毕业设计与论文基于msp430单片机智能阀门控制器的硬件设计

毕业设计与论文基于msp430单片机智能阀门控制器的硬件设计内容摘要：

故障发生时直接切断该机构在电气控制回路中的对应常闭触点来断开电机电源的方式。 由电机来带动阀门的开闭及整个过程。 本课题由故障检测和开度控制两部分组成， 故障检测包括相序检测及自动调整环节、断相检测环节、电机过热检测环节及极限位置检测等，开度控制包括控制电机正反转环节和开度显示环节等，主 要功能包括本地控制和远程控制两个方面，本地控制使用旋钮控制电动执行器开度，远程控制使用 420mA标准信号控制执行器开度，输出需要显示电机开度，同时使用指示灯显示电机状态。 通过传感器实现行程和转矩控制机构实时采集行程和转矩信息并以电信号的形式传至 MSP430单片机并 分析处理， MSP430单片机 根据处理结果实时刷新开度指示模块的开度显示，并通过电机驱动模块控制电机的正转、反转和停止；状态检测模块在系统上电后即对电机电源的相序正反、是否缺相、电机温度过热等状态实时监控，异常时向 MSP430单片机 发出相应的故障 信号， MSP430单片机 及时做出故障处理（如通过电机驱动模块使电机停止等），并通过开度指示模块显示故障报警信息。 天津理工大学中环信息学院 2020 届本科毕业设计说明书 6 第二章 调节型 电动执行器控制阀门的总体设计 本章分析了国内普通阀门电动装置对阀门位置控制（简称行程控制）和阀门转矩控制（简称转矩控制）机械开关式控制机构的结构以及普通阀门电动装置控制器的功能特点，针对 调节型 非侵入的要求从总体设计上提出了 调节型 阀门控制器系统的解决方案。 引入微机控制技术、传感器技术和电子技术，分别利用绝对值光电编码器和测力传感器替代行程控制机构及转矩控制机构实现 对行程和转矩信号的连续采集，并提交单片机系统构成的 调节型 中央处理单元分析处理，同时也通过各种处理电路丰富和完善了故障检测和报警功能及远程开关控制和状态联动功能，提供了人性化的 LCD汉字显示界面，并使结构上达到了操作时非侵入的要求，使得该 调节型 阀门控制器实现了对信息采集的数字化，控制处理的精确化，人机交互的人性化、 调节型 化以及操作设置的安全化。 普通阀门电动装置对于行程和转矩的控制均由机械开关式行程和转矩控制机构实现。 如图 ，包括机械开关式行程控制机构、可调 式开度指示器和机械开关式蝶簧组及转矩控制机构，用以控制阀门的开启、关闭及阀门位置的开度指示和开关阀门过程中的转矩保护。 图 普通阀门电动装置结构示意图 Fig. Structure of ordinary valve 天津理工大学中环信息学院 2020 届本科毕业设计说明书 7 机械开关式行程控制机构：由十进位齿轮组、顶杆、凸轮和微动开关组成 ，简称计数器。 其工作原理是由减速箱内的一主动小齿轮带动计数器工作。 如果计数器按阀门开或关的位置已调整好，当计数器随输出轴转到预先调整好的位置（圈数）时，则凸轮将被转动 90176。 ，压迫微动开关动作，切断电源，电机停转，以实现对电动装置行程的控制，为了控制较多圈数（多回转）的阀门，可调整凸轮转 180176。 或 270176。 再迫使微动开关动作。 同时其指针式阀门开度指示由可调式开度指示器实现，其由减速齿轮组、调节齿轮、阀门开度表盘、凸轮、微动开关及电位器组成。 在现场调试时根据所配阀门开关的圈数，将调节齿轮调整到所需位置，并与减速齿 轮组啮合。 当阀门在开启或关闭过程中，开度盘经减速后转动，指示阀门的开度值，指示角度与阀门开度值同步。 机械开关式转矩控制机构：由曲柄、碰块、凸轮、分度盘、支板和微动开关组成。 当输出轴受到一定的阻力转矩后，蜗杆除旋转外，还产生轴向位移，带动曲柄旋转，同时使碰块也产生一定角位移，从而压迫凸轮，使支板上抬。 当输出轴上的转矩增大到预定值时，则支板上抬到直至微动开关动作，切断电源，电机停转，实现对电动装置输出转矩的控制。 通过以上描述可见，机械开关式行程和转矩控制机构存在着安装设置调整繁琐、控制精度不高，不易实现阀门 开度的电子式数字显示，转矩只能针对某个具体值进行控制，无法实现连续的采集和控制等弊端。 另外，普通型阀门电动装置是靠三相异步电机通过传动机构来带动阀门的启停，电机靠交流接触器控制，除电气控制回路外，还有各种保护电路，例如熔断器、热继电器、过转矩保护等。 这种阀门电动装置控制回路简单，可靠性较好，但所提供的故障信息较少，使用维护不便，也无法实现联动功能。 阀门控制器总体设计方案 阀门控制器设计要求 调节型 电动执行器是以单片机为核心的控制电路，要求其使用时性能稳定可靠、控制部分紧凑 合理、各功能单元既相互独立又互有接口、方便维修和在线扩展等优点。 具体设计要求如下： 1． 完成三相异步电动机的正转、反转、停止的控制。 ，防止电源间的短路。 3. 能实现对三相电源进行缺相、相序检测，避免因缺相带来的电机过热。 4 .接受开关量控制 :通过操作面板上开关或远程的开阀 /关阀开关控制，开关闭合时，电机立即启动，开关断开时，立即停止。 天津理工大学中环信息学院 2020 届本科毕业设计说明书 8 5. 完成对阀门开度检测，并进行反馈控制，同时实现变送 420mA电流信号信号输出。 6. 完成对阀门力矩检测，并进行反馈控制，检测阀门的 行程上 /下限和力矩上 /下限。 7. 控制面板上有本地、停止、远程三种模式选择开关和本地模式下开、关操作旋转开关。 在远程模式下，可进行模拟量和开关量控制。 8 .显示部分采用液晶背光型 ： 默认设置下可显示阀门开度、阀门力矩、故障报警代码、操作模式、电流大小。 在进行参数设定时，显示各种设置参数符号。 9 .电机的过热保护采用热保护器，电机内埋入 PT100热电阻，可用通过程序进行 (80，150℃ )内的任意温度设定，起电机保护作用。 10 .分辨率 :1%； 元器件选用工业级。 11. 具有较强抗干扰能力 (例如 :电磁干扰 、噪声干扰、温度影响 ) 阀门控制器功能分析 在充分理解和分析国外先进 调节型 阀门电动装置及其控制器的基础上，提出本设计中的 调节型 非侵入式阀门电动装置控制器应具有以下功能： 系统要求电机能够正转、反转和停转控制，因此系统采用了带互锁的继电器控制电机，并配合元件互锁，保证电机安全、可靠工作；在继电器进线端采用了光电耦合，实现强电与弱电的隔离，提高了系统的抗干扰能力。 为了实现对阀门开度的检测，系统需要检测阀门的转动位置，通过 420mA 标准信号转换传输到单片机，从而对电机开度进行实时的检测 ，实现电机的开度控制和显示。 为了实现对阀门力矩的检测，系统需要检测电机的三相电流，按照相应的换算关系间接检测力矩的大小。 由于开度和力矩值需要变送输出，因此系统要设计开度和力矩的变送模块。 为了实现远程模拟量的控制，系统需要检测远程模拟量值，经过 A /D 转换实现电动机在对应控制信号位置时停止。 另外设置的参数要在液晶屏上显示，系统还需要设计显示模块。 为了使系统在掉电后能够长时间工作，系统还需要选用一款低功耗单片机来检测和记录开度，其他电路都保持掉电状态。 针对电机内部温度过热的现 象，系统设计了温度检侧模块来实时检测电机的温度值。 调节型 阀门控制器基本原理 根据前面对普通阀门电动装置的结构、功能特点及 调节型 阀门控制器的功能要求的分析，本着对现有普通阀门电动装置结构上改动最小即可实现 调节型 化的原则，针对直接开关位置控制方式，开发实用的、符合我国国情的 调节型 非侵入式阀门电动装置控制器，用于驱动和控制多回转阀门装置，提出的总体设计方案如下： 本设计将微机控制技术、传感器技术和电子技术引入到阀门的控制系统中，改变了天津理工大学中环信息学院 2020 届本科毕业设计说明书 9 普通阀门电动装置中通过开关式控制机构（包括行程、转矩和故障检测机构） 在行程到位、过转矩或故障发生时直接切断该机构在电气控制回路中的对应常闭触点来断开电机电源的方式。 如图 ，在 调节型 阀门控制器中，以 调节型 中央处理单元为核心实现对单台阀门的控制，电机带动机械传动机构使电动装置运行，通过传感器实现的行程和转矩控制机构实时采集行程和转矩信息并以电信号的形式传至中央处理单元分析处理，中央处理单元根据处理结果实时刷新开度指示模块的开度显示，并通过电机驱动模块控制电机的正转、反转和停止；状态检测模块在系统上电后即对电机电源的相序正反、是否缺相、电机温度过热等状态实时监控，异常时向 中央处理单元发出相应的故障信号，中央处理单元及时做出故障处理（如通过电机驱动模块使电机停止等），并通过开度指示 模块显示故障报警信息；中央处理单元通过非侵入现场开关机构接受控制者对控制器的设置及操作信息，并通过控制其它模块做出相应的动作；远程功能模块通过与中央处理单元交互实现对系统的远程控制和状态采集。 以下分别对各个模块的设计方案和选型进行具体阐述。 图 调节型 阀门控制器总体框图 Fig. Intelligent valve controller general diagram 中央处理单元 如前所述，中央处理单元是 调节型 阀门控制器的标志与核心，支配系统各个功能模块协调地工作，检测各种工作状态信息和行程、转矩信息，处理后通过开度指示模块实时更新，接收用户输入的控制指令信息，控制电机动作，并根据状态异常情况发出各种报警信息。 因此，该模块利用可编程的单片机系统实现。 中央处理单元 电机驱动模块 M 状态检测模块 远程功能模块 开度指示模块 矩形控制结构 电动装置运行 行程控制系统 天津理工大学中环信息学院 2020 届本科毕业设计说明书 10 行程控制机构 为了实现中央处理单元对阀门开启位置的连续电信号采集，本设计采用金属膜精密电位器与阀门同轴作为行程控制机构。 当阀门关到位时对应电阻值最小，当阀门开到位时对应电 阻值最大。 在阀门的极限位置装有行程开关，避免电机在阀门到位时堵转，也避免在开 /关初始位处易出现的开关不严的现象。 转矩控制机构 目前用于阀门电动装置转矩控制的方式有：通过检测电机电流折算输出转矩；通过测力传感器计算输出转矩；通过绝对值编码器检测变形计算输出转矩。 结合当前阀门电动装置的特点，考虑到以电机电流方式控制转矩，会受到温度、电压等多种因素干扰，不易实现。 因此，本系统采用了极限位置转矩控制方式，即当开度达到满度时，通过位置开关强行停止转矩。 当开度未达到满度时，通过电机的启动、停止来控制转矩的运行。 开度指示模块 如前所述，传统的普通型阀门电动装置都是通过指针式开度指示机构来指示当前的阀门开度，阀门位置受视角因素以及人为因素的影响，本设计中使用液晶屏显示开度，直接接受中央控制单元发出的控制信号，通过液晶驱动模块的驱动，实现精度更高的数字化显示，同时还能提供给用户更加人性化的界面，除了开度显示外，用户可以通过该界面对 调节型 阀门控制器的工作方式和远程状态输出等进行设置，同时也可清楚地了解电动装置当前的工作状态，如是否有报警信号等。 另外，本设计选用 122 32点阵液晶，可显示两行每行 7个半汉字，符合国内 用户的使用习惯。 电机驱动模块 阀门电动装置主要是通过电机驱动阀门的正反向运转。 对于三相异步电机，要实现其可逆运转，只需改变三相主回路上任意两相电源的相序即可。 也就是要改变电动机的接线位置，用两台交流接触器交替地给电动机送入 L L L3相序电源和 L L L1相序电源，电动机就可以实现逆向运转。 如图 ，本电路由熔断器 Fu，正转交流接触器触点 KO、反转交流接触器触点 KC和电动机 M构成主回路。 KO合闸后送入电动机接线柱 U、V、 W的电源相序为 L L L3，电动机正转； KC合闸，送入电动机接线 柱 U、 V、 W的电源相序为 L L L1，电动机反转。 天津理工大学中环信息学院 2020 届本科毕业设计说明书 11 图 调节型 阀门控制器电机驱动模块 Fig. Intelligent valve motor drive controller module 在电气控制回路中，接入两个 12V线圈的小型继电器 J1和 J2的触点，并且实现硬件上的互锁结构，如图。 J J2分别控制交流接触器 KO、 KC的通断，并且 J J2的线圈直接受中央处理单元的开关量控制信号控制。 中央处理单元通过鉴相电路判断送入电动机接线柱 U、 V、 W的电源相序是否是正序，是的话 按照上一段的描述，则 J1闭合控制电机正转， J2闭合控制电机反转；否则 J1闭合控制电机反转， J2闭合控制电机正转。 因此，中央处理单元只要控制 J J2就能实现对电机的正、反转和停止控制，同时实现了自动调相功能，避免了因为接线相序错误而造成危险。 另外，该方案省去了普通阀门控制器控制回路中的急停开关、电机热继电器常闭触点等器件，而由状态检测电路对上述状态进行监控，出现异常时通知中央处理单元，中央处理单元通过 J J2断开使电机停转即可。 状态检测模块 该模块负责检测除行程和转矩以外的状态信息，在阀门电动装置 除上述两种外的工作状态异常时提供给中央处理单元相应的故障信息以便及时处理，该模块可通过设。