单片机的微量计量泵闭环控制系统开发设计

摘 要

　　计量泵作为一种专门用于流体精确计量的特殊泵,已被广泛的应用在国民经济发展的各行各业中。随着生产工艺和自动化控制要求的提高,对计量泵也提出了更严格的标准。由于国产计量泵控制方式的精度不理想、流量显示不直观、可靠性差,无法满足对现代化工业生产工艺的控制需求。近些年,随着机电一体化迅速崛起和快速发展,在测控领域掀起了一场新的革命,也对计量泵的控制提出来更高的要求。

　　本文以 MSP430 系列超低功耗单片机为控制核心,设计了一套可以通过控制步进电机方向和转速,来实现流量控制的微量计量泵闭环控制系统。论文的主要研究内容如下:

　　首先,在对微量计量泵控制系统的各组成环节进行数学理论分析的基础上,建立整个系统正确的数学模型,设计了与控制系统相匹配的模糊控制器,以达到流量的智能控制。用 Matlab/Simulink 仿真验证了在步进电机的不同励磁方式下该模糊控制器的精确性和稳定性。

　　其次,采用 MSP430 作为主控芯片,以步进电机为控制对象,以增量式光电编码器为检测反馈元件,设计了系统的硬件功能电路,包括系统电源电路、按键电路、LCD 显示电路、步进电机驱动电路、转速采集电路和报警电路等。用 IAR Embedded Workbench开发平台编写调试与硬件系统相适合的软件程序。软硬件相结合实现了包括按键控制步进电机转动状态,直观显示步进电机转速和光电编码器采集以及报警等功能。

　　最后,通过 VB(Visual Basic)上位机开发软件设计了微量计量泵系统的上位机控制显示界面,使其具有直观显示系统的工作模式和流量数据的功能。采用 RS232 标准串口实现控制系统上下位机的相互通信。上位机通过 COM 组件调用模糊 PID 运算,实现精确的流量控制。

　　关键词:MSP430 单片机;模糊 PID 控制器;VB6.0

Abstract

　　Metering pump, as a specific pump designed for accurate measurement of fluid, has been widely used in various industries of our developmental national economy. With the improvement of the production technology and automation control, more strict standards are raised for metering pumps. Due to its poor control precision, indirect flow indication and unreliability, the metering pump is unable to meet the control requirements of modern industrial production processes. In recent years, with the rapid rise and development of mechatronics, a new revolution sets off in the field of measurement and control. Strict requirements are proposed for the control of the metering pump.

　　The article sets the low power consumption MSP430 series microcontroller as the core, and designs a closed-loop control system for the micro-metering pump to achieve flow control by controlling the direction and speed of the stepper motor. The main research contents are as follows:

　　Firstly, carry out mathematical analysis on each component part of the control system and establish the correct mathematical model for the entire system. In order to achieve intelligent control of the flow, a fuzzy controller is designed to match the control system. Using Matlab/Simulink to simulate and verify the accuracy and stability of the fuzzy controller on different exciting mode of the stepper motor.

　　Secondly, the function circuit of the hardware system, including the system power circuit,the button circuit, the LCD display circuit, the stepper motor drive circuit, the speed acquisition circuit and the alarm circuit, is designed using MSP430 as the main control chip, the stepper motor as control object and the incremental photoelectric encoder as feedback element for detection. Write and debug software program which fit the hardware system with IAR Embedded Workbench. Combination of hardware and software guarantees the implementation of buttons control of the stepper motor rotation status, visual display of the stepper motor speed, photoelectric encoder acquisition and alarm functions.

　　Finally, an upper computer controlled display interface for micro-metering pump in an operating mode with intuitive display system and flow data is designed using Visual Basic (VB) upper computer software. In order to realize the communication between the upper and lower computer, a standard RS232 serial interface is employed. The upper computer calls fuzzy PID operation through the COM component to achieve precise control of the flow.

　　Key Words:MSP430 microcontroller, Fuzzy PIDcontroller, VB6.0

　　作为一种专门用于流体精确计量的特殊泵,计量泵距今已有 80 年的发展史[1],它的应用早已扩展到经济生产的各行各业,尤其是被广泛应用于石油、制药、化工、食品等行业。由于现代化工业对生产设备的自动化水平要求更高,人们更加注重自动化生产和安全生产的重要性。为了适应市场需求,计量泵应与智能控制技术相结合,实现复杂精确的控制[2,3]。

　　对于生产、生活中常见的小于 5L/h 的计量泵我们称之为微量计量泵。其主要组成部分为动力驱动装置、泵头流体输送和控制系统。微量计量泵有多种类型,其中柱塞式微量计量泵以其简单的结构和极限温度、压力情况下的良好性能而倍受生产企业青睐。

　　1936 年,美国米顿罗·西恩发明了世界上第一台计量泵,开创了计量泵产业的诞生。

　　1939 年,第一台液压驱动隔膜计量泵在纽约问世。首台电磁计量泵于 1963 年在德国出现。在计量泵发展的初期,其运动冲程是不可调节的,要改变流量只能通过变换液体的出口位置来实现。另外,计量泵的动力驱动机构和液体传送机构是分来的,占据了很大的体积,容易发生故障。随着机械设计和加工技术的发展,这两部分逐渐改进成为一体,减少了故障的发生。各行业对流量精确调节的工业要求使流量调节成为一个受人重视的领域,得到深入地研究和发展[5,6]。20 世纪 70 年代,计量泵行业的专家就提出流量可以通过改变柱塞的行程进行调节。计量泵行业一直在电气控制和机电一体化方面寻求发展。电动伺服机的引入实现对计量泵的行程机构的自动控制。改变了长期以来,手动调节计量泵流量的操作方式。选用变频电机或者外控变频器控制冲程频率实现流量调节。

　　采用内部集成微处理器计算机实现流量的精确调节[7,8]。德国的普罗名特公司、德帕姆公司等研制生产的计量泵产品主要包括脉冲信号、4mA~20mA的电流信号和现场总线CAN-BUS(Controller Area Network-Bus,控制器局域网总线技术)控制技术等[9]。这些产品将多种调节方式和现场总线技术集成到计量泵中,针对不同的需求,只要适当的调整模块功能,就能满足不同的应用需要。

　　经过近 80 年的发展,目前计量泵有很多种,按过流部分分类可划分为柱塞式、隔膜式和齿轮式。按照驱动方式可分为电机驱动式、电磁驱动式和气动式。

　　柱塞式计量泵是产生最早,结构简单,价格低廉且排压高。柱塞泵是由驱动机构带动柱塞作往复运动,将液体吸入,加压后排出。柱塞在往复运动中,由于液体的研磨作用,使柱塞磨损很快,使计量泵的使用寿命缩短,柱塞的更换增加了工业成本。而且,柱塞泵在往复运动中产生的脉动较大,使输出的液体流量不稳定。此外,柱塞泵的轴封是填料密封式的,有泄露,还要定期填料。由于计量介质和泵内润滑剂之间无法完全隔离,亦无法满足高防污染的要求,这些缺点使柱塞计量泵在应用中受到诸多限制。但是在过去几十年的发展中,柱塞泵一直保持着重要的地位,大部分产品被用于电厂和石油化工领域。

　　为了满足计量介质无污染无泄漏的要求,在柱塞式计量泵的结构基础上,出现了隔膜式的过流端泵头结构,隔膜式计量泵又分为机械式隔膜计量泵和液压式隔膜计量泵。

　　它们的主要区别在于驱动机制的不同。机械式隔膜计量泵是机械传动直接作用于隔膜上,在驱动机构的作用下将液体吸入后加压排出,而液压式是由活塞驱动液压油,再推动隔膜运动。由特殊加工制成的隔膜耐磨程度高,提高了计量泵的使用寿命。而且,运行更加可靠,对工作环境要求低,易维修并且维修更换成本低。所以,这种性价比高的计量泵成为了主力泵,被迅速推广,如今它的应用非常广泛[10]。

　　齿轮泵特殊的结构使其输出的流量与排压无关,只能作为定量泵使用。

　　国外的计量泵产业起步早,这一新兴行业已经得到了很好的发展。目前,国外的计量泵种类较多,主要有机械驱动式柱塞计量泵,机械驱动式隔膜计量泵,电磁驱动式计量泵和液压驱动式计量泵。近几年来,国外的产品结合了不少先进的现代微电子技术与二次仪表等自动控制技术。目前国外的计量泵制造业渐渐从供应纯粹的计量泵设备发展成提供一套完整的控制方案和设备,使用户不用再考虑安装设备之间的不兼容,这一改变提高了工业生产效率,促进计量泵的产业的发展。

　　国内计量泵产业兴起于 20 世纪 70 年代初,虽然起步相对晚,但是借鉴了国外的制造技术,起点较高,由于当时的工业生产能力有限,加上没有足够注重后续的开发设计,使得该产业发展缓慢。随着中国经济形势一片大好,国内出现了大批计量泵生产制造厂家,推出的产品成本低、售价便宜,但其性能远不如国外的同类产品。如今国产的计量泵主要有机械驱动柱塞计量泵和液压驱动隔膜计量泵两种。要想拓展国产计量泵的应用市场,必须提高产品的含金量,使产品与先进的测量控制手段相结合。

　　近些年来,国内的微量计量泵成果层出不穷。运用PLC完成对行程和网络的控制[11]。

　　伴随着模糊控制理论的发展,使得变频计量泵稳定性能、精确性能得以优化[12]。与单片机控制相结合的计量泵流量控制器具有直观显示功能[13]。这些新型控制方式的出现,让国内计量泵产业的发展出现新气象。

单片机的微量计量泵闭环控制系统开发设计

IAR Embedded Workbench 的软件界面截图

COM 组件生成截图

调用动态链接库截图

控制系统登录界面截图

微量计量泵参数设置界面截图

微量计量泵控制系统实验平台连接实物图

目 录

　　摘 要
　　Abstract
　　目 录
　　1 绪论
　　　　1.1 课题的研究背景
　　　　1.2 微量计量泵简介
　　　　1.3 MSP430 单片机简介
　　　　1.4 计量泵机电一体化的发展
　　　　1.5 微量计量泵的国内外现状和发展趋势
　　　　1.6 课题研究的意义
　　　　1.7 课题主要研究内容和框架
　　2 微量计量泵系统建模和模糊PID控制器设计仿真
　　　　2.1 微量计量泵的工作原理
　　　　2.2 控制系统结构分析
　　　　2.3 控制系统数学模型
　　　　　　2.3.1 驱动器数学模型
　　　　　　2.3.2 两相混合步进电机数学模型
　　　　　　2.3.3 同步带的数学模型
　　　　　　2.3.4 光电编码器的数学模型
　　　　2.4 PID控制理论
　　　　2.5 模糊控制原理
　　　　2.6 模糊PID算法
　　　　2.7 模糊PID控制器的设计方法
　　　　2.8 模糊PID控制算法的Matlab仿真
　　　　2.9 小结
　　3 微量计量泵控制系统硬件设计
　　　　3.1 控制系结构及工作原理
　　　　3.2 主控芯片及外围电路设计
　　　　　　3.2.1 主控芯片的选择
　　　　　　3.2.2 单片机工作的最小系统
　　　　　　3.2.3 操作按键电路
　　　　　　3.2.4 数字显示电路
　　　　　　3.2.5 光电传感器电路
　　　　　　3.2.6 上位机通信电路设计
　　　　　　3.2.7 报警电路
　　　　3.3 步进电机驱动电路设计
　　　　3.4 光电编码器的选择与连接
　　　　3.5 电源转换电路设计
　　　　3.6 硬件抗干扰设计
　　　　3.7 小结
　　4 系统软件构成
　　　　4.1 软件开发环境
　　　　4.2 系统软件的结构
　　　　　　4.2.1 主程序设计
　　　　　　4.2.2 按键操作与延时消抖模块
　　　　　　4.2.3 步进电机驱动控制程序
　　　　　　4.2.4 转速检测模块
　　　　　　4.2.5 LCD1602 液晶显示模块
　　　　　　4.2.6 上位机通信模块
　　　　　　4.2.7 报警处理模块
　　　　4.3 软件抗干扰设计
　　　　4.4 小结
　　5 上位机软件的实现及VB界面设计
　　　　5.1 模糊PID控制算法的实现
　　　　5.2 VB内核中调用COM组件
　　　　5.3 微量计量泵登录界面
　　　　5.4 系统整体测试
　　　　5.5 小结
　　结 论
　　致 谢
　　参考文献

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