【正文】 很簡(jiǎn)單，由閥體和閥芯兩部分構(gòu)成。電路設(shè)計(jì)圖如圖 。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 根據(jù)上一節(jié)的介紹， 通過 使用 ULN2022 芯片 可以不用單獨(dú)設(shè)計(jì)功率放大電路，大大簡(jiǎn)化了電路的結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)也提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 。如果該腳接地，實(shí)際上就是達(dá)林頓管的集電極對(duì)地接通。 引腳 9：該腳是內(nèi)部 7個(gè)續(xù)流二極管負(fù)極的公共端，各二極管的正極分別接各達(dá)林頓管的集電極。 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 18 頁 共 44 頁 圖 ULN2022芯片引腳圖 ULN2022芯片各引腳 介紹如下： 引腳 17： CPU脈沖輸入端， 每個(gè) 端口對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)輸出端。 ULN2022 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá) 500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。 ULN2022 芯片介紹 ULN2022是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由七個(gè)硅 NPN 復(fù)合晶體管組成 ，多用于單片機(jī)、智能儀表、 PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中 ， 可直接 驅(qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載 ， 具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn) ,適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。硬件電路設(shè)計(jì)如圖 。本設(shè)計(jì) 選取 的 數(shù)碼管 是 四位八段共陰數(shù)碼管 ， 采用的是動(dòng)態(tài)掃描顯示，因此 需要與 單片機(jī) 連接 有 8個(gè) 段碼數(shù)據(jù)輸出 I/O接口， 4 個(gè)位碼控制 I/O接口。動(dòng)態(tài)掃描顯示法是把所有顯示器的 8 個(gè)筆畫段 a～ h的各個(gè)相同端互相連接在一起，接到一個(gè)輸出口上，而顯示器的公共端 COM分別接在另外的輸出口上，通過這兩個(gè)輸出口的兩組信號(hào)相互作用來產(chǎn)生顯示效果 ， 即讓各位數(shù)碼管按照一定順序輪流顯示， 顯示時(shí)間不能太長(zhǎng)．一般為 1～ 10Ms，依次循環(huán)掃描，輪流顯示， 由于人眼的“視覺暫留”現(xiàn)象，就觀察不到閃爍現(xiàn)象，而是連續(xù)穩(wěn)定的顯示 ， 其特點(diǎn)在于能顯著降低顯示部分成本，大大減少顯示接 口 的連線結(jié)構(gòu)，易于編程 [21][23]。 所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示 器的各筆畫段都要獨(dú)占具有鎖存功能的輸出口， CPU把要顯示的字形碼送到輸出口上，就中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 16 頁 共 44 頁 可以使顯示器顯示出所需要的字符，直到下一次送出另外一個(gè)字形碼之前，顯示的內(nèi)容不會(huì)消失。一般的顯示電路由多個(gè)數(shù)碼管構(gòu)成， N 個(gè)數(shù)碼管可以構(gòu)成 N位 LED 顯示器，共有 N根位選線和 8N根段選線。 ” )，每個(gè)發(fā)光二極管的陰極連在一起，如圖 。 LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分為七 段和八段兩種形式，也有共陽和共陰之分。 圖 矩陣鍵盤電路 數(shù)碼管顯示電路 數(shù)碼管工作原理簡(jiǎn)介 在單片機(jī)系統(tǒng)中，常用 LED數(shù)碼管來顯示各種數(shù)字或符號(hào)。 如圖 ，采用 4條 I/O線作為行線， 3條 I/O線作為列線組中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 15 頁 共 44 頁 成的鍵盤 陣列 ，按鍵設(shè)置在行線和列線的交叉點(diǎn)上，這樣就構(gòu)成了矩陣式鍵盤。 單片機(jī)的復(fù)位和時(shí)鐘電路如圖 。 在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的晶振頻率選擇的是 。 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 14 頁 共 44 頁 3 數(shù)字流量閥的硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)的復(fù)位和時(shí)鐘電路 由 ， 完成單片機(jī)的復(fù)位初始化需要在單片機(jī) RST（ 9引腳）輸入連續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平 ， 而單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)是由晶振提供的， 他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供 的時(shí)鐘頻率。 表 28BYJ48型步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 電壓 V 步距角度 減速比 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 起動(dòng)頻率 定位轉(zhuǎn)矩 噪聲 dB 12V :64 ≧ 300 ≧ 550 ≧ 300 ≦ 35 根據(jù)流量計(jì)的尺寸大小以及設(shè)計(jì)條件，選擇這一型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)可以滿足控制閥門的 要求。 ） ，其 四相八拍驅(qū)動(dòng)方式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖 。 ），雙（雙相繞組通電）四拍（ ABBCCDDAAB當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。當(dāng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷 的控制脈沖時(shí)，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為 ， 目前 這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛 [20]。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī) 有四種，包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（ VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（ PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（ HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等 [17][19]。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差 (精度為 100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制 ， 在非超載中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁 共 44 頁 的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度 (稱為 “ 步距角 ”) ，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。 5% 使用溫度范圍 0～ 120℃ 使用壓力范圍 ≦ 表 ZLFE4電氣參數(shù) 使用電壓 ～ 12VDC 額定電流 10mA 最大輸出控制電壓 24VDC 最大輸出控制電流 15mA 根據(jù)上表的參數(shù)可以看出，此流量傳感器可以滿足設(shè)計(jì)的要求 ，而且其輸出信號(hào)是 脈沖信號(hào)（方波，高電平大于 4V，低電平小于 ） ，不需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換即可直接輸入到單片機(jī)， 它 主要應(yīng)用 于 水控機(jī)、凈水機(jī)、自動(dòng)流量控制機(jī)械等 領(lǐng)域，所以 本 課題數(shù)字流量控制閥的流量 傳感器選擇的是 ZLFE4型渦輪流量計(jì)。 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁 共 44 頁 ZLFE4 流量計(jì) 基本參數(shù) ZLFE4流量計(jì) 的流量參數(shù)和電氣參數(shù)如表 。 電磁 式 ： 優(yōu)點(diǎn)是適用于測(cè)量含固體顆粒的液固二相流體 (如紙漿、泥漿、污水等 )，沒有壓力損失，所測(cè)體積流量不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導(dǎo)率的影響，測(cè)量范圍大，口徑范圍寬，測(cè)量精度比較高，可測(cè)量瞬時(shí)脈動(dòng)流量；缺點(diǎn)是：它不能測(cè)量電導(dǎo)率很低的液體 (如石 油制品 )，不能測(cè)量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體，不能用于測(cè)量較高溫度的介質(zhì)，易受外界電磁干擾 [12][16]。 渦輪 式： 優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流通能力大，可適應(yīng)高溫、高壓和低溫的測(cè)量需要，測(cè)量精確度較高， 測(cè)量范圍 寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，壓力損失較小；其缺點(diǎn)是對(duì)被測(cè)介質(zhì)清潔度要求較高 , 不能長(zhǎng)期保持校準(zhǔn)特性，流體的溫度、黏度、密度對(duì)測(cè)量精確 度有較大影響，適宜測(cè)量比較潔凈的低黏度液體。 按照目前最流行、最廣泛的分類法 ,常用的流量傳感器有容積式、渦輪式、差壓式、電磁式等 。 常用流量傳感器的介紹 流量測(cè)量方法和儀表的種類繁多 , 分類方法也很多。 根據(jù) 上述引腳介紹和前面 的總體方案設(shè)計(jì) ，可以對(duì)單片機(jī) I/O 接口引腳進(jìn)行分配， P0 口 作為數(shù)據(jù)輸出口連接數(shù)碼管的段碼， 傳輸顯示數(shù)據(jù)， P1 口作為矩陣鍵盤行列線 的 數(shù)據(jù) 輸入接口， 用來連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路， 控制步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng) ， ，另外 腳即定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0 的外部輸入引腳，與流量傳感器的數(shù)據(jù)輸出口連接，用來接收流量數(shù)據(jù)。 XTAL1（ 19 引腳）：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令， EA 應(yīng)該接 VCC。為使能從 0000H 到 FFFFH的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令， EA必須接 GND。當(dāng) STC89C52RC 從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)， PSEN 在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， PSEN將不被激活。在 Flash編程時(shí)，此引腳也用作編程輸入脈沖。當(dāng)輸入連續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)為有效，用來完成單片機(jī)單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。 P3 口除作為一般 I/O 口外，還有其他一些復(fù)用功能， 如 表 。 P3 做輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸入一個(gè)電流。 P3的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL輸入。在對(duì) Flash ROM編程和程序校驗(yàn)期間， P2也接收高位地址和一些控制信號(hào)。在訪問外部程序存儲(chǔ)器和 16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2送出高 8位地址。對(duì)端口寫入 1 時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時(shí)可用作輸入口。 P2 端口（ ～ ， 21～ 28 引腳）： P2 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻 的 8 位雙向 I/O 端口。 P1 口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。 P1的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL 輸入。在 Flash ROM 編程時(shí)，P0端口接收指令字節(jié) ， 而在校驗(yàn)程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)，要求外接上拉電阻。作為輸出端口，每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng) 8個(gè) TTL負(fù)載，對(duì)端口 P0寫入“ 1”時(shí)，可以作為高阻抗輸入。 VSS（ 20引腳）：接地 。 STC89系列 單片機(jī) 是國(guó)產(chǎn)芯片，價(jià)格比較便宜，與其他品牌單 片機(jī)相比性價(jià)比高， STC89C52RC 參數(shù)和性能均滿足本課題的要求，而且該單片機(jī)通用常見，運(yùn)用廣泛，因此選擇 STC89C52RC單片機(jī) 作為數(shù)字流量閥的控制核心?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 STC89C52RC 單片機(jī) 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8K 字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM， 32 位I/O 口線， 看門狗定時(shí)器 ，內(nèi)置 4KB EEPROM， MAX810復(fù)位電路，三個(gè) 16位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6向量 2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。 圖 8051 單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 STC89C52RC 單片機(jī)簡(jiǎn)介 STC89C52RC 單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速 、 低功耗 、 超強(qiáng)抗干擾的 高中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 7 頁 共 44 頁 性能 CMOS8位 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051單片機(jī)， 是 8051 系列 單片機(jī) 的增強(qiáng)型 一種 。它們的結(jié)構(gòu)基本相同，其主要差別反映在存儲(chǔ)器的配置上 ，其中 80C51 內(nèi)部設(shè)有 4KB的掩膜 ROM程序存儲(chǔ)器 ， 51增強(qiáng)型的程序存儲(chǔ)器為普通型的 2倍 [9] [11]。這些兼容機(jī)與 8051的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，采用 CMOS工藝，因而常用 80C51系列來稱呼所有具有 8051指令系統(tǒng)的單片機(jī)，簡(jiǎn)稱 51系列單片機(jī)。 近些年來，世界上很多大半導(dǎo)體公司都生產(chǎn)以 8051 為內(nèi)核的單片機(jī)，如ATMEL/PHLIPS/SST 公司的 AT89/P89/STC89 系列。盡管單片機(jī)的種類很多， 但是在我國(guó)使用最多的是 Intel 公司的 MCS51 系列單片機(jī)及其增強(qiáng)型、擴(kuò)展型 的衍生機(jī)型。 MCS51 系列單片機(jī)概述 20世紀(jì) 80 年代以來，單片機(jī)的發(fā)展 非 常迅速。 單 片 機(jī)最 小 系 統(tǒng)流 量 傳 感 器鍵 盤 模 塊顯 示 模 塊執(zhí) 行 模 塊 圖 系統(tǒng)模塊框圖 單片機(jī)的選擇 單片機(jī) 是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，其主要作用是接收來自流量傳感器的信號(hào)，通過相應(yīng)的運(yùn)算和處理，輸出數(shù)字信號(hào)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行 控制，所以選取合適的單片機(jī)對(duì)于整個(gè)數(shù)字流量閥的正常工作至關(guān)重要。其中輸入部分主要用來設(shè)定給定流量值和輸入當(dāng)前管道流量大小， 所以輸入部分包括兩個(gè)模塊即流量傳感器輸入模塊和鍵盤輸入模塊；控制部分是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，本課題用單片機(jī)最小系統(tǒng)作為系統(tǒng)的控制模塊；輸出部分的作用是顯示設(shè)定的流量值和當(dāng)前管道流量大小，以及控制 閥門工作，本課題擬采用數(shù)碼管作為顯示器，用步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng) 來控制閥門 即增量式數(shù)字閥 ， 所以輸出部分包括顯示模塊和執(zhí)行模塊。本課題對(duì)于數(shù)字流量控制閥的研究設(shè)計(jì)只是作為基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)，利用單片機(jī)作微處理器，力爭(zhēng)用最低的成本和最簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)，而且易于控制來實(shí)現(xiàn)數(shù)字流量控制閥的功能。利用智能化控制閥（數(shù)字式閥門定位器）自帶閥位（行程）、輸出、氣源等參量傳感器直接進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以故障識(shí)別、邏輯思維推理、魯棒性的廣義專家系統(tǒng)進(jìn)行在線預(yù)測(cè)性維護(hù)，提升并維持了性能，減少了運(yùn)行故障和提高了使用壽命，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 而高速開關(guān)數(shù)字閥 即電磁閥，其 應(yīng)用到目前為止已經(jīng)很多，從數(shù)量看已超過增量式數(shù)字閥 ， 但其性能的提高至今仍處在研發(fā)過程 ， 在上世紀(jì)八十年代，浙江大學(xué)、北京理工大學(xué)等院校就進(jìn)行了很多的 相關(guān)研究 [7]。 按照閥門的種類，數(shù)字閥主要可以分為兩類： 增量式數(shù)字閥與高速開關(guān) 式 數(shù)字閥。利用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件時(shí)，控制模塊根據(jù)所測(cè)的流量與給定流量比較，決定閥芯動(dòng)作方向，并發(fā)出控制脈沖，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使其帶動(dòng)閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)，通過改變節(jié)流面積，即可達(dá)到控制出流量的目的 [5] [6]。 數(shù)字流量控制系統(tǒng)的核心部件是微處理器，現(xiàn)在大多 采用與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS5l 指令集和輸出管腳相兼 容的 MCS51 系列單片機(jī) [5]。 流量計(jì)是 指示被測(cè)流量和 在選定的時(shí)間間隔內(nèi)流體總量的儀表 ， 簡(jiǎn)單來說就是用于測(cè)量管道或明渠中流體流量的一種儀表 。 例 如在供