智能电动阀控制器的硬件设计说明

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1、. . . . XX铁道学院四方学院毕业设计智能电动阀控制器的硬件设计The Hardware Design of Intelligent Electric Valve Controller 2012 届 电气工程 系专 业 学 号 学生 指导教师 东阳 完成日期 2012年5月15日学生学号班级专业自动化毕业设计题目智能电动阀控制器的硬件设计指导教师东阳指导教师职称教授评 定 成 绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩：院长(主任) 签字：年 月 日毕业设计成绩单毕业设计任务书题 目智能电动阀控制器硬件设计学生学号班级专业自动化承担指导任务单位电气工程系导师东阳导师职称教授一、项目简介

2、电动比例调节阀在控制形式上，是通过阀门开启角度大小来实现控制开度和截面面积，从而控制液体或者水流的流量的设备。控制过程是在电机转动过程中，通过线性电位器的电阻值的变化，阀门的开度以电压的形式，反馈给控制单元，控制单元根据控制信号和电动调阀的反馈电压值进行比对和判断，使阀门到达目标位置即刻停止动作的原理。电动比例调节阀由电动控制系统和阀体共同构成一个总成执行单元。其中控制系统的动力电源一般常用的为：AC220V 或者AC380V，本设计的电源为AC24V。控制信号最常用的就是420mA，同时也有0-10V等弱点信号制式。控制系统驱动电机，再由电机驱动变速齿轮和蜗杆带动阀门开关，实现阀门的控制调节

3、功能。电动比例调节阀适用于各种工业自动化过程控制计算机控制系统（DCS）与系统和测量仪表共同构成流量，温度，压力等工艺参数的调节自控设备。主要应用于：工业自动化生产过程控制领域。例如：石油化工炼油，管道原油输送；发电厂汽轮机组冷却，润滑油供给，燃烧风量调节；环保污水处理中的液体输送切断，开关，流量调节等各种工业自控过程控制。二、项目要求本项目要求设计一个电动比例调节阀的控制器，根据控制信号的大小来控制阀门的开、关、停等动作。设计要求：系统供电：交流24V阀门调节部分电机供电为交流24V，电机功率10W。阀门控制器的控制信号为电压控制，围为0V10V。控制器能够在0V控制阀门关闭，10V控制阀门

4、完全开启和10V控制阀门关闭，0V控制阀门完全开启两种状态之间切换。阀门的开度和控制信号的大小成比例关系，比如：控制信号0V时阀门关闭，控制信号1V时阀门开启10%，控制信号2V时阀门开启20%。阀门根据控制信号开关到位后，要反馈现在开关程度。两个按键（阀门校准键，0V 10V开关控制切换键），四个指示灯(开关指示，故障，校准)。单片机电路和交流控制部分要隔离。要有电机保护，当电机卡死或者旋转到最大和最小时停止电机的转动。三、项目结构框图整体可分为四部分，单片机部分，控制与反馈部分，电机部分，电源部分。单片机部分，采集外界输入电压控制信号，去控制阀门开关，并向外界输出电压信号表示阀门开关比例程

5、度。控制与反馈部分，根据单片机信号控制电机正反转，并将表示阀门开关比例信号送回单片机处理。电机，电容分相异步交流电机。电源部分，一是整流降压稳压供单片机和其他元件使用 二是直接给电机供电。四、参考资料与相关知识。电动比例调节阀的原理电容分相式单相异步电机的原理以与实现正反转的方法交直流转换、直流稳压电源设计单片机片机与其外围电路的设计，AD，PWM的使用。资料下载 STCMCU ，运放知识，跟随器，放大器。五、进度计划第1周第2周 开题报告第3周第4周 资料收集，方案设计第5周第7周 系统设计第8周 中期检查第9周第12周 系统调试和论文撰写第13周第十14周 论文审核第15周第16周 答辩教

6、研室主任签字时 间年 月 日毕业设计开题报告题 目智能电动阀控制器硬件设计学生学号班级专业一、 本课题的研究背景阀门在各个领域上都有相当广的应用。油气工业现在是且将来也会继续是最大的买主， 其次是炼油厂、电力和化工业。城市污水处理厂排第五位， 其后是纸浆和造纸业、和城市供水。一直以来在其它几个行业也应用甚广。它们是食品业、钢铁业以与制药业。剩下的一些行业有：金属、采矿和半导体业。在阀门的各种类型中， 自动调节控制阀所占比例最大， 将占市场总份额的20% 以上。随着工业自动化的发展，传统的手工机械调节的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， 离不开自动阀门这个管网系统中的执行

7、机构。 阀门的应用相当广泛，当然由于社会的发展需要，就必需要求有自动控制阀门的机构，也就是电动执行器。 由于阀门的应用非常广，手工机械调节的方式在许多场合已不再适用，本设计能够在较安全的情况下工作，而且效率提高了几倍，故设计阀门电动执行器具有实际的意义。电动执行器是工业过程控制系统中一个十分重要的现场驱动装置 ，有体积小、接线方便、精度高、操作简单、智能化的优点, 是一种经济实用的产品, 具有广阔的市场开发前景。其能源取用方便、安装调试简单 ，在电力、冶金、石油、化工等工业部门得到越来越广泛的应用。二、国外研究现状我国的自动化仪表与国外的差距较大。国仪表行业的主要执行机构产品是DDZ一工I，D

8、DZ一工II和DDZ一型，产品大量采用分立元件，只能接受输入模拟信号，伺服电机的制动器使用寿命短，可靠性低，使用维修困难。虽然国各主要生产厂家投入人力对电动执行机构进行了一些改进和开发，但总是不尽理想，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Banard，德国SIEMENS、日本工装、英国ROTORK以与ABB公司RS/RHA等电动执行机构。通过引进技术、消化吸收，这些产品已成为国系统配套的主要产品。但是，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。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

9、。如机床所的直动式电液伺服阀、精工液压机电公司的低噪声比例溢流阀(拥有专利)、华液公司的电液比例压力流量阀(已申请专利)，均为机电一体化的高新技术产品，并己投入批量生产，取得了较好的经济效益。目前国研制的新型智能电动执行器的主要特点是:主要技术指标正在向国际90年代初水平看齐，工作死区小于0.8级，回差和基本误差都小于1级。使用方便，具有自诊断、自调整和PID调节功能。但是，目前国产的执行机构，只能满足一般的冶金、化工、电站等成套工程40%左右的配套，不具备为500万吨炼油、1200立方米高炉、30MW发电机组等大型成套工程的配套能力。更不能满足当今现场总线与开放式控制系统的要求。然而，已取得

10、的成果和经验为我们进一步开发基于现场总线的智能执行器提供了一定的基础。三、研究容和预期结果本设计的主要容如下：1、系统供电电源设计2、单片机接口电路设计3、电机控制电路设计4、阀门开度显示和电压控制电路设计本设计预期达到的结果如下：用开环系统中的阀门的开关闭合的控制实现阀门程控、自控和遥控不可缺少的驱动设备，其运动过程可由行程、转矩或轴向推力的大小来控制。通常电动执行机构和阀门连接起来，经过安装调试后成为电动阀。电动阀使用电能作为动力来接通电动执行机构驱动阀门，实现阀门的开关、调节动作。从而达到对管道介质的开关或是调节目的。配合相应的软件来实现阀门根据控制信号来控制和反馈现在开关程度 。 指导

11、教师签字时 间年 月 日摘 要由于电动比例调节阀门的应用非常广，是可以自动调节控制管道量度的装置，适用供热、通风和空调系统中对次序、热水的连续调节控制。如：空调通风设备的水流量控制，供暖设备的水流量控制。手工机械调节的方式在许多场合已不再适用，故设计阀门电动执行器具有实际的意义。此次设计完成了电动比例调节阀控制器硬件。主要通过阀门线性电阻的电压反馈信号和控制电压信号的比对，来调节电动机的正反转，由电动机的正反转来带动阀杆控制阀门开度。这次设计配合相应的软件设计，共同完成了根据控制信号大小来控制阀门的开、关、停等动作以与阀门开度显示，使阀门的开度和控制信号的大小成比例关系，比如：控制信号0V时阀

12、门关闭，控制信号1V时阀门开启10%，控制信号2V时阀门开启20%。关键词：STC12C5204AD 电动比例调节阀 电动机 AbstractBecause the application of electric valves to regulate the proportion is very wide, is can automatically adjust the control pipe measure device, it is suitable for heating, ventilation and air conditioning system in order, hot wa

13、ter to the continuous adjusting control. Such as: air conditioning ventilation equipment of water control, central heating water control. Manual mechanical adjustment way on many occasions already no longer apply, the designing valve electric implementing instruments have a real significance.This de

14、sign completed the electric proportion regulator controller hardware. Mainly through the valve linear resistors voltage feedback signal and the control voltage signal contrast, to adjust the motor and reversing, the FanZhuanLai is driven by motor control valve stem the opening.The design of the soft

15、ware with the corresponding design, common finished according to the control signal size to control valve open and close, stop such action and valves that opening, the valve opening and the control signal proportional to the size of the relationship, such as: the control signal when 0 V valve closed

16、, the control signal when the valve opens 1 V 10%, the control signal 2 V when the valve opens 20%.Key words：STC12C5204ADElectric proportion regulator Motor43 / 53目 录第1章绪论11.1课题的选题背景和研究意义11.2国外研究概况11.3本论文主要研究的容21.3.1主要容21.3.2基本要求2第2章智能电动阀门控制器的原理和设计思路42.1智能电动阀门控制器的原理42.1.1阀门的简介42.1.2电动阀门的控制原理42.2智能电动

17、阀门控制器的设计思路4第3章智能电动阀门控制器的具体设计方案63.1电机部分控制电路设计63.1.1单向异步电动机的工作原理63.1.2单向异步电动机的启动方式63.1.3电机正反转运行设计83.2.1电压控制和反馈电路的设计93.2.2阀门开度指示电路设计93.3电源部分电路的设计103.4单片机部分电路的设计123.4.1STC12C5204AD的基本知识123.4.2单片机部分电路的设计13第4章智能电动阀门PCB板的制作154.1Protel99SE的介绍154.2原理图的绘制154.2.1原理图绘制步骤154.3PCB板的绘制164.3.1元件的封装164.3.2PCB布局的基本知识

18、174.3.3PCB板工作层类型174.3.4PCB板布局的基本规则184.3.5原理图生成的网络表18第5章焊接与系统调试205.1电动阀门控制器的制作205.1.1元器件的购买元件205.1.2焊接电路板步骤205.1.3焊接注意事项205.1.4不标准锡点的判定21第6章误差分析22第7章结论与展望23参考文献24致25附录26附录A外文文献26附录B 电路原理图39附录C PCD图40附录D 实物图41第1章 绪论1.1课题的选题背景和研究意义电动比例调节阀门在各个领域上都有相当广的应用。像是发电厂汽轮机组冷却，润滑油供给，石油化工炼油，管道原油输送；燃烧风量调节；环保污水处理；空调、

19、制冷、采暖以与其它楼宇自动控制系统中，可精确调节系统中的介质流量。油气工业现在是且将来也会继续是最大的买主， 其次是炼油厂、电力和化工业。城市污水处理厂排第五位， 其后是纸浆和造纸业、和城市供水。一直以来在其它几个行业也应用甚广。它们是食品业、钢铁业以与制药业。剩下的一些行业有：金属、采矿和半导体业。在阀门的各种类型中， 电动阀所占比例最大， 将占市场总份额的20% 以上。随着工业自动化的发展，传统的手工机械调节的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， 离不开电动阀门这个管网系统中的执行机构。电动阀门控制器又称电动执行器，是电动阀门必不可少的一部分，在流体控制行业阀门电动执

20、行器有着重要的作用, 电动阀门控制器是现代工业自动化重要的部分。专业术语称之为电动执行机构,在工业管道阀门行业称之为阀门电动装置，在仪表行业称之为电动执行器，但现在业已没有很明确的区分,统一称之为电动执行器。电动比例调节阀门的应用相当广泛，当然由于社会的发展需要，就必需要求有自动控制阀门的机构，也就是电动阀门控制器。 由于电动阀门的应用非常广，手工机械调节的方式在许多场合已不再适用，本设计能够在较安全的情况下工作，而且效率提高了几倍，故设计电动阀门控制器具有实际的意义。电动执行器是工业过程控制系统中一个十分重要的现场驱动装置 ，有体积小、接线方便、精度高、操作简单、智能化的优点, 是一种经济实

21、用的产品, 具有广阔的市场开发前景。其能源取用方便、安装调试简单 ，在电力、冶金、石油、化工等工业部门得到越来越广泛的应用。1.2国外研究概况我国的自动化仪表与国外的差距较大。国仪表行业的主要执行机构产品是DDZ一工I，DDZ一工II和DDZ一型，产品大量采用分立元件，只能接受输入模拟信号，伺服电机的制动器使用寿命短，可靠性低，使用维修困难。虽然国各主要生产厂家投入人力对电动执行机构进行了一些改进和开发，但总是不尽理想，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Banard，德国SIEMENS、日本工装、英国ROTORK以与ABB公司RS/RHA等电动执行机构。通过引进技术、消

22、化吸收，这些产品已成为国系统配套的主要产品。但是，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。近年来，我国电动比例调节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。如机床所的直动式电液伺服阀、精工液压机电公司的低噪声比例溢流阀(拥有专利)、华液公司的电液比例压力流量阀(已申请专利)，均为机电一体化的高新技术产品，并己投入批量生产，取得了较好的经济效益。目前国研制的新型智能电动执行器的主要特点是:主要技术指标正在向国际90年代初水平看齐，工作死区小于0.8级，回差和基本误差都小于1级。使用方便，具有自诊断、自调整和PID调节功能

23、。但是，目前国产的电动控制机构，只能满足一般的冶金、化工、电站等成套工程40%左右的配套，不具备为500万吨炼油、1200立方米高炉、30MW发电机组等大型成套工程的配套能力。更不能满足当今现场总线与开放式控制系统的要求。然而，已取得的成果和经验为我们进一步开发基于现场总线的智能执行器提供了一定的基础。1.3本论文主要研究的容1.3.1主要容智能电动阀控制器的硬件设计是从电机、电源、单片机、电压的控制和反馈等几个方面完成的。通过对电源部分的设计完成对整个控制系统的供电任务，对电机控制电路的设计来达到阀门开度的控制，对电压控制和反馈以与单片机接口电路的设计来完成主要的控制任务。1.3.2基本要求

24、本项目要求设计一个电动比例调节阀的控制器，根据控制信号的大小来控制阀门的开、关、停等动作。基本要求：系统供电：交流24V阀门调节部分电机供电为交流24V，电机功率10W。阀门控制器的控制信号为电压控制，围为0V10V。控制器能够在0V控制阀门关闭，10V控制阀门完全开启和10V控制阀门关闭，0V控制阀门完全开启两种状态之间切换。阀门的开度和控制信号的大小成比例关系，比如：控制信号0V时阀门关闭，控制信号1V时阀门开启10%，控制信号2V时阀门开启20%。阀门根据控制信号开关到位后，要反馈现在开关程度。两个按键（阀门校准键，0V 10V开关控制切换键），四个指示灯(开关指示，故障，校准)。单片机

25、电路和交流控制部分要隔离。要有电机保护，当电机卡死或者旋转到最大和最小时停止电机的转动。第2章智能电动阀门控制器的原理和设计思路2.1智能电动阀门控制器的原理2.1.1阀门的简介阀门按照驱动方式分可分为自动阀、动力驱动阀和手动阀，而我所用到的阀门VA3200电动比例调节阀是借助电力驱动的阀门，属于动力驱动阀门的一种。电动比例调节阀是自动调节控制管道量度的装置，适用供热、通风和空调系统中对次序、热水的连续调节控制。如：空调通风设备的水路控制，供暖设备的水路控制。电动比例调节阀从外表上看由阀体、阀盖、阀座、阀瓣与阀杆等零件组成，从结构上由阀门和执行器两部分组成。电动阀门部主要的控制阀杆的部分是由电

26、机来完成的。我所选用的VA3200型电动阀门的部电机为24V交流电动机，由电动机带动阀杆，在执行器的作用下，阀杆带动阀瓣做上升或下降运动，改变阀瓣与阀座间的流通面积，以便调节并控制介质的流量。2.1.2电动阀门的控制原理电动阀门主要有阀门和执行器两部分组成，阀门的开度大小由执行器来控制，我所设计的是一个电动比例调节阀控制器，根据控制信号的大小来控制阀门的开、关、停等动作。电动比例调节阀在控制形式上，是通过阀门开启角度大小来实现控制开度和截面面积，从而控制液体或者水流的流量的设备。控制过程是在电机转动过程中，通过线性电位器的电阻值的变化，阀门的开度以电压的形式，反馈给控制单元，控制单元根据控制信

27、号和电动调节阀的反馈电压值进行比对和判断，使阀门到达目标位置即刻停止动作的原理。2.2智能电动阀门控制器的设计思路智能电动阀门控制器的框图如图2-1。智能电动阀门控制器是能够自动的控制阀门电机的正反转以与通过阀门上的电阻值的变换，阀门的开度以电压的形式反馈给控制单元从而达到控制阀门开度。整体可分为四部分系统电源AC24V部分，电机控制电路部分，阀门开度指示和电压信号反系统电源AC24V外部010V控制电压单片机控制电路DC5V供电电源电机控制电路AC24V电机电压信号反馈传感装置图2-1智能电动阀门控制器的框图设计馈电路部分，单片机部分。电机控制电路部分：单相异步交流电机。阀门开度指示和电压信

28、号反馈电路部分：根据控制信号和线性电阻的反馈信号控制电机正反转，并将表示阀门开关比例信号送回单片机处理。电源部分模块：一是整流降压稳压供单片机和其他元件使用 二是直接给电机供电。单片机部分：采集外界输入电压控制信号，去控制阀门开关，并向外界输出电压信号表示阀门开关比例程度。电动比例调节阀由电动控制系统和阀体共同构成一个总成执行单元。其中控制系统的动力电源一般常用的为：AC220V 或者AC380V，本设计的电源为AC24V。控制信号最常用的就是420mA，同时也有0-10V等弱点信号制式。控制系统驱动电机，再由电机驱动变速齿轮和蜗杆带动阀门开关，实现阀门的控制调节功能。也就是电源设计由AC24

29、V变成DC5v供电电源，然后外加0-10V控制电压控制单片机控制阀门动作达到需要的控制程度。第3章智能电动阀门控制器的具体设计方案3.1电机部分控制电路设计3.1.1单向异步电动机的工作原理由于我们的阀门需要开关和调整开度大小，所以也就涉与到阀门里边的AC24V单向交流异步电动机。单相异步电动机的运行原理和普通三相异步电动机基本一样，但有其自身的特点。单相异步电动机通常在定子上有两相绕组，转子是普通鼠笼型的。两相绕组在定子上的分布以与供电情况的不同，可以产生不同的起动特性和运行特性。单相异步电动机定子两相绕组是主绕组m与副绕组a，它们一般是相差90空间电角度的两个分布绕组，通电时主绕组与副绕组

30、都要产生空间分布的磁动势。在定字绕组入单向相交流电，使定子铁芯产生旋转磁场，而转子切割磁力线产生的感应电流与旋转磁场相互作用，使单相异步电机转动起来。单相异步电机只有主副两组绕组。副绕组用来使转子启动称为启动绕组，主绕组使转子持续运转。称为运转绕组。当电机的主绕组超前副绕组90度时候电机正转，当电机主绕组滞后副绕组90度时候电机反转。3.1.2单向异步电动机的启动方式单相异步电动机的主要优点是使用单相交流电源，但是单相异步电动机起动时又要求在两相绕组入相位不同的两相电流。如何把定子绕组中的电流相位分开即“分相”是单相异步电动机必须解决的首要问题。根据分相方法的不同就有不同类型的单相异步电动机。

31、（1）电阻分相起动异步电动机电阻分相起动异步电动机的副绕组通过一个离心开关和主绕组并联接到单相电源上，如图3-1所示。为使定子两相绕组中电流存在相位差，在设计上使两相绕组的阻抗不等，接在同一电源上可导致副绕组中电流的相位超前主绕组中电流的相位，达到分相的目的。这种异步电动机由于受到绕组的制约两相绕组中电流的相位差不大，因而起动转矩不大。（2）电容分相起动异步电动机电容分相起动异步电动机是在副绕组中串联电容再通过一个离心开关和主绕组并联接到单相电源上。由于电容的作用副绕组回路的阻抗呈容性，而主绕组回路的阻抗呈感性，从而导致两相绕组中电流的相位差较大。因此电容分相起动异步电动机具有较大的起动转矩。

32、电容分相起动异步电动机改变转子旋转方向的方法与电阻分相起动异步电动机的一样。图3-1电阻分相启动在此次设计中我用的是电容分相起动异步电动机电容启动的原理（启动电容也叫裂相电容），目的是让两个绕组的电流有相位差。我们之所以单相电机要加电容启动是因为绕组启动的绕组会很多，电机设计也复杂，成本高。但是为了更好了利用单片机起到控制电机正反转，我们用到了MOC3021光电耦合器和BT136双向可控硅。图3-2MOC3021管脚图1、MOC3021(1)反向耐压值：Vr:3V 正向导通最续电流：If=60mA导通正向压降：max1.5 Typ:1.15(2)导通压降：10 最大反向耐压值：max 3 Ty

33、p 1.8最大工作电流：100nA如图3-2所示的MOC3021的简单应用电路：MOC部由发光二极管和双向触发管组成。低压侧由5V直流电源供电，使发光二极管持续发光，相当于双向触发管的触发端；两个反向发光二极管分别工作在正弦波的正负周期，同时避免单个二极管反向电压过大。从而达到使用的作用。2、BT136双向可控硅，三个管脚T1、T2为阳极，T3为控制级G当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic

34、2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表示正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。1）断态峰值电压：600V, 断态峰值电流：10uA 通态峰值电压：1.7V通态平均电流：4A2) 控制极触发电流：6mA/15mA 控制极触发电流：1.5V/1.8V3) 导通维持电流：15mABT136双向可控硅的简单应用原理：当g两端的电压达到双向触发管的导通电压时，双向触发管导通，双向可控硅也同时触发导通。3.1.3电机正反转运行设计图3-3电机正反转电路如图3-3是设计的电机正反转的电路。R9、R

35、10、是根据由二极管允许通过电流为20mA计算的。R7、R8电阻起个保护的作用。当P1.4输入低电平P1.3输入高电平时候， R77导通Q1导通，使得1、3主绕组的相位超前于2、4副绕组的相位从而达到电机正转；当P1.4输入高电平P1.3输入低电平的时候，R 66导通从而使得Q2导通，因为电机的2、4副绕组超前于1、3主绕组，从而使得电机反转。3.2电压控制和阀门开度指示设计3.2.1电压控制和反馈电路的设计由于单片机部电压为5v，而控制要阀门的开度和控制信号的大小成比例关系，比如：控制信号0V时阀门关闭，控制信号1V时阀门开启10%，控制信号2V时阀门开启20%。也就是控制电压的围是0-10

36、V为了能够顺利进入单片机中而不烧毁单片机，必须给其加上2个分压电阻。而所有这些控制目的能否达到，需要依赖阀门上线性电阻的反馈。阀门电阻电压由自制的5V电压给予，通过检测线性电阻的电压与给定的控制电压的打小关系来控制阀门电动机正反转。来带动阀杆，达到调节阀门开度的目的。电压控制部分如图3-4上边部分，设给定控制电压为U0，经过R41分压后，进入单片机的电压为U0/2,单片机检测阀门电位器反馈的电压为U1。如果电位器电压U1大于U0/2则电动机反转使得U1趋近于U0/2，直到U1=U0/2，电机停止转动。如果电位器U1小于U0/2则电动机正转使得U1趋近于U0/2，直到U1=U0/2,电机停止转动

37、。图3-4电压控制和阀门开度指示线路原理图3.2.2阀门开度指示电路设计由于单片机的电压为0-5V为了达到相应的1V电压控制是阀门开到10%,我就要用到放大器，为了匹配相应的控制条件，这里需要2倍放大。我所选用的器件是LM358.LM358部包括有两个独立的、高增益、部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。输入电压0.232v输入共模电压围0至VCC1.5 V图3-4是设计的显示阀门开度

38、的实际电路图。其中的跟随器是起到了阻抗匹配的作用。后边的放大器的放大倍数是U0=（1+1）Ui也就是2被放大。 显示阀门开度部分，经过P3.7给定控制量在经过DA转换使其变为模拟的电压量即需要控制的量通过LM358在通过CON2口得到个电压值，此时若CON2显示的是U0电压值，说明阀门开度和给定的控制开度一样。即电压为1V时候阀门开度10%，电压为2V阀门开度显示20%。3.3 电源部分电路的设计电源的设计传统的我们可以采用2种方法，并联型稳压电路和带有放大环节的串联型稳压电路。并联型稳压电路很简单就是把变压，整流，滤波，稳压连在一起。但是带有放大环节的串联型稳压电路则比价复杂，由基准电压、比

39、较放大、取样电路和调整元件四部分组成。调整元件:与负载串联，通过全部负载电流。可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。 比较放大: 可以是单管放大电路，差动放大电路，集成运算放大器。基准电压: 可由稳压管稳压电路组成。取样电路: 取出输出电压UO的一部分和基准电压相比较。串联型稳压电路的特点：1）输出电流大2）输出电压更加稳定3）输出电压可以调节但是随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端集成稳压器。本次设计中也介绍了常用的LM7800系列三端集成稳压器，其部也

40、是串联型晶体管稳压电路。在稳压器件上我们选择了LM78XX系列的稳压器件，分别是LM7815和LM7805。LM7805，LM7815三端稳压集成电路，有三条引脚输出分别是输入端、接地端和输出端，常见的有正电压输出的LM78系列和负电压输出的LM79系列。用LM78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路部还有过流、过热与调整管的保护电路，使用起来可靠、方便。该系列集成稳压IC型号中的LM78后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如LM7805表示输出电压为正5V，LM7815表示输出电压为正15V。LM7805输入电压：7V20V输出电压：最小值4.8V 最大值5.2V

41、平均值5V输出电流：5.0mA1.0A短路电流：230mALM7815输入电压：17.5V30V输出电压：最小值14.4V 最大值15.6V平均值15V输出电流：50mA-1.0A短路电流：250mA图3-6电源电压原理图电路的基本原理如图3-6：输入为24V交流电压，C1、C2和C3、C4、C5分别为输入、输出的滤波电容，经过二极管D1IN4007（正向额定工作电流1A，反向耐压值为1000V）和电阻R26整流，流入7815的电压大于15V，7815稳压输出15V电压，再经7805再次稳压输出5V电压。电路中的C1、C2、C3、C4用来抵消输入端接线较长时的电感效应，防止产生自激振荡。即用以

42、改善波形。C5、C6为了瞬时增减负载电流时，不致引起输出电压有较大的波动。即用来改善负载的瞬态响应。设AC24 电压为 u = 半波整流输出直流脉动平均电压Uo=0.45u加上滤波电容后 Uo=1.2u整流二极管 平均电流Id(AV )=Uo/RL 耐压值 RLC(3-5)T/2（RL=Uo/I 可估算7815再电路中输出电流）3.4单片机部分电路的设计3.4.1STC12C5204AD的基本知识STC12C5204AD系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。STC12C52

43、04AD单片机中包含中央处理器（CPPU），程序存储器（Flash）,数据存储器（SRAM）,定时/计数器，UART串口，I/0接口，高速A/D转换，PCA,看门狗与片R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块STC12C5204AD系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称的上一个片上系统。STC12C5204AD系统工作电压为5.5v3.5v（5v单片机），工作频率围是035MHz，相当于普通8051的0420MHz，片上集成256字节的RAM，通过I/0口（27/23/15/13/11个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统的I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱

44、上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口的驱动能力可达20mA，但是整个芯片最大不要超过55mA。ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（p3.0/p3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。有EEPROM功能，部集成MAX810专用复位电路（外部晶振20M以下时，复位脚既可直接1K电阻到地）。设一个掉电检测电路：在p1.2口有一个低压门槛比较器5v点偏激为1.33v，误差为正负5%。时钟源：外部高精度晶体时钟，部R/C振荡器（温漂为+-5%到+-10%以）用户在下载用户程序时，可以选择是使用部R/C振荡器还是外部晶体/时钟常温

45、下部R/C振荡器频率为：5.0v单片机11MHz17MHz精度要求不高时，可以选择使用部时钟，但是因为有制造误差和温漂，以实际测试为准。共4个16位定时器两个传统8051兼容的定时器/计数器，16为定时器T0和T1，没有定时器2，电视有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可实现2个16位定时器。2个时钟输出口，可由T0的一处在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟。外部中断I/O口6路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒。Pwm（2路）/PCA（可编程计数器阵列，2路）可

46、以用来当2路DA使用，可以用来在实现2个定时器也可以用来在实现2个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别同时支持）。AD转换，8为精度ADC，共8路，转换速度达到300K/S(每秒30万次)。通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是告诉的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口。工作温度围：-4085（工业级）/075（商业级）P0.0P0.3:标准I/O口,PORT00PORT03;P1.0P1.7:标准I/O口,PORT10PORT17;P3.0P3.5:标准I/O口，PORT305;TXD:串行数据发送端；INT0:外部中断0，下降沿中断或低电平中断;INT1:外部中

47、断1,下降沿中断或低电平中断;T0:定时器/计数器0的外部输入;T1:定时器/计数器1的外部输入;P3.7;标准I/O口，PORT7;CCP0:外部信号捕获（频率测量或当外部中断使用）、高速脉冲输出与脉宽调制输出;RST:复位脚;XTAL1:部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的一个引脚。当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输入端;XTAL2;部时钟电路反相放大器的输出端，接外部晶振的另一端。当直接使用外部时钟源时，此引脚可浮空，此时XTAL2实际将XTAL1输入的时钟进行输出;关于晶振电路：如果使用部R/C振荡时钟（室温情况下5V单片机为11MHz17MHz，3v单片机为8MHz1

48、2MHz），XTAL1和XTAL2脚浮空，如果外部时钟频率在27MHz以上时，使用标称频率就是基本频率的晶体，不要使用三泛音的晶体，否则如参数搭配不当，就有可能振在基频，此时实际频率就是有标称频率的13了，或直接使用外部有源晶振，时钟从XTAL1脚输入,XTAL2脚必须浮空。3.4.2单片机部分电路的设计图3-7单片机接口电路如图3-7中1为上电复位电路，2和3是串口通讯的电路，7、8接的是按键，20管脚处的电容C9起到的是滤波的作用，滤出杂波，使输出更稳定。17和18管脚接的是小灯。15和16接的是电动阀门的电机部分。13的电压控制输入端。12和11是电动阀门开度反馈和显示电动阀门开度端。第

49、4章智能电动阀门PCB板的制作4.1Protel99SE的介绍Protel 99 se是电路与印制电路板的一款比较杰出的软件，在我国流行最早，应用面最宽。Protel 99 se较以前的版本功能更强大，它是桌面环境下以设计管理和协作技术为核心的一个优秀的印制电路板设计系统。Protel 99 se软件包括以下几个模块：原理图设计软件Protel Advanced Schimatic 99 SE、用于电路板设计软件Protel Advanced PCB 99SE、用于PCB自动布线的Protel Advanced Route 99 SE、用于可编程逻辑器件设计的Protel Advanced P

50、LD 99 SE、用于电路仿真的Advanced SIM99和信号完整性分析的Advanced Integrity 99。本设计采用Protel 99SE进行原理图(电路)设计、印制电路板(PCB)设计。电路原理图设计系统，包括用于原理图设计的原理图编辑器Sch和用于修改元件或创建新元件的元件库编辑器SchLib。系统自身带有大量的元器件库，用户可以方便的调用或创建设计电路所需的各种电路元件，使电路设计工作变得简单轻松。此外，系统可以为印制电路板设计提供网络表，并提供完善的打印输出功能。印制电路板设计系统主要用于印制电路板设计，包括设计电路板的电路板编辑器PCB和用于修改或创建元件封装的元件封

51、装库编辑器PCBLib。该系统功能十分强大，能提供非常专业的交互式布线与元件布局，可进行多达32层信号层、16层部电源接地层的布线设计。通过该系统，普通人员也可在短时间设计出具有专业水准的PCB板。4.2原理图的绘制4.2.1原理图绘制步骤(1)打开Protel 99SE软件后，新建原理图文件。(2)设置好原理图后选择所用的图纸大小。我选用最常用的A4纸型。(3)制作元件库中没有的元件符号（元件库是存放元件符号的文件夹）。在本设计的电路图中由于单片机STC12C5204AD没有需要自行绘制。绘制时管脚名称要和实际相对应，管脚正反不能颠倒，在绘制PCB板图时不会出错。我自行绘制的芯片符号如图4-

52、1。 图4-1STC12C5204AD(4)对电路图的元件进行构思，具体的几个主要的大块的具体安排。(5)元件布局。这一步比较重要，因为原理图绘制好之后会生成PCB板图，因此比较好的布局，会为以后的布线省去很多功夫（最费事的也就是布线，其直接影响了整个板子的美观以与能不能很好的实现）。(6)对原理图的图件进行电气连接，这主要是线的连接（注意要使用双线符号）(7)放置注释，要放置在有圆黑点出现的地方才能做到电气连接。(8)电气检测，检查所有节点的连接情况。本设计的原理图如附录B所示。4.3PCB板的绘制由于本设计智能电动阀门控制器，需要很好的控制电动阀门，所以合理的PCB布局就变。智能电动阀门P

53、CB布局与数字电路PCB布局完全不一样。在数字电路布局中，许多数字芯片可以通过PCB软件来自动布局，且芯片之间的连接线可以通过PCB软件来自动连接。用自动布局方式布出的阀门控制器肯定无常工作。所以，我们需要对阀门控制器PCB布局基本规则和阀门控制器工作原理有一定的了解。4.3.1元件的封装在PCB排版之前最重要的一个环节便是对每个元件进行封装，因为如果没有与实际元件的封装，是无法完成元件的转换的，最终导致无法绘制PCB板图与以后的排版与布线工作，因此要对每一个元件的封装做好研究。对于封装电阻封装比较简单通用选用AXIAL0.4的封装，因为这种封装比较常见，且容易购买。本设计中电阻采用的封装就是

54、AXIAL0.4。二极管的封装视功率来定，一般小功率的使用DIODE0.4,而大功率的则使用DIODE0.7。例如输出稳压管是一个大功率二极管侧选用的DIODE0.7的封装。如整流桥中的二极管我用的DIODE0.3。电容我选用的都是直插电容封装有RB.1/.2-RB.4/.8，一般470uF用RB.3/.6。对于其中写主要器件的封装如MOC3021的封装我用的DIP6，LM358我用的是DIP8，BT136的封装用的是TO-220A。LED灯我全部选用的是LED-5。这是个需要耐心和细心的工作，如果其中的某个封装错误，直接影响到的是器件能不能安装和使用。4.3.2PCB布局的基本知识(1)按电

55、路模块进行布局，实现同一功能的相关电路称为一个模块，电路模块中的元件应采用就近集中原则，同时数字电路和模拟电路分开。本设计的电路模块大致分为主电路和控制电路两大模块。(2)定位孔、标准孔等非安装孔周围1.27mm 不得贴装元、器件，螺钉等安装孔周围3.5mm（对于M2.5）、4mm（对于M3）不得贴装元器件；过孔示意图4-2：图4-2过孔立体图(3)元器件的外侧距板边的距离为5mm；(4)电源插座要尽量布置在印制板的四周，电源插座与其相连的汇流条接线端应布置在同侧。特别应注意不要把电源插座与其它焊接连接器布置在连接器之间，以利于这些插座、连接器的焊接与电源线缆设计和扎线。电源插座与焊接连接器的

56、布置间距应考虑方便电源插头的插拔；(5)板面布线应疏密得当，当疏密差别太大时应以网状铜箔填充，网格大于8mil(或0.2mm)；(6)有极性的器件在以同一板上的极性标示方向尽量保持一致。4.3.3PCB板工作层类型我们在进行印制电路板设计前，第一步就是要选择适用的工作层。Protel 99 SE提供有多种类型的工作层。只有在了解了这些工作层的功能之后，才能准确、可靠地进行印制电路板的设计。Protel 99 SE所提供的工作层大致可以分为7类:Signal Layers(信号层)、Internal Planes(部电源/接地层)、MechanicalLayers(机械层)、Masks(阻焊层)

57、、Silkscreen(丝印层)、Others(其他工作层面)与System(系统工作层)，在PCB设计时执行菜单命令 Design设计/Options.选项 可以设置各工作层的可见性。4.3.4PCB板布局的基本规则在任何硬件设计中，PCB板的物理设计都是最后一个环节，如果设计方法不当，PCB可能会辐射过多的电磁干扰，造成板子工作不稳定，以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析:(1)从原理图到PCB的设计流程 建立元件参数输入原理网表-设计参数设置-手工布局-手工布线-验证设计复查-CAM输出。布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能的短并且加大间距，一般

58、情况下将走线间距设为12mil。焊盘孔边缘到印制板边的距离要大于2mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易起皮，而且走线与焊盘不易断开。在输入电路侧为高压，因此对于线宽有一定的要求，需要大于2.54mm信号线的宽度要大于12mil(2)元器件布局实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。建立阀门控制器的最好方法与其电气设计相似，最佳设计流程如下：系统供电电源电路单片机电路阀门开度显示和电压控制电路阀门电动机正反转电路4.3.5原理图生成的网络表网络表是表示电路原理

59、图或印刷电路板元件连接关系的文本文件。它是原理图设计软件Advanced Schematic和印刷电路板设计软件PCB的接口。网络表的作用：1.引入网络表,这种网络表的引入过程实际上是将原理图设计的数据加载到印刷电路板设计系统PCB的过程。PCB设计系统中数据的所有变化,都可以通过网络宏(Netlist Macro)来完成,系统通过比较、分析网络表文件和PCB系统的部数据,自动产生网络宏。 2.可以利用网络表管理器直接在PCB系统中编辑电路板各个组件间的连接关系,形成网络表。第5章焊接与系统调试5.1电动阀门控制器的制作本设计电动阀门驱动器，需要的器件数目少，因此制作起来比较方便，容易。5.1

60、.1元器件的购买元件我们知道，在PCB抄板过程中，将完整的电路板进行扫描后接下来就需要将电路板上的电子元器件拆下来制作成BOM清单，以方便采购人员进行物料采购，在PCB制板完成后，需要将这些采购来的元器件焊接上去才能完成PCB电路板抄板或称电路板克隆的完整过程。那么，为准确进行BOM清单的制作和准确采购元器件，我们首先就必须对各类常见的电子元器件有详细的理解。5.1.2焊接电路板步骤掌握好烙铁的温度和焊接时间，选择适合的烙铁头和焊点的接触位置，才可能得到良好的焊点，我在焊接电路板时用手工焊接来完成，分为以下五个步骤：(1)准备施焊左手拿焊丝，右手拿烙铁，进入备焊状态。要求烙铁头保持干净，无焊渣

61、等氧化物，并在表面镀有一层焊锡。(2)加热焊件烙铁头靠在两焊件的连接处，加热整个焊件全体，时间约为12秒钟。对于在印制板上焊接元器件来说，要注意使烙铁头同时接触两个被焊物。(3)入焊丝焊件的焊接面被加热到一定温度时，焊锡丝从烙铁对面接触焊件。(4)移开焊丝当焊丝熔化一定量后，立即向左上45度方向移开焊丝。(5)移开焊铁焊锡浸润焊盘和焊件的施焊部位以后，向右上45度方向移开烙铁，焊接结束。从第三步到第五步所用时间是12秒钟。5.1.3焊接注意事项(1)焊接前应观察各个焊点(铜皮)是否光洁、氧化等。 (2)在焊接物品时,要看准焊接点，以免线路焊接不良引起的短路。5.1.4不标准锡点的判定(1)虚焊：看似焊住其实没有焊住，主要有焊盘和引脚脏污或助焊剂和加热时间不够。 (2)短路：有脚零件在脚与脚之间被多余的焊锡所连接短路，另一种现象则因检验人员使用镊子、竹签等操作不当而导致脚与脚碰触短路，亦包括残余锡渣使脚与脚短路 (3)偏位：由于器件在焊前定位不准，或在焊接时造成失误导致引脚不在规定