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免费下载毕业设计-基于ATmega16单片机的阀门定位器设计与开发

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资料简介

毕业设计-基于单片机的阀门定位器设计与开发,共38页,18834字,附外文翻译、答辩PPT、原理图
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

Design and Development of Valve Positioner Based on MCU
ABSTRACT
The valve as a executing agency adjust the medium flow of pipeline system,it is an very important implementation,and valve positioner is the one of main annex.Domestic traditional locators are mainly composed of force balance type, so when the stroke and the zero point adjustment needs to adjust repeatedly, set-up, single function, poor scalability. And abroad intelligent valve positioner is expensive. Realizes the digitalization, intelligent diagnosis and unattended intelligent valve positioner very urgently. is according to the actual needs of this, this paper expounds the independent development of valve positioner of the working principle and design process involved in the basic knowledge, and the key links are analyzed in detail.
The ATmega16 is core of valve positioner in control system as the paper described, display circuit,RS485 interface converter ,as well as power supply,reset circuit,I/V conversion circuit,alarm and other components composed of the basic control system hardware structure. In that, process control can come true through the combination of grey predication and PID which can adjusted parameters by itself bases on fuzzy control.Grey precdication can play the action of ahead control,fuzzy self-tuning PID can make the system online and real-time control.The control combination of grey predication and fuzzy self-tuning PID can accurate spool positioning,to achieve closed-loop control of the valve work.The system would run by software supported in C language.Of course,other hardware using C language software program support for a variety of electrical signal can be processed.
The experiments show that the design of intelligent valve positioner is feasible.Compared to the domestic traditional valve positioner ,the locator has control of high precision,easy adjustment,low energy consumption and for a wide range of characteristics,while the positioning device has a certain ability to think and solve,it can display valve position and fault alarm by itself.
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
毕业设计小结 31
附录 设计原理图 32

研究内容
本论文的研究中,主要的研究内容为以下几方面:
(1)深入了解传统控制器的结构和工作原理,并分析其不足。并了解气动阀门控制器的特点;
(2)查阅相关数据,对智能阀门定位器的系统进行总体设计,然后对系统中的芯片进行选材;
(3)在系统设计中应用单片机和I/V转换;
(4)对单片机输出的TTL电平信号进行RS-485标准转换,使单片机控制系统能与上位机进行串口通讯;
(5)对系统的后向信道、键盘、显示电路、看门狗电路以及复位电路、报警等电路进行设计、制作;
(6)将模糊自适应PID控制技术应用到系统中,使人们可以根据相应的经验知识做出相应的决策;
(7)对整个电路进行程序的编写,以实现控制系统的各种功能和实现控制系统的控制策略。
1.2.3 设计的关键技术
设计中可能遇到的问题如下:
(1)由于系统对控制精度要求很高在全行程的0.5%。另外现场有电磁和噪声的干扰以及要求系统的尺寸在满足系统功能的情况下尽可能的小且造价少。
(2)进入调节阀气室的气压随环境温度和供气压力的变化而变化,被控过程难以建立准确的数学模型。现场有电磁、噪声和电路板的干扰。
解决的方法:采用模糊自整定PID控制技术可以得到很好的控制效果、电源进线端接电解电容和集成芯片配置瓷片电容可以减少干扰且挑选性价比高的芯片。
1.3 预期成果
本论文的研究中,主要完成以下几方面工作:
(1)控制精度要很高,智能阀门定位器以微处理器为核心,设定信号与实际阀位的比较是数字比较,不易受影响,提高了精度和可靠性;
(2)调整方便,适用范围广,满足各类阀的要求;
(3)现场阀位和设定阀门的显示以及故障报警;
(4)遥控功能的实现;
(5)通讯功能:可以将单片机所采集的数据经处理后传送到上位机,使工作人员随时监控现场调节阀的工作情况;
(6)能耗低:定位器空气泄漏小,在执行器处于稳定状态时,将气源切断,能耗低;
(7)故障报警和现场阀位的显示。
1.4 本文的主要内容
本文共包括七章:
第一章:绪论。阐述阀门定位器的原理、发展以及现状,在此基础上提出要研究的内容和关键技术,总结要做的工作。
第二章:总体方案的设计。介绍了本设计的软、硬件构成及整体设计方案,并在此基础上提出了降低系统功耗的措施,使系统工作的绿色环保。
第三章:系统硬件设计。硬件设计主要围绕微处理器即单片机的选型、I/V转换、显示电路、接口电路、键盘、遥控器等技术难题作了一定的研究工作,提出了相应的解决方案。
第四章:系统软件设计。系统软件采用模块化设计,介绍了主程序、控制程序、通讯程序等。
第五章:控制策略。模糊自适应PID的阐述,详细介绍了本系统的控制策略。
第六章:工作总结。

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