在水平窗口15下，0CH单元则称为T2捕获寄存器。T2实质上也是一个寄存器，只要为其提供时钟源f T2即投入运行。当前值的读取方式以及定时范围与T1相同。定时器的使用方法比T1有所扩展，主要有以下几方面：(1)T2的时钟源，即可以由片外提供，也可以来自片
33、内。若令IOC3.0=0和IOC0.7=0，外部时钟信号经过单片机的T2CLK引脚进入T2；IOC3.0=0和IOC0.7=1时，外部时钟信号经过单片机的HIS1引脚进入T2。当IOC3.0=1时，T2的计数时钟由片内提供。(2)T2的复位方式有外部复位、软件复位、系统复位。(3)T2有三种工作方式。快速增量方式、一般增量方式、内部时钟方式、上行下行计数器方式、捕获寄存器方式。 . WRS=1; IOC3=0x01; IOC3.0=1,定时器2采用内部时钟 IOC1=0x04; 允许T2中断 IOS1=0x04; INT_MAKS=0x01; 打开定时器溢出中断 TIMER2=0XBB6A;
34、50ms中断一次(3)软件定时器中断软件定时器依靠软件实现，它不占用单片机的物理空间。80C196KC有4个16位软件定时器。运行规则如下：1)4个软件定时器分别名为0、1、2、3。通过对HSO_COMMAND寄存器的D3D0位进行设置，可以指明软件定时器的编号。2)若对HSO_COMMAND分别设置4次，可以让4个软件定时器同时工作。3)指明软件定时器编号后，接着要设置软件定时器的开始时间与结束时间，规定时间到时便发出软件定时器中断。4)软件定时器产生的中断请求被CPU响应后，计算机执行软件定时器中断程序，其入口地址由中断矢量200AH的内容决定。5)4个软件定时器均可以产生中断，若要弄清楚
35、起因于那个定时器，可以查询IOSO状态寄存器的有关位。(4)监视跟踪定时器监视跟踪定时器是16位硬件定时器，简称WDT，地址=0AH。在80C196KC中，若令WSR=0，则进入水平窗口，此时的WATCHDOG是一个只能写不能读的寄存器；若令WSR=15，则进入窗口15，此时的WATCHDOG是一个只能读不能写的寄存器。类似于T1，WDT也是一个16位计数器，其计数脉冲由单片机系统时钟CLOCK(T)提供。每经历一个T时间，WDT的内容增1。当系统处于复位状态时，WDT也停止运行。WDT的启动方式不同于T1，若要WDT投入工作，必须对其清零。清零方法如下：先向0AH单元写入1EH，紧接着再写入
36、OE1H。WDT一旦被启动，便开始计数。在计数过程中，只要不对其写入1EH和0E1H，WDT的内容有增无减，从清零到溢出，共需要64K个T周期。溢出时，该类单片机的引脚RESET被强制为低电平(至少维持两个状态周期)，系统复位，WDT也随之不工作。WDT的监视跟踪功能如下：为该类单片机编制的程序，其总的状态周期数已知，可以在程序的开始部分设置两条WDT清零指令，启动WDT工作。在不超过64K个状态周期的某个位置上再安排WDT清零指令，当程序运行到这个地方时，WDT又被清零并启动。如果程序较长，可以多点设置WDT清零指令。只要WDT不发生溢出，它的不断清零和启动，并不会导致系统复位，也不影响程序
37、的运行。若程序有故障而不能按时运行，就会造成WDT溢出而复位，从而可以知道这一段程序存在问题。3.3 数据采集模块在此模块中，输入到A/D转换器中有参考输入15V模拟电压或者420mA模拟电流，有反馈电压，有调零点的电压，有调行程的电压，有调节灵敏度的电压。在给所有的电压设定了一定值后，由单片机发出指令对A/D转换器进行数值采样。在此连接电路中，第一部分电路为参考输入Lin分别在两个电阻上产生电压，其中电压的一部分便成为了放大器的正相输入端，用来校正其得0.5V电压经过两个电阻产生电流从而产生分压现象，这时电压的一部分作为放大器的反相输入端，由于放大器的虚短，故正相端与反相端得电压值相等，因为
38、此时的放大器还是一个电压跟随器，故放大器输出的电压便为等值相等的两个电压，在加上0.5V的另一部分电压成为第一路模拟电压。第二部分电路为反馈电压输入，经过一级电压跟随放大器，输入A/D转换器中，作为反馈电压值。第三部分电路为调零点电路。此电路用于指定执行机构启动前的初始位置。系统在具体的运行环境中，由于不同型号阀门的口径不同，针对不同的阀门装置要有不同的初始位置；另外，电动执行系统在装配和使用条件也不尽相同，所以也就要求执行机构的零点（初始位置）可以在一定范围内进行调节。以便和不同口径的阀门配合使用，同时也可以适应不同的现场条件，增强了系统的通用性和适应性。第四部分电路为调行程电路。此电路用于
39、指定执行机构的运动范围。执行机构在不同的运行环境下，给定信号的量程都是相同的，但需要执行机构动作范围不一定相同，这样要在具体的运行环境中设定执行机构的最大动作范围。第五部分电路为调节灵敏度的行程电路。此电路用于执行机构运行过程中开度设定信号与位置反馈信号比较时认为二者相等所允许的相对误差。系统在运行过程中要实时采样开度设定信号和反馈信号，并比较其大小。当反馈量小于开度设定量时，电机正方向转动；当反馈量大于开度设定量时，电机向反方向转动；若反馈量等于开度设定量，则电机停止转动。由于采样的不连续性，要使二者绝对相等不太可能。为此，应引进一偏差，即灵敏度。当：/开度的设定值反馈量/灵敏度，则认为开度
40、设定量和反馈量二者相等。此五路模拟电压值输入到A/D转换器中。当80C196KC单片机发出采集信号时，A/D转换器便开始逐一的进行转换，并发出信号给单片机，以示转换结束。然后将五路8位二进制数据分别存入80C196KC单片机的数据存储器中，等待单片机发出指令，对其进行逻辑运算，进而控制两相伺服电动机的正反方向的运行和停止。A/D转换是逐次逼近转换，逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零,转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为Uc，与送入比较器的待转换的模拟量Ux进行比较，若UcUx，该位1被保留，否则被清除。然后再
41、置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的Uc再与Ux比较，若UcUx,该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。图3.1数据采集模块图3.2逐次转换过程图A/D转换器主要性能指标：分辨率，稳定时间（又称转换时间），转换精度。（1）转换时间和转换速度：是ADC 完成一次转换所需的时间，转换时间的倒数即为转换速率。（2）分辨率：ADC 转换器的量化精度，习惯用输出二进制位数来表示。（3）转换精度：ADC 转换器的转换精度定义为一个
42、实际ADC 转换器在量化值上的差值，可用绝对误差或相对误差表示。A/D转换的方法有多种，各种不同的方法具有不同的精度和转换速度，适用于不同的场合。计数器式转换方法硬件简单但转换速度慢;双积分转换方法精度高、抗干扰能力强，速度也很慢;逐次比较A/D转换方法是较快速的转换方法，很适用于我们这个系统，因为它对A/D的要求是中速度、中精度。Inte180C196KC单片机集成的A/D转换器，是由一个8通道的模拟多路转换开关、一个采样保持电路、一个10位逐次逼近型A/D转换器、A/D命令寄存器、A/D结果寄存器和控制逻辑组成。结构框图如图3.3所示。 图3.3 80C196KC内部A/D转换结构框图8通
43、道A/D转换器其输入引脚是与P0.0P0.7共享的ACH0ACH7，其中ACH7可作外部中断源用。80C196KC的A/D转换器还具有如下的特点:(l)转换的方式可以选择为10位也可以选择8位;(2)采样窗口和采样时间都可以用软件设置。本系统选择10位A/D转换方式。因为CPU的晶振频率较高(16MHz)，所以不能象80C196KC那样只靠接入或不接入时钟定标器来确定采样和转换所需的时间，可以通过A/D时间寄存器AD_TIME来确定，该寄存器的格式如图3.4所示。A/D总转换时间T的确定: SAMCONV图3.4 A/D时间寄存器T=4*SAM+B(CONV+l)+2.5(状态周期), B表示
44、转换位数，B=10; 1+4*SAM是采样时间;1.5+B(CONV+l)是转换时间。对于本系统来说，要求控制周期尽可能短，所以如果采用通常所用的用定时器1进行定时采样的方法，程序将会复杂化。在此，我们采用HSO CAM锁定功能进行周期的、重复的产生A/D转换的命令，用定时器2作为HSO的时间基准，在A/D转换结束中断子程序里读出转换的结果，并给出下一次A/D转换的通道号。这样就做到了A/D转换程序简单明了。程序清单如下：MOV WSR，#1 ；窗口1MOV IOC3，#1 ；T2采用内部时钟MOV AD_TIME，#0A8H ；设定A/D转换时间MOV WSR，#0 ；窗口0MOV IOC2
45、，#01001000B ；*选通C枷锁定功能MOV AD_COMMAND，#0 ORL IOC2，#080H ；清除整个CANMOV IOC2，#048H ；允许HSO锁定功能MOV HSO_COMMAND，#0CEH ；锁定T2复位命令MOV HSO_TIME，#AD_PERIOD ；设置T2复位周期 NOPNOPNOPNOPMOV HSO_COMMAND，#0CFHMOV HSO_TIME，#T_ACH0 ；设置启动0通道转换的时间NOPNOPNOPNOPMOV HSO_COMMAND，#0CFHMOV HSO_TIME，#T_ACH1 ；设置启动l通道转换的时间RET3.4 功率放大模块
46、当单片机发出控制信号给电动机时，其信号很微弱，需要功率放大模块进行放大，然后再输出电流信号给两相伺服电动机以控制其正反转运行。在系统设计时，使用两个光电耦合器与两个可控硅组成功率放大电路，如图3.9所示。这种接法可以保证当单片机的两个I/O 口（Pin1 和Pin2）的输出分别为低电平时，电机可能在两个方向上分别导通（注意：Pin1 和Pin2 不能同时为低电平）。其中光电耦合器起到隔离高、低电压的作用；可控硅作为驱动电机的固态继电器使用，可使交流220 伏的电压直接加到了两相交流伺服电机上，减少了电压损耗，提高了执行机构的响应速度。 在此模块中，主要组成的元器件为固态继电器。下面将介绍固态继电器的工作原理。固态继电器利用电子元件（如可控硅，双向晶闸管等半导体器件）的开关特性，可达到无触点的接通与断开电路，是一种无触点开关，它尤其具有工作可靠，无触点，无火花，寿命长，无噪声，无电磁干扰，开关速度