正文选题背景在现代过程控制领域中，阀门电动控制机构得到广泛应用，与我们的日常生活更是密不可分。

阀门电动控制器是阀门执行机构的核心部件。

在水利、电力及化工等行业，不同种类的阀类，如截止阀、闸阀、蝶阀等得到了最广泛的应用。

在对阀门实现远程控制、集中控制和自动控制的过程中，阀门电动执行机构是一种必不可少的执行部件。

随着能源、化工、钢铁和建筑等现代工业高速发展以及与其有密切联系的水、汽、油等流体在工业上的应用，管道系统中的电动阀门在生产中发挥着重要作用，因而对阀门电动执行机构的功能和使用要求也不断的提高。

要实现管网系统的工业自动化管理，更是离不开电动阀门这个管网系统中的执行机构。

近年来，在满足各方面高参数新要求的同时，对阀门执行装置的结构、材料和生产工艺等方面，对如何做到更好地提高性能、可行性及降低成本等也予以密切关注。

智能阀门执行装置在与传统旧式阀门执行装置的比较中，因其具有应用方便、灵活性和控制精度高、结构紧凑、有可靠的故障处理机制和及时的报警机制、人机界面友好等优点得到广泛的应用，并且其所具有的优异先进的总线通讯能力，完全满足了日益高速发展的自动化系统需求。

1 主要任务设计一个基于单片机的小型电动阀门控制器，本控制器根据仪表输入信号（4～20mA）的大小来改变对应的电动阀门开度。

三位数码显示阀门开度，报警指示阀门故障和电机温度故障，具有阀门全关、全开的限位保护和电机的温度保护功能。

4～20mA信号输入，开关量信号输出，抗干扰能力强，以满足现场使用要求。

2 设计思路电动阀门一般是根据仪表信号来控制小型双向伺服电机的正反转，之后经过减速机和涡轮蜗杆来改变阀门开度的。

阀门开度是否到位可通过位置传感器反馈得知。

阀门限位信号来自阀门内部安装的两个小型微动开关。

阀门开度信号来自阀门联轴器上的5K电位器。

如果阀位反馈信号与控制值有较大的偏差，则认为阀门出现故障，用发光二极管指示报警。

电机温度信号来自其内部安装的温度传感器（AD590），温度高于70℃时发光二极管指示灯报警并停止动作。

小型双向伺服电机为220V AC，6A。

控制电机的正反向可用小型继电器或固态继电器来完成。

3 技术要求1)如果阀位反馈信号与控制值有较大的偏差，则认为阀门出现故障，用发光二极管指示报警。

电机温度信号来自其内部安装的温度传感器（AD590），温度高于70℃时发光二极管指示灯报警并停止动作。

2)电机温度信号来自其内部安装的温度传感器（AD590），温度高于70℃时发光二极管指示灯报警并停止动作。

4 系统框图本文所设计的智能电动阀门控制器系统框图如图3-1所示。

控制器接收上位控制系统4 - 20mA 给定信号和阀门位置的反馈信号，组成闭环系统去控制电机双向运动。

电机的运动通过减速器最终带动阀门运动，使它稳定在所需的位置上。

同时控制器将位置信号变换为4 - 20MA 反馈给上位控制系统。

另外增加了RS - 485 通信接口。

图3-1 系统框图RS485的功能介绍：RS-485总线,在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。

加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。

RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。

RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。

应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器4 硬件电路的设计4.1 单片机的选取从单片机开发周期及成本的角度考虑，本控制采用89C55WD单片机为核心。

89C55WD 是一个低功耗、高性能CMOS8位微处理器,带有20K片内可编程闪存，256字节的RAM。

最重要的是其内部有一个可编程控制的看门狗电路，非常适合于工业控制应用。

4.2 A/D转换电路本系统阀门位置信号，4-20mA控制信号均是模拟信号，单片机要得到这些信号必须经过模数转换器把模拟信号转换为数字信号。

经过综合比较和查找，选用价格低廉、产品量大面广、的Microchip公司逐次逼近型12位A/D转换器MCP3204，下图展示的是MCP3204在本系统中的应用电路。

图中的J6是阀门位置反馈信号，J1是4-20mA控制信号，经过R31转换为电压信号，再经过LM324构成的信号跟随电路输入A/D转换芯片。

U33是LM336-5芯片，为转换芯片提供基准电压。

具体电路如下图所示。

图4-2 A/D转换电路图MCP3204工作原理介绍：MCP3204主要由输入通道选通开关、采样保持单元、数据转换器、比较器、12逐次逼近寄存器、控制逻辑单元和移位逻辑单元组成，转换原理是：通过比较器，利用已知标准电压和被测电压进行比较，当二者相等时，则标准电压即为转换结果。

每次进行转换的通道号通过控制逻辑选取，而转换后的二进制数据则通过移位寄存器串行输出。

下图为MCP3204功能框图。

MCP3204功能框图4.3 D/A转换电路本系统要实现与传统的模拟系统兼容，就必须要通过D/ A 转换电路将单片机中的数字阀门位置信号转换为电压或电流信号。

最后再转换为4- 20mA 电流输出. 选择线性度、转换速度、分辨宰等符合要求，价格低廉的DAC7512 , 它在本系统中的应用电路如图4所示。

图中U43 是LM336- 5 芯片，为D/ A转换芯片提供基准电压。

图4-3 D/A转换电路图DAC7512介绍：TI公司推出的DAC7512器件是低功耗，单通道，12位缓冲电压输出模数转换器，在器件内部集成了高精度的输出放大器，允许达到轨对轨的输出摆幅。

采用通用的三线串行接口对器件进行操控，时钟速率可达30MHz，兼容于标准的SPITM 、QSPITM 、Microwire™和DSP接口。

正常工作状态下DAC7512在5V电压下的功耗仅为0.7mW，因此。

低功耗的DAC7512得到了广泛应用。

下图为DAC7512组成框图，图中输入控制逻辑用于控制DAC寄存器写操作，掉电控制逻辑与电阻网络一起用来设置器件的工作模式。

DAC7512结构框图4.4 阀门位置反馈输出电路阀门开度是控制系统中需要精确控制的量。

本方案采用多圈阀位电阻测定其行程。

它实际上是一个导电橡胶电位器。

本控制器根据仪表输入信号（4～20mA）的大小来改变对应的电动阀门开度。

阀门开度是否到位可通过位置传感器反馈得知。

这里我们采用专用芯片AD694,原理图如下：图4-4 AD694原理图4.5电机正反转的控制采用固态继电器来控制电机的正反转。

如下图：图5-3 继电器控制电机正反转4.6 通信电路在此环节为了完成工业现场远程控制和组网的需要, 系统支持RS485通讯方式。

电平转换芯片采用MAX485。

实际工作时, 可以与上位机进行远程通讯, 进行运行方式设定并监控运行状态, 如图所示:图4-6 通信电路4.7 阀门限位信号原理阀门限位信号来自阀门内部安装的两个小型微动开关。

阀门开度信号来自阀门联轴器上的5K电位器。

4.8 显示电路控制器的液晶显示部分设计采用128*64的图形点阵液晶显示模块MCG12864-1。

点阵为128X64, 外形尺寸93X70X10mm,视窗尺寸70.7X38.8mm, 功丑, 能显示各种字符和图形。

可与CPU直接接口, 具有8位标准数据总线, 逻辑工作电压5V。

由于C8051F005的引脚电压为3.3V, 因此要接上拉电阻。

如图所示：图4-7 显示电路5软件设计5.1系统的故障报警如果测得阀位反馈信号与控制值有较大的偏差，则认为阀门出现故障，用发光二极管指示报警。

电机温度信号来自其内部安装的温度传感器（AD590），温度高于70℃时发光二极管指示灯报警并停止动作。

软件要完成系统初始化的设置，模拟量的采集和比较，控制模块等。

初始化模块主要完成单片机系统及外设的初始化；模拟量的采集和比较主要是检测由真空度变化产生的变化，决定是否中断，运行关阀子程序。

控制模块主要是运行关阀子程序，控制阀门的开关。

软件的主要流程是：系统启动后，首先进行单片机和外围器件的初始化，接着对P1和P0口进行置位，对数据进行比较和判断，当符合条件时，允许外部中断，跳转到中断服务子程序，启动关阀子程序。

陷入循环，发出报警，等待处理。

6设计体会与方案特点6.1 体会对于此次课程设计，刚接到题目有点茫然，我就开始上网搜索资料，去图书馆查阅相关书籍，有了初步的思路，再经过和同学的相互探讨，各种途径，各种努力，花费了一周的时间最终圆满完成设计。

在课程设计的过程中，我首先熟悉了电动阀门控制器的工作特性及原理，初步有了一个概况，首先有俩个大的模块需要设计：硬件设计和软件设计。

硬件需要哪些器件，具体分为几个小的部分，然后就对各个小的模块进行设计，化整体为部分，化复杂为简单。

最终完成了设计要求。

在做课设的过程中我们遇到了些困难，最后通过查资料，和同学相互讨论，最终解决了这些难题。

通过不断分析，思考以及对电路进行思考，发现问题，不断改进，从而将电路设计的更好。

这次的课程设计巩固并综合了我所学过的理论知识，尤其是plc控制和过程控制的知识有所应用，也给我培养了一种良好的习惯，事实说明百度很强大，身边的资源要合理运用，不能浪费。

我的自主学习能力以及实践创新能力也变相的得到了培养。

经过不懈努力，本电动阀门控制器已经完成了硬件设计，经过现场的实验调试，证明系统总体设计方案正确、可行，并取得了良好的预期效果。

6.2 本方案特点及存在问题本方案特点是实现比较简单，但问题是可靠性与精度可能存在一定问题。

7 元件清单器件型号用途介绍数量AD590 温度传感器 1C8051F005 单片机 1KM 继电器10LM358M A/D转换器 1LM336-5 提供基准电压 1 R 电阻 6 DAC7512 D/A转换器 1 AD694 位置传感器 1 FU 熔断器 2 LED 发光二极管 2 LCD 数码管 3 双向伺服电机 1。