基于单片机的步进电机控制系统设计.docx

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基于单片机的步进电机控制系统设计

摘要

智能阀门控制器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、精度以及智能化程度的提高，对整个控制系统性能的提高起到重要的作用。

本文在分析研究了国内外智能阀门控制器的现状和发展趋势，并借鉴它们的成功经验的基础上，进行了智能阀门控制器的总体方案设计,并且对各种可能影响控制精度的因素充分考虑之后，从硬件和软件两个部分进行了研究和开发。

系统采用闭环控制方式，控制器以C8051F330单片机为核心，通过对阀门开度控制信号和位置反馈信号的比较，决定并执行步进电机的启停或正反转，调节阀门开度，并采用二位LED数码管显示出阀门所在的位置，达到对阀门位置很好监控的要求。

本课题设计的智能阀门控制器具有通用性好、控制精度高、运行平稳、结构紧凑、操作简单、维护方便等特点，可以很好的满足对阀门控制以及显示的的使用要求。

遵循“安全、可靠、先进、简便”的原则，用5l汇编语言编写了控制软件，很好地实现了功能要求，且编写方便，可读性强。

关键词：

阀门执行机构；步进电机;C8051F330

Abstract

Theintelligentvalvecontrolleriswidelyusedtooperateandregulatevalvesintheindustrycontrolsystem.Theimprovementofitsstability,precisionandtheintelligencedegreehasagreatinfluenceontheimprovementoftheperformanceofthewholecontrolsystem.

Afteranalyzingthestatusanddevelopingtrendofvalvecontrollerathomeandabroad,thethesisgivestheschemedesignbasedonthepastsuccessfulexperience.Theresearchandexploiterarealsomadefromthetwowaysofhardwareandsoftwareonthebasisofthematureconsiderationofpossiblefactorsaffectingsystemprecision.

Thesystemadoptsclosed—loopcontrolmode,andthekeycontrollerisc8051f330microcontroller.Throughcomparingthesettingsignalwiththefeedbacksignal，thecontrollerperformsthestart-uporshut-downofservomotorandcontrolstheofthevalve,andputtousedigitronoftwoinoneboxtoshowthevalue’slocation,achievecontrollingthevalue’slocation.

Thedesignedintelligentelectricactuatorhasmanygoodcharacteristics,suchasgoodcurrency,highcontrolprecision,stableoperation,compactstructure,simpleoperation,easymaintenanceandsoon,soitcanmeetthepracticalrequirementsofdomesticgeneratorsetbypasssystem.Followingtheprinciplesofsafety,reliability,advancementandconveniences,thethesisuses51-assemblerlanguagetoprogramthesoftwareusedforcontrollingthesystem.whichaccomplishtherequirementoffunctions.Furthermoreit'sconvenienttoprogramandeasytoread.

Keywords:

valveactuator;step-motor;C8051F330

1绪论

1.1选题的背景

水、汽、油等流体与工业发展有着密切联系，而流体在工业上的应用离不开管网系统，有管网必然有阀门。

随着工业自动化的发展，传统的手工机械调节方式在许多场合已不再适用。

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。

在某些应用场合，对阀门的控制不仅仅是简单的开关控制，还涉及到开度控制以及流量等各种关系控制，这对阀门电动执行机构控制器的智能性提出了更高的要求。

文中应用微处理器设计了一种阀门控制系统实现了阀门控制的智能化，并且能够精确显示阀门位置以适应精确调节的要求。

1.2电动阀执行机构的现状

执行机构，又称执行器。

是一种自动控制领域的常用机电一体化设备，是自动化仪表的三大组成部分（检测设备、调节设备和执行设备）中的执行设备。

主要功能是对一些设备和装置进行自动操作，控制其开关和调节，代替人工作业．按动力类型可分为气动、液动、电动、电液动等几类；按运动形式可分为直行程、角行程、回转型（多转式）等几类。

我国的执行机构和伺服放大器是六十年代统一设计的，三十多年来在技术上没有多大创新。

与国外电动阀执行机构比较，存在可靠性差、耐久性差、无故障时间短等弱点。

八十年代以来，行业中的几个骨干企业相继引进国外技术，如法国aanard，德国SEMIENS，日本工装和英国ROTORK的电动执行机构，以及ABB公司RS／RHA电动执行机构等。

通过引进技术、消化吸收达到部分国产化，并己成为国内系统配套的主要产品。

但这些产品都属于模拟仪表，不具有智能功能，只是在组合化、多功能化和集成化方面有所进步。

“八五”期间，随着计算机技术的推广应用，机械工业部组织行业内有关研究所和企业进行科技攻关，也相继开发了带微机的智能执行机构产品。

与国产电动执行机构相比，国外电动执行机构厂家表现活跃，产品发展迅速。

随着国际现场总线标准的制定，国外公司基于现场总线的智能执行机构己经进入国内的市场。

主要的代表公司有英国的罗托克（ROTORK），美国的乔（JORDAN），德国的（EMG），瑞士（Aa8）等等。

由于高新技术的迅猛发展，随着关键元器件技术难关的突破，智能化阀门电动装置在国外已经形成许多系列产品，广泛应用于许多工业领域中。

近年来，我国电动阀门研制行业坚持技术进步，加快新产品开发，涌现出一批各具特色的高新技术产品。

它们的产品主要有以下几个特点：

（1）计算机控制。

现在的电动阀控制器都是微处理器为核心。

所有的控制信号、采集信号都经过了微处理器的处理。

现在先进的阀门电动装置具有更完善的智能控制，可按给定值自动进行调节、控制。

（2）安全措施。

智能化阀门电动装置具有高度的自身保护及系统保护功能，如装有防止三相电机的执行机构相线接错的装置，电机过负荷保护装置等等。

（3）通讯功能。

智能化阀门电动装置采用数字化通讯的方法与主控制室相连，根据控制室送出的数字信号指令进行控制。

（4）智能诊断。

在阀门电动装置上装有一些附加的传感器，专门用于故障诊断，而在电路方面也设置了各种监测功能，如电源相序和后备电池的电压检测。

微处理器在运行中连续对整个系统进行监测，一旦发现问题立即执行预定的程序，自动采取应急措施并报警。

而微处理器和传感器本身的运行也同时受到监测。

当出现故障需要专家协助解决时，有的智能化阀门电动装置还可以通过调制解调器与专家实时联网，以便及时她诊断和排除故障。

（5）一体化的结构。

一体化的结构把整个控制回路安装在一个现场仪表之中，使控制系统的设计、安装、操作和维护等工作大为简化，且减少因信号在传输中泄漏和干扰等因素对系统的影响，提高可靠性。

此外，智能化阀门电动装置在结构设计上充分考虑到抗恶劣工作环境的因素，组件多带有保护涂层以防腐蚀，外壳采用密封式，经得起温度、湿度的大范围变化和振动冲击的考验，保证工作可靠。

1.3本课题的主要内容

本课题的任务是基于单片机的阀门控制器的设计的设计，选取合适的阀门控制执行及显示机构，使用汇编语言进行编程，实现阀门位置的显示，并控制阀门开度的大小。

本课题的主要工作是：

（1）设计了实现输入4～20mA控制信号的采集。

（2）设计了实现阀位阻值反馈信号的采集及A/D转换。

（3）设计了实现阀门位置的显示模块。

（4）设计了直流稳压电源。

（5）选择了合适的步进电机及其驱动芯片。

（6）针对该阀门控制所要实现的功能，采用汇编语言写了主要模块程序，从而使阀门正常的显示及动作。

1.4本章小结

本章阐述了电动阀执行机构现状、发展趋势、本课题设计的内容和技术关键。

从中我们可以深刻感觉到加强技术创新，追赶国际先进水平的紧迫性。

同时我们也可以看出本设计在现实生活中拥有很重要的意义，相信本设计可以给我们带来更舒适、安全的生活。

2硬件电路的设计

2.1总体设计框图

图2-1系统原理框图

本设计有共有六部分组成，分别是指令信号电路，阀位反馈电路，驱动电路，指示灯及键盘电路，电源电路，阀位显示电路。

指令信号输入4～20mA直流信号，通过放大转换电路转换为单片机可以接收的0.4～2V电压信号，阀位反馈电路输入0.4～2V电压信号，单片机通过对这两个信号的比较来驱动步进电机的正反转来达到控制阀门的开度的目的，并通过LED显示电路显示出来。

2.2技术关键

通过分析可以确定本设计的几个要点和技术关键：

（1）设计实现输入4～20mA控制信号的采集；

（2）设计实现阀位阻值反馈信号的采集及A/D转换；

（3）设计实现阀门位置的显示模块；

（4）设计直流稳压电源；

（5）选择合适的步进电机及其驱动芯片；

2.3直流稳压电源电路设计

电源模块的设计一直是系统设计的重点，它的精度影响整个系统的精度。

系统的电子电路用直流稳压电源来供电，直流稳压电源是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。

电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。

此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。

但这样的电压还随电网电压波动、负载和温度的变化而变化。

因而在整流滤波电路之后，还需接稳压电路。

稳压电路的作用是当电网波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。

本文设计的直流稳压电源输出+5V和+18V电压，来为微机控制器、AD转换器、运算放大器供电。

直流稳压电源的电路如图2-2所示。

整流电路采用整流桥，通过一系列的电容滤除各次滤波，稳压电路采用三端固定式集成稳压器78M05和78M18，这类稳压器仅有输入端、输出端和公共端三个引脚，芯片内部设有过流、过热保护以及调整管安全保护电路，其所需外接元件少，使用方便、可靠，广泛应用于各种电子设备中，作为电压稳压器。

图2-2直流稳压源电路图

2.4单片机最小系统

2.4.1C8051F330功能介绍

C8051F330是SiliconLaboratories公司生产的完全集成的混合信号片上系统型单片机。

采用与8051兼容的高速、流水线结构的CIP-51内核，速度可达25MIPS；全速、非侵入式的片内在线系统调试接口；带模拟多路器的真正10位200ksps的16通道单端/差分ADC；10位电流输出DAC；高精度可编程的25MHz内部振荡器；8KB可在系统编程的FLASH存储器；768字节片内RAM；硬件实现的SMBus/I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口；4个通用的16位定时器；具有3个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）；片内上电复位、VDD监视器和温度传感器；片内电压比较器；17个可容许5V输入的I/O端口。

是真正能独立工作的片上系统。

FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。

用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。

片内SiliconLabs二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。

调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。

在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。

两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。

可在工业温度范围（-45℃到+85℃）内用2.7V-3.6V的电压工作。

端口I/O和/RST引脚都容许5V的输入信号电压，采用20脚MLP封装。

C8051F330是20脚MLP封装，体积小，易用于便携仪器。

其引脚排列如图2-3所示：

图2-3C8051F330引脚图

管脚功能如下：

VDD：

电源；

GND：

地；

/RST/C2CK：

器件复位/C2调试接口时钟信号；

P2.0/C2D：

数字I/0端口/C2调试接口双向数据信号；

P0.0/VREF：

数字I/0端口或模拟输入/外部VREF输入；

P0.1/IDA0：

数字I/0端口或模拟输入/模拟IDA0输出；

P0.2/XTAL1：

数字I/0端口或模拟输入/模拟输入，外部时钟输入；

P0.3/XTAL2：

数字I/0端口/模拟I/0或数字输入，外部时钟输出；

P0.4：

数字I/O或模拟输入；

P0.5：

数字I/O或模拟输入；

P0.6/CNVSTR：

数字I/O或转换启模拟输入/数字输入，ADC0外部动输入或IDA0更新源输入；

P0.7：

数字I/O或模拟输入；

P1.0：

数字I/O或模拟输入；

P1.1：

数字I/O或模拟输入；

P1.2：

数字I/O或模拟输入；

P1.3：

数字I/O或模拟输入；

P1.4：

数字I/O或模拟输入；

P1.5：

数字I/O或模拟输入；

P1.6：

数字I/O或模拟输入；

P1.7：

数字I/O或模拟输入。

2.4.2C8051F330内部组成框图及特点

C8051F330内部集成了几乎所有的数字和模拟外设，其内部组成框图如图2-4所示：

图2-4C8051F330内部模块图

C8051F330是一款高性能的8位单片机，具有速度快、功能强和价格低等特点。

是完全集成的混合信号片上系统型SOC。

（1）高速、流水线结构的8051完全兼容CIP-51内核（可达25MIPS）；

（2）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；

（3）真正10位200ksps的16通道单端/差分ADC带模拟多路器；

（4）10位电流输出DAC；

（5）高精度可编程的24.5MHz内部振荡器；

（6）8KB可在系统编程的FLASH存储器；

（7）768字节片内RAM；

（8）硬件实现的SMBus/I2C；

（9）增强型UART和增强型SPI串行接口；

（10）4个通用的16位定时器；

（11）3个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵（PCA）；

（12）片内上电复位、VDD监视器和温度传感器；

（13）片内电压比较器，17个端口I/O（容许5V输入）。

总之，具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F330是真正能独立工作的片上系统。

FLASH存储器还具有在线系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。

用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。

本方案在设计过程中采用C8051F330作为核心处理器是基于以下几个原因：

（1）较低的成本：

由于阀门系列产品的产量比较大，对成本非常敏感。

单从芯片功能考虑，TI的2000系列DSP也能满足该控制要求，但是其价格比较昂贵，单一个处理芯如TMS320LF2812价格就在100RMB以上，再加上一些必要的外设和复杂的线路板设计和制作，成本就相当高。

F330不到20RMB的价格，使得系统成本大大降低，而且能达到系统所需要而其他同一价位处理器达不到的功能。

（2）适用的功能：

作为单个控制阀上的智能控制器，需要完成的检测、运算、以及控制算法和控制措施相对简单，使用高端处理器或者工控机显得不够经济，同时也不利于整个系统体积的缩小。

编写的检测程序和控制程序一共占用5K的FLASH空间，需要用到300多BYTE的RAM空间，F330在这个方面以足够满足需求。

（3）足够的资源：

F330的IO口多达17个，除去复用的部分口外，余下的IO口已足够满足键盘、显示等功能。

同时，F330的许多片内外设资源恰好满足本控制器中的要求。

其A/D用于输入模拟量控制信号的检测和阀门位置反馈信号的实时监测；PCA模块还可被配置为工作在16位PWM方式。

在该方式下，16位捕捉/比较模块定义PWM信号低电平滤波用作D/A，作模拟量输出。

这样样充分的器件资源可以很好的为本方案提供一体化设计。

（4）可靠性好：

抗电磁干扰能力强：

本控制器直接安装在阀门执行机构内部，在机构内不仅有220V的交流电，同时还有电机在不断启停、换向，控制器中还应用了电力电子器件，可控硅的不断开关也是一个强干扰源。

在工业现场，还存在各种外界干扰。

C8051F330在这些干扰下能稳定工作，同时还能用于比较宽的温度范围，很好地满足了本系统地需求。

2.4.3复位电路

在单片机的复位电路设计中，复位电路采用了上电复位和按键复位相结合来实现的。

当单片机上电时，自动实现内部寄存器等初始化复位。

因为在实际应用中单片机还需要设置成可以随时复位，以便在异常情况下根据用户的指令程序可以重新运行。

因此，多加了一个按键复位电路，这个电路平时的状态为断开，当按键按下时就会使RESET置低，使得单片机复位。

其电路如图2-5所示：

图2-5C8051F330复位电路

2.4.4时钟电路

C8051F330单片机有一个可编程的内部高频振荡器、一个可编程的内部低频振荡器和一个外部振荡器驱动电路。

可以通过对OSCICN和OSCICL寄存器编程来使能/禁止内部高频振荡器和调节其输出频率，也可以通过对OSCLCN寄存器编程来使能/禁止内部低频振荡器和调节其输出频率。

系统时钟可以由外部振荡器电路或任何一个内部振荡器提供。

其内部时钟为24.5MHz。

（1）内部高频振荡器

C8051F330的内部高频振荡器在系统复位后默认为系统时钟。

内部振荡器的周期可以通过OSCICL寄存器编程。

其震荡周期可根据方程（2-1）计算，其中

为复位后内部振荡器的频率，ΔT为内部振荡器周期的变化值，ΔOSCICL为寄存器OSCICL中的数值的变化量。

（2-1）

C8051F330其基频（

）为24.5MHz，精度为±2%。

系统时钟也可以从内部振荡器分频得到，分频数由寄存器OSCICN中的IFCN位设定，可为1、2、4或8。

复位后的缺省分频数为8。

（2）外部振荡器

C8051F330单片机外部振荡器电路可以驱动外部晶体、陶瓷谐振器、电容或RC网络。

也可以使用一个外部CMOS时钟提供系统时钟。

对于晶体和陶瓷谐振器配置，晶体/陶瓷谐振器必须并接到XTAL1和XTAL2引脚，还必须在XTAL1和XTAL2引脚之间并接一个10MΩ的电阻。

对于RC、电容或CMOS时钟配置，时钟源应接到XTAL2引脚。

必须在OSCXCN寄存器中选择外部振荡器类型，还必须正确选择频率控制位XFCN。

当使用外部振荡器电路时，必须对所用端口引脚进行配置。

当外部振荡器电路被配置为晶体/谐振器方式时，端口引脚P0.2和P0.3分别被用作XTAL1和XTAL2。

当外部振荡器电路被配置为RC、电容或CMOS时钟方式时，端口引脚P0.3被用作XTAL2。

端口I/O交叉开关应被配置为跳过被振荡器占用的引脚。

当在晶体/陶瓷谐振器、电容或RC方式使用外部振荡器电路时，应将所用的端口引脚配置为模拟输入。

在CMOS时钟方式，应将所用的端口引脚配置为数字输入。

在时钟电路的设计中，采用了内部时钟和外接石英晶体的外部时钟的设计方法，可根据用户及系统的的不同需要，选择内部时钟或外部时钟。

其参数由官方推荐使用。

电容一般起到起振的作用，取值一般为20到30pF之间，串联电阻常用来预防止晶振被过分驱动。

晶振过分驱动的后果是将逐渐损耗减少晶振的接触电镀。

外部时钟电路如图2-6所示：

图2-6外部时钟电路

由于考虑到主芯片C8051F330片上有内部时钟，此内部时钟完全满足设计的要求。

并且若使用外部时钟，会出现最小系统板的体积增大，PCB板布线时太过杂乱等问题。

因此仅做了系统外部时钟电路的设计并未在实际应用中使用。

2.4.5外部基准电源电路

利用C8051F330内部AD作模/数转换，将输入的模拟信号和阀门位置反馈的模拟信号进行量化。

采用外部基准电压源作为AD的基准电压，其温度漂移系数为3PPM/℃。

保证了系统的精度和长期的温度稳定性。

外部基准电压源如图2-7所示：

图2-7AD转换外部基准电压

图2-7中TL431为集成基准电压源，输入电压为3.3V,经过一个100Ω电阻R3接在TL431的1脚上，其2脚接地，3脚引出接电阻。

基准电压电路是由TL431集成的，其3脚能够输出约2.5V电压。

当使用内部电压基准时，在VREF和GND之间接0.1μF电容和10μF电解电容作为旁路电容。

端口引脚P0.0用作外部VREF输入和内部VREF的输出。

当使用外部电压基准时，P0.0应被配置为模拟输入并被数字交叉开关跳过。

由TL431的特性可知3脚的电压

＝

=2.485V.

基准电压

可由式2-2得出：

（2-2）

代入相应值，可得

＝2.048V

C8051F330内部的ADC0子系统集成了两个16通道模拟多路选择器（合称AMUX0）和一个200ksps的10位逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。

该ADC工作在200ksps的最大采样速率时可提供真正10位的线性度，INL和DNL为±1LSB。

ADC系统包含一个可编程的模拟多路选择器，用于选择ADC的正输入和负输入。

端口0～1作为ADC的输入。

A/D转换可以有6种启动方式：

软件命令、定时器0溢出、定时器1溢出、定时器2溢出、定时器3溢出或外部转换启动信号。

这种灵活性允许用软件事件、外部硬件信号或周期性的定时器溢出信号触发转换。

一次转换完成可以产生中断（如果被允许），或者用软件查询一个状态位来判断转换结束。

转换结束后10位结果数据字被锁存到ADC数据寄存器中。

2.5指令信号输入电路设计

系统需要一路指令信号，该信号是4～20mA直流信号，在该信号输入单片机前需要经外围模拟电路将4～20mA电流信号转换为相应的0.4～2V电压信号，并且保证该模拟电路能够滤出干扰信号，输出稳定电压信号。

基于以上考虑，设计指令信号输入电路如图2-8所示：

图2-8指令信号输入电路

在该电路中C5、C6两个电解电容起到了滤波和稳定输出的作用，可以滤出干扰信号并且稳定