单片机的管道阀门控制系统开发
摘 要阀门广泛用于水利、工业等行业中，随着科学技术的不断发展和社会需求的引导，阀门的种类也越来越多，越来越杂，接着出现了专用的阀门控制器，伴随着微电子技术、通信技术、微计算机处理技术的日新月异，阀门的控制也朝着集成化、智能化的方向发展。本系统采用AT89S52单片机为核心，通过控制步进电机来控制阀门的开度。系统采用闭环控制，有两种工作模式，一种是手动模式，通过控制板上的电位器向单片机输入需要的阀门开度，单片机接收数据并与当前阀门开度值比较，通过运算，产生一个控制信号，控制步进电机正转或反转，此过程中，系统不断采集阀门开度反馈值，得到新的控制信号，直至阀门开到设定值；另一种是自动方式，通过上位机界面控制阀门的开度。上位机界面采用MCGS编写。 论文主要介绍了下位机设计、上位机设计。下位机设计包括两大板块：软件和硬件。软件方面，本系统选用keil编写，语言选C程序 ；硬件以Atmel公司的AT89S52单片机为核心，主要有模式选择模块、AD转换模块、串口通讯模块。AD芯片采用PCF8591，串口采用RS232协议。上位机包括驱动设计和组态设计，驱动用MCGS脚本开发工具编写，组态在MCGS组态环境中进行。
目 录
摘 要 II
ABSTRACT III
目 录 IV
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 当前研究概况及发展趋势 1
1.3 设计任务 1
1.4课题完成的工作 2
第2章 整体方案设计 4
2.1 引言 4
2.2 系统概述 4
2.3 下位机概述 5
2.3.1 下位机硬件概述 5
2.3.2 下位机软件概述 6
2.4 上位机概述 8
2.5本章小结 9
第3章 下位机系统设计 10
3.1 引言 10
3.2 下位机硬件设计 10
3.2.1 51系列单片机介绍 10
3.2.2分模块设计 11
3.3 下位机软件设计 17
3.3.1 Keil介绍 18
3.3.2分模块程序设计 20
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
/> 3.4 本章小结 25
第4章 上位机设计 26
4.1 引言 26
4.2上位机驱动设计 26
4.2.1 MCGS可扩充性 26
4.2.2 MCGS单片机驱动开发 27
4.3上位机组态设计 30
4.3.1 MCGS组态环境 30
4.3.2 MCGS组态设计 31
4.4 本章小结 36
第5章 调试 37
5.1 下位机调试 37
5.2 上位机调试 38
第六章 结论与展望 39
6.1 结论 39
6.2 展望 39
参考文献 40
致谢 41
附录一、部分程序 42
附录二、文献翻译 49
第1章 绪论
1.1 引言
阀门作为管道中的重要执行机构，广泛应用于水利、工业等领域中，随着科学技术的不断发展和在社会需求的引导下，阀门的种类也越来越多，越来越杂，阀门的控制也正朝着集成化、智能化的方向发展。
1.2 当前研究概况及发展趋势
阀门的控制最初采用直接手动控制方式，即人工掰动阀的机械控制臂来控制阀的开启或关闭。这种原始的方法成本低，设计简单，但其弊端也很明显，因为阀的控制完全依赖于人的手动操作，浪费人力；另外，管道阀门一般位于高空或暗道等处，人很难到达阀门现场进行操作，这给这种原初的方法提出了挑战[15]。
随着科学技术的进步，微电子技术、计算机控制技术的蓬勃发展，这种完全依赖人工操作的阀门控制方式已渐渐被以微电子技术为核心的新型智能控制器所取代，机电一体化的发展对智能化、数字化的阀门控制系统提出迫切需要[14]。
1.3 设计任务
本课题主要针对当前阀门控制的需要，设计一种数字化、远程化的控制系统。需要进行软件、硬件及上位机设计。
系统有两种工作模式，手动和远程自动。单片机控制步进电机带动阀门打开或关闭，并设有反馈，把阀门位置反馈给单片机，单片机将反馈值和设定值比较计算出控制量，将信号发给步进电机，步进电机根据控制信号转动一定的角度，然后将阀门位置反馈给控制中心，直到阀门开到预设开度。
需要具备远程通讯功能，常规的阀门控制器只能进行现场控制，给操作带来了不便。远程控制免除了阀门现场控制的烦恼，操作人员只需坐在电脑前，通过上位机界面就可以实时查看阀门状态，随时对阀进行控制。
需设计上位机控制界面。友好的界面能给操作人员的操作带来方便，友好的界面需要简洁实用，功能完全，界面还需给人直观形象的感受；必要时辅以相应动画模拟现场阀门的开关过程。另外，必要时，操作界面给出必要提示，以提高系统操作的简便性，降低操作人员操作难度，操作人员不必懂上位机的具体细节和系统工作流程，就能轻松地使用界面控制下位机。
1.4课题完成的工作
本课题根据任务要求，完成了基于单片机的管道阀门控制系统的设计。课题只涉及控制部分，其中阀门用电位器模拟，后面涉及，均用阀门电位器表示。系统所完成的工作，主要涉及以下几个方面：
1. 控制系统整体方案设计[1][8][12]
系统以AT89S52单片机为核心，通过控制步进电机来控制阀门电位器转动一定角度，阀门电位器将转过的角度通过AD转换芯片传给单片机，形成反馈，构成闭环控制系统。控制系统设有两种工作模式，一种是手动模式，通过控制板上的电位器向单片机输入需要的阀门开度，单片机接收数据并与当前阀门开度值比较，通过运算，产生一个控制信号，控制步进电机正转或反转，此过程中，系统不断采集阀门开度反馈值，得到新的控制信号，直至阀门开到设定值；另一种是远程方式，通过上位机界面控制阀门的开度。
2. 下位机设计
下位机由软硬件构成。
硬件主要有单片机最小系统模块、模式选择模块、串口通讯模块、步进电机驱动模块、AD转换模块及液晶显示模块。具体细节将在本文第3章第2节介绍。
软件主要由模式选择模块、AD转换模块、步进电机控制模块、液晶显示模块、串口通讯模块构成。具体细节将在本文第3章第3节介绍。
3. 上位机设计[8][9]
上位机由组态软件MCGS构建，主要由MCGS驱动构件和和MCGS界面两部分构成。
MCGS驱动程序利用MCGS高级工具开发包，使用MCGS的脚本语言编写，简单易行。然后将自己编写好的驱动构件挂接到MCGS工程的设备窗口下。具体细节将会在本文第4章第2节介绍。
MCGS组态则根据具体需要，按照控制流程，将控制逻辑用MCGS里的合适构件恰到好处地表达出来，给用户一个简单易操作，可靠且形象的界面。具体细节将会在本文第4章第3节介绍。
4. 调试
设计过程中，我将整个控制系统划分为不同的功能模块，先对每个模块进行了原理性调试，确保每个功能模块都能可靠工作后，再一个一个地将不同的功能模块有机组合起来进行调试，最后完成整个系统调试工作。论文第5章将对系统的调试过程、调试过程中碰到的问题以及如何解决这些问题作详细的介绍。
目 录
摘 要 II
ABSTRACT III
目 录 IV
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 当前研究概况及发展趋势 1
1.3 设计任务 1
1.4课题完成的工作 2
第2章 整体方案设计 4
2.1 引言 4
2.2 系统概述 4
2.3 下位机概述 5
2.3.1 下位机硬件概述 5
2.3.2 下位机软件概述 6
2.4 上位机概述 8
2.5本章小结 9
第3章 下位机系统设计 10
3.1 引言 10
3.2 下位机硬件设计 10
3.2.1 51系列单片机介绍 10
3.2.2分模块设计 11
3.3 下位机软件设计 17
3.3.1 Keil介绍 18
3.3.2分模块程序设计 20
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
/> 3.4 本章小结 25
第4章 上位机设计 26
4.1 引言 26
4.2上位机驱动设计 26
4.2.1 MCGS可扩充性 26
4.2.2 MCGS单片机驱动开发 27
4.3上位机组态设计 30
4.3.1 MCGS组态环境 30
4.3.2 MCGS组态设计 31
4.4 本章小结 36
第5章 调试 37
5.1 下位机调试 37
5.2 上位机调试 38
第六章 结论与展望 39
6.1 结论 39
6.2 展望 39
参考文献 40
致谢 41
附录一、部分程序 42
附录二、文献翻译 49
第1章 绪论
1.1 引言
阀门作为管道中的重要执行机构，广泛应用于水利、工业等领域中，随着科学技术的不断发展和在社会需求的引导下，阀门的种类也越来越多，越来越杂，阀门的控制也正朝着集成化、智能化的方向发展。
1.2 当前研究概况及发展趋势
阀门的控制最初采用直接手动控制方式，即人工掰动阀的机械控制臂来控制阀的开启或关闭。这种原始的方法成本低，设计简单，但其弊端也很明显，因为阀的控制完全依赖于人的手动操作，浪费人力；另外，管道阀门一般位于高空或暗道等处，人很难到达阀门现场进行操作，这给这种原初的方法提出了挑战[15]。
随着科学技术的进步，微电子技术、计算机控制技术的蓬勃发展，这种完全依赖人工操作的阀门控制方式已渐渐被以微电子技术为核心的新型智能控制器所取代，机电一体化的发展对智能化、数字化的阀门控制系统提出迫切需要[14]。
1.3 设计任务
本课题主要针对当前阀门控制的需要，设计一种数字化、远程化的控制系统。需要进行软件、硬件及上位机设计。
系统有两种工作模式，手动和远程自动。单片机控制步进电机带动阀门打开或关闭，并设有反馈，把阀门位置反馈给单片机，单片机将反馈值和设定值比较计算出控制量，将信号发给步进电机，步进电机根据控制信号转动一定的角度，然后将阀门位置反馈给控制中心，直到阀门开到预设开度。
需要具备远程通讯功能，常规的阀门控制器只能进行现场控制，给操作带来了不便。远程控制免除了阀门现场控制的烦恼，操作人员只需坐在电脑前，通过上位机界面就可以实时查看阀门状态，随时对阀进行控制。
需设计上位机控制界面。友好的界面能给操作人员的操作带来方便，友好的界面需要简洁实用，功能完全，界面还需给人直观形象的感受；必要时辅以相应动画模拟现场阀门的开关过程。另外，必要时，操作界面给出必要提示，以提高系统操作的简便性，降低操作人员操作难度，操作人员不必懂上位机的具体细节和系统工作流程，就能轻松地使用界面控制下位机。
1.4课题完成的工作
本课题根据任务要求，完成了基于单片机的管道阀门控制系统的设计。课题只涉及控制部分，其中阀门用电位器模拟，后面涉及，均用阀门电位器表示。系统所完成的工作，主要涉及以下几个方面：
1. 控制系统整体方案设计[1][8][12]
系统以AT89S52单片机为核心，通过控制步进电机来控制阀门电位器转动一定角度，阀门电位器将转过的角度通过AD转换芯片传给单片机，形成反馈，构成闭环控制系统。控制系统设有两种工作模式，一种是手动模式，通过控制板上的电位器向单片机输入需要的阀门开度，单片机接收数据并与当前阀门开度值比较，通过运算，产生一个控制信号，控制步进电机正转或反转，此过程中，系统不断采集阀门开度反馈值，得到新的控制信号，直至阀门开到设定值；另一种是远程方式，通过上位机界面控制阀门的开度。
2. 下位机设计
下位机由软硬件构成。
硬件主要有单片机最小系统模块、模式选择模块、串口通讯模块、步进电机驱动模块、AD转换模块及液晶显示模块。具体细节将在本文第3章第2节介绍。
软件主要由模式选择模块、AD转换模块、步进电机控制模块、液晶显示模块、串口通讯模块构成。具体细节将在本文第3章第3节介绍。
3. 上位机设计[8][9]
上位机由组态软件MCGS构建，主要由MCGS驱动构件和和MCGS界面两部分构成。
MCGS驱动程序利用MCGS高级工具开发包，使用MCGS的脚本语言编写，简单易行。然后将自己编写好的驱动构件挂接到MCGS工程的设备窗口下。具体细节将会在本文第4章第2节介绍。
MCGS组态则根据具体需要，按照控制流程，将控制逻辑用MCGS里的合适构件恰到好处地表达出来，给用户一个简单易操作，可靠且形象的界面。具体细节将会在本文第4章第3节介绍。
4. 调试
设计过程中，我将整个控制系统划分为不同的功能模块，先对每个模块进行了原理性调试，确保每个功能模块都能可靠工作后，再一个一个地将不同的功能模块有机组合起来进行调试，最后完成整个系统调试工作。论文第5章将对系统的调试过程、调试过程中碰到的问题以及如何解决这些问题作详细的介绍。
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