第1章 总体方案设计
根据毕业设计任务书要求，确定对某厂房的暖通系统进行机电一体化改造，达到将厂房的白天工作温度控制在18～22摄氏度之间，夜晚的非工作时间控制在6～10摄氏度之间，以节约能源。重点是电动调节阀、微机控制系统和相关软件的设计，总体方案如下：
§1.1机械系统设计方案
机械系统主要是设计电动调节阀，用于控制热媒的流量。电动调节阀由电动执行机构和调节机构组成。具体包括步进电动机、减速器、滑动丝杠、导杆、联轴器、阀门、机座等。为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滑动丝杠螺母副，因为滑动丝杠有自锁功能，比较适合垂直安装。其中螺母用工程塑料制作，以减少摩擦。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。由于该电动调节阀是垂直安装的，属于轻载、低速的丝杠传动系统，所以选用了双推-自由式支撑方式。机械系统中还设计了齿轮减速箱和推进装置箱，用以对这两部分传动机构进行封闭，支撑。步进电机通过减速装置带动丝杠转动，导杆限制了螺母的转动，所以螺母上下移动，通过联轴器等连接装置推动阀门的阀芯，达到控制水流量的目的。
§1.2计算机系统方案
根据毕业设计任务书要求，本次设计的控制系统采用闭环控制方案。控制用微机选用8051单片机。检测传感元件有温度传感器，温度传感器的AD转换模块选用ADC0804。LED显示采用七段LED显示快，用于显示工业厂房的室内温度，锁存器选用74LS273。步进电机驱动选用专用的SD-2H044MA两相混合式步进电机驱动器，控制步进电机的正反转。此外还设计了一些状态指示灯和操作键，用于系统运行状态的指示和操作。
§1.3传感器选用方案
本次设计温度传感器采用STT-R-A1-B2-C20-D1-E2 F2 G1 H1-L3-PA-T2- W2-S1型铂电阻温度传感器，测量温度范围为-50～100℃。STT-R系列铂电阻温度传感器是北京赛亿凌科技有限公司的高科技产品，采用不锈钢外壳封装，内部填充导热材料和密封材料灌封而成，尺寸小巧，防水防震性能极佳，可达IP67，能
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够满足对该工业厂房室内环境温度测量的要求。位置传感器选用Honeywell公司的914CE1-12型限位开关，该产品微型体积，执行广泛可选，精密动作特性，铸锌外壳，安装支架可选，橡胶密封，预引线，装设在导杆的两个极端位置，用于步进电机的强停。
第2章 电动调节阀机械部分设计计算
机械部分设计计算内容包括:确定系统的负载,确定系统脉冲当量,运动部件惯量计算,起动及力矩计算,确定步进电动机,运动及导向元件的设计,计算及选用,绘制机械部分装配图及零件工作图等。
§2.1 确定系统脉冲当量及输出推力
电动调节阀选用永嘉新奥自控阀门有限公司的ZDLP型电子电动单座调节阀。公称直径DN32的该型电动调节阀原配用的电动执行机构型号为361LSA-20，具体参数见表2-1中黑体字部分，耗电功率（额定负载时）为50VA，最大行程L为30mm，动作速度2.1mm/s，输出推力为2000N。现利用其阀体，将其电动执行机构拆除，换用自己设计的电动执行机构。
表2-1 执行机构主要技术参数
型号 361LSA-08 361LXA-08 361LSA-20 361LXA-20 361LSB-30 361LXB-30 361LSB-50 361LXB-50 361LSC-65 输出推力N 800 800 2000 2000 3000 3000 5000 5000 6500 速度mm/s 4.2 4.2 2.1 2.1 3.5 3.5 1.7 1.7 2.8 2.0 1.0 最大行程（mm） 30 30 60 60 100 100 100 型号 PSL201 PSL202 PSL204 PSL208 PSL210 PSL312 PSL325 输出推力N 速度mm/s 最大行程（mm） 50 50 50 50 50 65 100 1000 0.4/1.2 2000 0.4/1.2 4500 0.4/1.2 8000 10000 12000 25000 1.0 1.0 1.0 1.0 361LSC-99 10000 361LSC-160 16000 本次设计的电动执行机构的行程L仍为30mm，动作速度改为2mm/s。本设计设定步进脉冲当量：0.01mm/脉冲。
由于步进电动机的工作特点是一个脉冲走一步，每一步都有一个加速过程，
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因而对负载惯量很敏感。为满足负载惯量尽可能小的要求，同时也满足一定的脉冲当量，故采用齿轮降速传动。有关参数计算见下几节内容。
§2.2 滑动丝杠螺母副的计算和选型
一、 滑动丝杠副的组成及特点
许多滑动丝杠的导程精度都可以达到磨制螺杆的品质，尤其是滚轧成型的精密滑动丝杠，比如Kerk Motion公司生产的，再配上以工程塑料制作的螺母部件，已能够超越滚珠丝杠的使用寿命。只需关注一下汽车工业，就可以发现有许多可用的现代合成材料，完全适用于上述工作要求。如今生产的滑动丝杠和螺母在很多方面都比滚珠丝杠副更胜一筹。
诚然，滚珠丝杠能够应对更高的设计载荷，拥有很高的传动效率，然而，在许多载荷较低且客户更为关注可靠性和可重复性的应用场合，滑动丝杠副却可以成为很好的替代品。在某些应用中，较低的传动效率反而成为滑动丝杠的一种优势，在立式应用或者设计人员不希望丝杠被逆向驱动的场合，滑动丝杠能够将负载保持在原位，而无需使用带抱闸的电机或者系统中附加的摩擦制动装置。从原则上讲，只要导程低于丝杠直径的三分之一，上述自锁条件就能够成立。
源于较低的传动效率，驱动滑动丝杠的力矩要求会高一些，为此也就需要力矩更大的电机。不过，这只是成本构成的一个方面，只要你把单位成本更高的滚珠丝杠，维护保养，润滑及其不利影响，立式应用中防止逆向驱动的抱闸，以及消除反向间隙的可选螺母等因素都考虑进来，那么滑动丝杠的总体成本和优势就足以显现出来了。
螺母材料的多样性可以有效提高设计的灵活性。滑动丝杠螺母材料的选用原则可以基于温度条件，运行PV（压力-速度）值，抗磨寿命要求，使用环境，以及成本等因素，例如，可供选用的材料特性包括：从-50℃到+150℃的温度允许范围，高达60,000psi-fpm的可用PV值，可提供5千万英寸累计工作行程的反向间隙消除能力，免维护运行，以及可用于污染和恶劣环境等。
二、 滑动丝杠螺母副的计算和选型
⑴计算进给率引力Fm（N）
纵向进给为综合型导轨 Fm?KFx
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=1.15×2000 =2300N
式中 K—考虑颠复力矩影响的实验系数,综合导轨取K=1.15；
⑵计算最大动负载C
C=3LfwFm L? n?60?n?T 6101000vs LO式中 LO—滑动丝杠导程，初选LO=4㎜；
vs—最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（12?13），此处
vs=0.12m/min；
T—使用寿命，按15000h
fw—运转系数，按一般运转取fw=1.2～1.5； L—寿命，以106转为1单位。 n? L?1000vs1000?0.12?0.5 ??15r/min LO460?n?T60?15?15000??13.5
106106 C=3LfwFm=313.5?1.2?2300?6572N
⑶滑动丝杠螺母副的选型
查资料，选用直径为20mm的滑动丝杠，其额定动负载为7600N。选用直径为70mm的塑料螺母，因为塑料螺母与钢制滑动丝杠的摩擦系数比较小，可以提高工作效率。
§2.3 齿轮传动比计算
一、降速比
本设计设定步进脉冲当量：0.01mm/脉冲，即δp=0.01，伺服进给单元所更
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换滑动丝杠导程t=4mm，初步选定步进电机步距角1.8°可计算降速比i：
二、齿轮参数
计算出传动比i以后，本设计方案选用一级齿轮传动，因为进给伺服系统传递功率不大，故取m=2。
由i=ω1/ω2=Z2/Z1（Z1、Z2为降速齿轮的齿数），选取齿数Z1=18、Z2=36。为了消除齿轮侧隙，采用双片齿轮，齿宽取5m。 齿轮各部分几何参数按表2-2计算。（单位：mm）
表2-2 传动齿轮几何参数齿 数1836分度圆d=mz3672齿顶圆da=d+2m4076齿根圆df=d-2×1.25m3167齿 宽5m1010中心距A=(d1+d2)/254 §2.4步进电机的计算和选型
一、 步进电机计算选型
1．转动惯量计算
丝杠的转动惯量 Js?7.8?10?4D4L?7.8?10?4?24?30?0.375kgcm2 齿轮的转动惯量 Jz1?7.8?10?4?3.64?2?0.262kgcm2 Jz2?7.8?10?4?7.24?2=4.192 kgcm2 电机转动惯量很小可忽略。 总的转动惯量：
J?1i2(Js?Jz2)?Jz1=1222(0.375?4.192)?0.262?1.404kgcm
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2．所需转动力矩计算 快速启动时所需力矩
M?Mamax?Mf
式中： Mamax——启动时折算到电机轴上的加速度力矩；
Mf——折算到电机轴上的摩擦力矩,相比启动时折算到电机轴上的加速度力矩可忽略；
Ma?Jn?104N?m 9.6T当n?nmax时，Ma?Mamax
nmax?Vmaxi120?2??60r/min S4Mamax?1.404?60?10?4?0.0293N?m?0.293kgf?cm
9.6?0.03
所以，快速启动所需力矩
M?Mamax?0.293kgf?cm
3．步进电机最高工作频率
fmax?Vmax120??200Hz 60??60?0.014．步进电机的选择
对于工作方式为五相十拍的步进电机
Tjmax?Mmax0.293??0.586kgf?cm?586g?cm 0.50.5查资料选用35BYG203型步进电机，其最大静转矩是900g?cm。步进电机驱动器选用型号为SD-2H044MA两相混合式步进电机驱动器。
二、35BYG203型步进电机性能
General Specifications（详细说明） 混合式步进电机
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Step Accuracy-------------------------------------±5% Temperature Rise--------------------------------80℃ Max. Ambient Temperature Range---------------------20℃~+50℃ Insulation Resistance-------------------100MΩ Min.50V DC Dielectric Strength---------------------500V AC 1minute
图2-1 35BYG203型步进电机外观图
表2-3 35BYG203型步进电机技术数据表
机身电机型号 步矩角 ( ° ) 长 L(mm) 35BYG203 1.8 26 相电压 (V) 2.4 相电流 (A) 1.5 转动相电阻 ( Ω ) 1.6 相电感 静力矩 (mH) (g.cm) 引线数 c㎡) 1.4 900 4 10 60 0.13 惯量 定位力矩 重量 (kg) (NO.) (g. (g.cm)
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图2-2 35BYG203型步进电机外形图
图2-3 35BYG203型步进电机接线图
图2-4 35BYG203型步进电机矩频特性图
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三、SD-2H044MA两相混合式步进电机驱动器
1、概述
SD系列步进电机及驱动器是由常州万泰电器有限公司最新推出的高科技产品。随着电子技术的高速发展，电子产品的工艺和性能也不断更新和提高，本产品采用超大规模的硬件集成电路，具有高度的抗干扰性及快速的响应性，从根本上解决了传统步进电机低速爬行、存在共振区、噪音大、高速力矩小、启动频率低及驱动器可靠性差等缺点。本品适合驱动相电流在4.2A以下的任何一款低压两相或四相步进电机，广泛应用于数控机床、纺织机械、针织设备、包装机械、医疗设备、电子元件制造等一系列自动化控制领域。 2、特点
先进的双极性恒流斩波驱动技术。
高速力矩输出提高40％，避免丢步（空载启动速度达300～420r/min）最高转速达3500 r/min。
灵活的输出电流设定，适配不同型号电机，同时具备自动半电流功能，减少电机发热。
最大128细分设定，满足各种机械传动，而且不影响其输出力矩。 输入脉冲模式设定及高低电平设定，便于用户使用。
保护功能全：输入电源过压、欠压、输出过流、相间短路、驱动器高温等报警保护功能。
电机低速无爬行现象，噪音小，无共振区。 3、性能指标
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表2-4 SD-2H044MA步进电机驱动器电气性能表
输入电源 输出电流 驱动方式 绝缘电阻 绝缘强度 重 量 24～50V直流电源供电，容量：不小于200VA。典型值：DC36V 1.13A～4.25A，8档可调，分辨率0.41A。 双极恒流PWM驱动输出。 常温常压下＞500MΩ。 常温常压下500V/分钟。 约300克。 注：环境温度Tj＝25oC时
表2-5 SD-2H044MA步进电机驱动器环境要求表
冷却方式 使用场合 使用温度 环境湿度 震 动 保 存 4、功能及使用 ??电源接口DC+、DC-
直流24～50DC，通常采用线性电源（见附录：线性电源原理图）供电，用户须注意整流滤波后电源纹波电压，不可超过50VDC，以免损坏驱动器，线性电源的额定输出电流应大于驱动器设定电流的60％。当采用开关电源供电时，应注意其标称的额定输出电流，尽量选购与电机相电流匹配的开关电源。一般的，电源电压越高，电机的力矩输出越大，可避免高速丢步现象，但同时也会导致低速振动加大以及发热，使用时应根据现场机械要求合理调整供电电压，我们通过试验得出，最为理想的电压范围为30VDC～40VDC之间。
接线时应特别注意输入电源极性，DC+为电源正极；DC-为电源地，错误的接线可导致驱动器损坏！
自然冷却。 避免粉尘、油雾及腐蚀性气体。 0oC～＋50oC。 ＜80％RH，不凝露，不结霜。 最大不超过5.7m/s。。 －20oC～＋125oC，避免灰尘，最好使用原包装盒。 2 10
为满足驱动器电磁兼容性要求，推荐使用本公司为驱动器设计的直流电源供电。
??设定输出电流
本驱动器设计8档输出电流选择，由驱动器上的编码开关（SW1 SW2 SW3）设定，电流大小以最大值标称。SD-2H044MA型驱动器最大可提供4.25A的输出电流，电流设定分辨率为0.41A。编码开关（SW1 SW2 SW3）组合的每一种状态代表一个电流值输出设定，参见表2-6，本设计采用第2种编码组合，即输出电流为1.53A。
表2-6 SD-2H044MA步进电机驱动器电流输出设定表
序号 1 2 3 4 SW1 ON OFF ON OFF SW2 ON ON OFF OFF SW3 ON ON ON ON 输出电流 1.13A 1.53A 1.93A 2.41A 序号 5 6 7 8 SW1 SW2 SW3 ON OFF ON ON ON OFF OFF 输出电流 2.86A 3.36A 3.79A 4.25A OFF OFF OFF OFF OFF 在设定此参数时务必使驱动器处于不加电源或加电源但电机未运行的状态，这样可避免因电流突变对驱动器功率逆变部分产生的冲击。参数设定完毕请关闭电源，重新上电后新参数才会有效。不规范的操作可能会造成驱动器的损坏！ ??自动半电流
驱动器在控制脉冲信号停止施加0.1秒左右，会自动进入半电流状态，这时电机相电流为运行时的50%，以降低功耗和保护电机，收到新的控制脉冲后驱动器自动退出半点流状态，此功能由驱动器面板上拨码开关（SW4）来设定：OFF－－自动半流有效、ON－－自动半流无效。自动半电流设定同样是必须在驱动器未加电或已加电但电机未运行时，设定完毕请关闭电源，重新上电后新参数才会有效。
??驱动器细分设定
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用户可以通过调整驱动器面板上拨码开关（SW5 SW6 SW7 SW8）的状态来设定15种细分模式。此15种细分模式基本上涵盖了用户对电机步距角的要求。具体设置参见表2-7或驱动器的外壳丝印面板图，本设计不采用细分设定，表2-7仅供参考。细分数设定同样是必须在驱动器未加电或已加电但电机未运行时。设定完毕请关闭电源，重新上电后新参数才会有效。
表2-7 SD-2H044MA步进电机驱动器细分设定表
SW5 SW6 SW7 SW8 每转脉冲 400 800 1000 1600 2000 3200 4000 步距角 0.900 o 0.450 o 0.360 o 0.225 o 0.180 o 0.1125 o 0.090o SW5 SW6 SW7 SW8 每转脉冲 5000 6400 8000 10000 12800 20000 25000 25600 步距角 0.072 o 0.05625 o 0.045o 0.036 o 0.028125 o 0.018 o 0.0144 o 0.014063 o OFF ON ON ON ON ON ON OFF ON OFF OFF OFF ON OFF ON ON OFF OFF OFF ON ON ON ON OFF OFF OFF OFF ON OFF OFF ON OFF OFF ON OFF ON ON ON OFF OFF ON OFF ON ON ON ON ON OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF ON OFF OFF ON ???控制脉冲模式选择（J1，J2）
用户可以通过改变驱动器内部电路板上跳线开关（J1,J2）的状态来设定接
收控制脉冲的形式，本设计采用第1种模式，即脉冲加方向模式（PULS+DIR）正逻辑。跳线开关J1的定义是：ON－－脉冲加方向模式；OFF－－双脉冲模式。跳线开关J2的定义是：ON－－脉冲上升沿有效；OFF－－脉冲下降沿有效。具体设置参见下表。
通常的，控制脉冲有四种形式如下图所示：脉冲加方向模式（PULS+DIR）正逻辑、双脉冲模式（CW+CCW）正逻辑、脉冲加方向模式（PULS+DIR）负逻辑、双脉冲模式（CW+CCW）负逻辑。脉冲加方向模式下控制脉冲由驱动器脉冲接收端口（PULS+、PULS-）输入，而驱动器方向端口（DIR+ 、DIR-）的电平高低决定电机的旋转方向；双脉冲模式下，驱动器脉冲端口（PULS+、PULS-）接收正转指令脉冲，驱动器方向端口（DIR+ 、DIR-）接收反转指令脉冲。无论是哪一种控
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制脉冲形式，驱动器内部都是用高速光耦来接收的。控制脉冲形式设定必须在驱动器未加电或已加电但电机未运行时，设定完毕不用关闭电源新参数即可生效。
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图2-5 SD-2H044MA步进电机驱动器控制脉冲设置图
????保护功能
当输入电源过压、输出过流、相间短路报警中任何一个报警产生时，驱动器面板上的红色状态指示灯会亮起，同时自动切断电机使能，使电机处于脱机状态。最大限度的保护驱动器和电机的安全。 5、控制接口
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??脉冲输入接口PULS+、PULS-
步进脉冲接口PULS：步进电机驱动器把上位控制装置发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，驱动器每接受一个脉冲信号PULS，就驱动步进电机旋转一个步距角，PULS的频率和步进电机的转速成正比。该信号接收为标准差分接收电路，推荐指令脉冲采用差分输出方式，实际中指令脉冲也存在集电极开路输出方式，在标准接线图中我们将详细介绍。对于最佳输入要求，此信号最好是占空比1：1，脉冲信号的频率要求不大于500KHz；脉冲信号的宽度要求不小于1μS，详细要求见下图。
??方向输入接口DIR+、DIR-
方向电平信号DIR：此信号决定电机的旋转方向。比如说，此信号为高电平时电机为顺时针旋转，此信号为低电平时电机则为反方向逆时针旋转，此种换向方式，我们称之为脉冲加方向模式。另外，还有一种双脉冲驱动模式：驱动器接受两路脉冲信号（CW；CCW），当其中一路（如CW）有脉冲信号时，电机正向运行，当另一路（如CCW）有脉冲信号时，电机反向运行。当采用双脉冲驱动模式时，脉冲输入接口PULS+、PULS-连接正转脉冲信号CW，方向输入接口DIR+、DIR-连接反转脉冲信号CCW。该信号接收同样为标准差分接收电路。
如果驱动器输入信号为电压信号，要求：3.6V≤高电平≤5.5V； -5.5V≤低电平≤0.3V，最常用的为TTL电平。如果驱动器输入信号为电流信号，要求：7mA≤高电流≤18mA； -18mA≤低电流≤0.2mA。脉冲信号的频率要求不大于500KHz；脉冲信号的宽度要求不小于1μS；脉冲信号的驱动电流要求为7-18mA。 ??使能信号接口ENBL+、ENBL-：
使能信号ENBL：用驱动器的上下电进行电机通断电操作会使驱动器快速老化，为避免这种情况。本驱动器设计了使能信号（ENBL）输入端口，即通常所说的脱机电平信号（FREE）。用户可随时控制此信号，当此信号有效时，驱动器将自动切断电机绕组电流，使电机处于自由（不通电）状态。当此信号在不连接时
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默认为无效状态，这时电机绕组通过电流，可正常工作。此信号的接收电路与脉冲输入接口电路一致，此信号有效的含义为使得驱动器内部接收光耦导通。 ??电机动力输出：
本品适合驱动相电流在4.25A以下4线、6线或8线的任何一款两相或四相步进电机。电机绕组接线共有五种接法，见图2-6，本设计采用普通4线电机接线方式：
图2-6 SD-2H044MA步进电机驱动器电机接线图
根据上图所示的五种接线方式，应合理设定驱动器输出电流，理论上电流设定越大，电机力矩输出越大，可用于避免电机高速丢步现象，但同时也会引起电机的温升。一般的，高速输出的接线方式其输出电流设定在电机额定相电流的1.4倍；高力矩输出的接线方式其输出电流设定在电机额定相电流的70％。实际应用中，应将电流设定在电机长期工作表面温升不超过+80℃的范围内。 6、标准接线图
???NPN集电极开路脉冲控制方式：
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图2-7 SD-2H044MA步进电机驱动器标准接线图
7、安装尺寸
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图2-8 SD-2H044MA步进电机驱动器安装尺寸图
8、线性电源原理图
图2-9 SD-2H044MA步进电机驱动器线性电源原理图
图中：
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TX1为隔离变压器，根据电源负载确定其参数。一般的，变压器输出电压根据输出直流电压要求而定，整流滤波之后的直流电压VDC+≈1.414×Vout。当用于SD-2H044MA驱动器时，推荐电压器输出为AC21～28V。其中：变压器容量根据负载电流决定；C1为电解电容，推荐参数为：100V/2200uF；C2为无感突波吸收电容，推荐参数为：400V/0.22 uF；D1参数根据负载电流及输出电压而定。
第3章 电动调节阀微机控制系统
§3.1 8051单片机
本设计采用MCS-51系列单片机中的8051作为微机控制系统的核心。MCS-51系列单片机是目前8位微机中性能价格比最佳，应用较多的系列产品。8051片内有4KB的ROM。
一、8051单片机的基本特性
8051单片机具有以下特点：
⑴具有功能很强的8位中央处理单元（CPU）
⑵片内有时钟发生电路（6MHz或12MHz）、每执行一条指令时间为2?s或1?s。
⑶片内具有128字节RAM。 ⑷具有21个特殊寄存器。
⑸可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的外部程序存储器。 ⑹具有4个I/O口，32根I/O线。 ⑺具有2个16位定时器/计数器。 ⑻具有5个中断源，配备2个中断优先级。 ⑼具有一个全双工串行接口。 ⑽具有位寻址能力，适用逻辑运算。
二、8051芯片引脚及其功能
8051芯片具有40根引脚，见图3-1按其功能可以分为四类：
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图3-1 8051单片机引脚图
1．电源线 2根
VCC：编程和正常操作时的电源电压，接+5V。 VSS：地电平。
2．晶振 2根
XTAL1：振荡器的反相放大器输入。使用外部振荡器时必须接地。
XTAL2：振荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入。当使用外部振荡器
时用于输入外部振荡信号。
3．I/O口共有P0、P1、P2、P3四个8位口，32根I/O线，其功 能如下：
⑴P0.0～P0.7 （AD0～AD7）
是I/O端口0的引脚。端口0是一个8位漏极开路的双向I/O端 口。在存取外部存储器时，该端口分时地用作低8位的地址线和8位 双向的数据端口。 ⑵P1.0～P1.7
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端口1的引脚，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O通道，专 供用户使用。
⑶P2.0～P2.7 （A8～A15）
端口2的引脚，端口2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口， 在访问外部存储器时，它输出高8位地址（A8～A15）。 ⑷P3.0～P3.7
端口3的引脚。端口3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口， 该口的每一位均可独立地定义第一I/O口功能或第二I/O口功能。作 为第一功能使用时，口的结构与操作与P1口完全相同，第二功能如下 示： 口引脚 第二功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 INT0（外部中断） P3..3 INT1（外部中断） P3.4 T0（定时器0外部输入） P3.5 T1（定时器1外部输入） P3.6 WR（外部数据存储器写选通） P3.7 RD（外部数据存储器读选通） 4．控制线
⑴PSEN：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的读选通 信号，低电平有效。从外部程序存储器取数时，在每个机器周期内二 次有效。
⑵EA/VPP：EA为高电平时，CPU执行内部程序存储器的指令。
EA为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器的指令。因8051芯片没
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有内部程序存储器，故EA必须接地。
⑶ALE/PROG：ALE是地址锁存使能信号。作为地址锁存允许时 高电平有效。因为P0端口是分时传送数据和低8位地址。故访问外部 程序存储器时，ALE信号锁存低8位地址。即使在不访问外部程序存 储器时，也以1/6振荡频率的固定频率产生ALE，因此可以用它作为 外部的时钟信号。ALE主要是提供一个定时信号，在外部程序存储器 取令时，把P0口的低位地址字节锁存到外接的地址锁存器中。 ⑷RST/VPD
是复位/备用电源端。在振荡器运行时，使RST引脚至少保持两 个机器周期为高电平，可实现复位操作，复位后程序计数器清零，即 程序从0000H单元开始执行。在VCC关断前加上VPD（掉电保护）RAM 的内容将不变。
§3.2 其它辅助芯片的选择
本次设计中显示温度采用七段LED显示块，锁存器选用74LS273，74LS273是一种带清除功能的8D触发器， 1D～8D为数据输入端，1Q～8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作8位地址锁存器。具体引脚见图3-2。
图3-2 74LS273引脚图
温度传感器采用STT-R-A1-B2-C20-D1-E2 F2 G1 H1-L3-PA-T2-W2-S1型铂电
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阻温度传感器，AD转换模块选用ADC0804。
图3-3 ADC0804引脚图
ADC0804引脚功能及应用特性如下：
CS 、RD 、WR （引脚1、2、3）：是数字控制输入端，满足标准TTL 逻辑电平。其中CS 和WR 用来控制A/D 转换的启动信号。CS 、RD 用来读A/D 转换的结果，当它们同时为低电平时，输出数据锁存器DB0~DB7 各端上出现8 位并行二进制数码。CLKI（引脚4）和CLKR（引脚19）：ADC0801~0805 片内有时钟电路，只要在外部“CLKI”和“CLKR”两端外接一对电阻电容即可产生A/D 转换所要求的时钟，其振荡频率为fCLK≈1/1.1RC。其典型应用参数为：R=10KΩ，C=150PF，fCLK≈640KHZ，转换速度为100μｓ。若采用外部时钟，则外部fCLK 可从CLKI 端送入，此时不接R、C。允许的时钟频率范围为100KHZ～1460KHZ。INTR （引脚5）： INTR 是转换结束信号输出端，输出跳转为低电平表示本次 转换已经完成，可作为微处理器的中断或查询信号。如果将CS 和WR 端与INTR 端相连，则ADC0804 就处于自动循环转换状态。CS ＝0 时，允许进行A/D 转换。WR 由低跳高时A/D 转换开始，8 位逐次比较需8×8=64 个时钟周期，再加上控制逻辑操作，一次转换需要66～73 个时钟周期。在典型应用fCLK＝640KHZ 时，转换时间约为103μｓ～114μｓ。当fCLK 超过640KHZ，转换精度下降，超过极限值1460KHZ 时便不能正常工作。VＩＮ（＋）（引脚）和VＩＮ（－）（引脚7）：被转换的电压信号从VＩＮ（＋）和VＩＮ（－）输入，允许此信号是差动
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的或不共地的电压信号。如果输入电压VＩＮ的变化范围从0V到Vmax，则芯片的VＩＮ（－）端接地，输入电压加到VＩＮ（＋）引脚。由于该芯片允许差动输入，在共模输入电压允许的情况下，输入电压范围可以从非零伏开始，即Vmin 至Vmas。此时芯片的VＩＮ（－）端应该接入等于Vmin 的恒值电码坟上，而输入电压VＩＮ仍然加到VＩＮ（＋）引脚上。AGND（引脚8）和DGND（引脚10）：A/D 转换器一般都有这两个引脚。模拟地AGND 和数字地DGND 分别设置引入端，使数字电路的地电流不影响模拟信号回路，以防止寄生耦合造成的干扰。VＲＥＦ／2（引脚9）：参考电压VＲＥＦ/2 可以由外部电路供给，从“VＲＥＦ/2”端直接送入，VＲＥＦ/2 端电压值应是输入电压范围的二分之一。所以输入电压的范围可以通过调整VＲＥＦ/2 引脚处的电压加以改变，转换器的零点无需调整。
步进电机驱动选用专用的SD-2H044MA两相混合式步进电机驱动器，在上一章已做专门介绍，在此不再赘述。
§3.3 操作键和指示灯
本次毕业设计设置了一些状态指示灯和操作键，用于系统运行状态的指示和操作。状态指示灯包括:自动、手动、全开、全闭指示灯，用于电动调节阀运行状态的指示。操作键包括：自动、手动、上调温度、下调温度、全开、全闭操作键，用于设定电动调节阀的运行状态。
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第4章 软件程序设计 §4.1 程序流程图
图4-1
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图4-2
图4-3
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图4-4
26
图4-5 图4-6
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图4-7
图4-8
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图4-9
注：（流程图中未画出）所有阀体转动时，关中断。转动完成时开中断。
选用两个单片机，一个用于上述控制，一个用于时间及环境温度显示控制。
温度测量选用集成温度传感器，数字或模拟均可，编程依选件而定。
单片机选用STC12C5404AD 其内核为8051
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结束语
通过此次毕业设计，使我学到了很多的知识，如机械图和电路原理图以及该论文均有由我一个人独立完成，以前不了解的软件，在这次设计中边学边用，对于不太熟练的AUTOCAD2008、中文字处理软件WORD 2000来说也有了许多新的收获。并且在这一过程中学会如何查阅手册，了解国家标准。
另外，在电路方面我学会了单片机的的设计原理，接口电路，数字及模拟智能模块，电力电子电器的设计，对单片机的仿真软件，都让我受益非浅。 由于工作较忙，本次设计大都在晚上进行，有时还加班、出差的情况，因此时间有限，未能完全按照我的计划去搞，有些还不是特别清楚，如汇编语言与单片机的通讯，触发电路的电路板绘制。因此，我感觉非常的遗憾。在以后的工作中再去解决它。
但不管怎样，在这次设计中学到了很多的知识，为今后的工作和学习奠定了坚实的基础，我认为这才是最主要的。
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致 谢
本课题的工作是在某某老师的指导下完成的。在此我衷心地向某老师表示感谢，他对我的指导和帮助，用言辞是无法表达的，在今后的工作和学习中，我将更加努力以不辜负老师对我的期望。 再一次感谢某大学给我这次设计的机会。
再一次感谢给我指导和帮助的老师和同学、同事们。
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参考文献
1 张建民主编.机电一体化系统设计.北京：高等教育出版社，2001 2 张之敬主编.先进制造技术.北京：北京理工大学出版社，2007 3 高钟毓主编.机电一体化系统设计.北京：机械工业出版社，2000 4 赵长德主编.工业用微型计算机.北京：机械工业出版社，2000 5 余孟尝主编.模拟、数字电力电子技术.北京：机械工业出版社，1999 6 顾京主编.现代机床设备.北京：化学工业出版社，2001 7 李爱华主编.工程制图基础.北京：高等教育出版社，2003 8 徐锦康主编.机械设计.北京：机械工业出版社，2001 9 沈志雄主编.金属切削机床.北京：机械工业出版社，2004 10
《机械工程师手册》第二版编辑委员会编.机械工程师手册. 北京：机械工业出版社，2000 11 三浦宏文主编.机电一体化实用手册.北京：科学出版社，2001 12
李炎锋主编.暖通自动化控制.北京:北京工业大学出版社.2006
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10 设计中用到的应用软件
0. 微软公司：word2007
1. PROTEL公司：PROTEI 99SE 2. AUTODESK公司：AUTO CAD 2008
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附录1：软件清单
;**************************** ;主程序
;**************************** ad_cs equ P3.5 ad_wr equ P3.6 ad_rd equ P3.7 ad_input_port equ p0
ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP INT ORG 0013H
MAIN: MOV SP,#60H MOV TCON,#00H MOV IE,#81H MOV P3,#0FFH MOV 2AH,#00H CLR EA MOV 2FH,#00H CLR F0
;初始化
;堆栈栈底设为60H ;外部中断电平触发 ;允许外部中断0 ;P3为输入口 ;位置计数器置零 ;关中断 ;标志位清零 34
LCALL TEMP ;调温度读显子程序 LCALL YUZHI ;调预置点子程序 CLR P1.3 ;关闭手动指示灯 CLR P1.5 ;关闭全开指示灯
CLR P1.7 SETB P1.2 LCALL AUTO SETB EA
;**************************** ;预置点子程序
;**************************** YUZHI:
LCALL OPENMAX MOV R1,#19 YU1: LCALL FAN100 DJNZ R1,YU1
RET
;关闭关闭指示灯 ;打开自动指示灯 ;调自动子程序 ;开中断 ;调开最大子程序 ;置循环次数
;调反转100步子程序 ;返回 35
;**************************** ;自动子程序
;**************************** AUTO:
SETB 2FH.1 ;置自动标志位 LCALL TEMP ;调温度读显子程序 ;-------------------------------------------------------------------------
;另设一单片机，用于产生时间信号，白天(7:00~17:00)/晚上(17:00~7:00) ;白天输出高电平，晚上输出低电平，输入P3.0口 ;由于实现相对简单，且不属于本设计重点，此处省略 ;------------------------------------------------------------------------- AUTO1:JB P3.0,DAY ;判断白天/晚上 AJMP NIGHT
DAY: ;白天
MOV A,20H ;比较温度与设定值20°C±2°C之间差异 CJNE A,#18,DAY1
AJMP AUTO ;等于18°C,循环 DAY1: JC DAY2 ;小于18°C,正转100 AJMP DAY3 DAY2: LCALL ZHENG100
AJMP DELY3M ;延时3分钟 DAY3: CJNE A,#22,DAY4
AJMP AUTO ;等于22°C,循环
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DAY4: JNC DAY5 ;大于22°C,反转100 AJMP AUTO DAY5: LCALL FAN100
AJMP DELY3M ;延时3分钟
NIGHT: MOV A,20H CJNE A,#6,DAY1
AJMP AUTO NIGHT1: JC DAY2 AJMP DAY3
NIGHT2: LCALL ZHENG100
AJMP DELY3M NIGHT3: CJNE A,#10,DAY2
AJMP AUTO NIGHT4: JNC DAY5 AJMP AUTO NIGHT5: LCALL FAN100
DELY3M: MOV 13H,#18 DELY4:MOV 12H,#200 DELY3:MOV 11H,#100 DELY2:MOV 10H,#250
;晚上
;比较温度与设定值8°C±2°C之间差异 ;等于6°C,循环 ;小于6°C,正转100 ;延时3分钟 ;等于10°C,循环 ;大于10°C,反转100 ;延时3分钟 37
DELY1:DJNZ 10H,DELY1
JB 2FH.2,SHOUDONG ;自动状态手动按钮按下 DJNZ 11H,DELY2 DJNZ 12H,DELY3
LCALL TEMP ;延时中显示环境温度 DJNZ 13H,DELY4 LJMP AUTO1
;**************************** ;温度读显子程序
;****************************
TEMP: ;AD转换读取延时程序，显示读到的数值 CLR EA ;关中断 lcall AdcStart lcall delay1ms lcall adcread
;-------------------------------------------------------------------------
;根据读取的数值查表求得当前温度值,并将该温度值转换为显示代码,进行显示 ;由于查表具体细节繁琐且与设计关系不大,故本设计省略该部分内容 ;以下所用“十位/个位”为转换后的显示代码
;-------------------------------------------------------------------------
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SHOW:
CLR EA ;关中断 ??查表??
MOV 21H,十位 MOV 22H,个位
MOV P0,21H CLR P1.0 SETB P1.0 MOV P0,22H
CLR P1.1 SETB P1.1
SETB EA RET
AdcStart: clr ad_cs nop clr ad_wr nop setb ad_wr nop setb ad_cs nop
;开中断 ;启动AD转换 39
ret
AdcRead: ;读AD转换 mov ad_input_port,#0ffh clr ad_cs nop clr ad_rd nop nop
mov a,AD_INPUT_PORT
mov 20h,a nop setb ad_rd nop setb ad_cs ret
delay1ms: mov 11h,#10 tt1: mov 10h,#50 djnz 10h,$ djnz 11h,tt1 ret
;存环境温度值 ;1ms延时 40
;**************************** ;开最大子程序
;**************************** OPENMAX:
CLR F0 CLR P1.4 OPEN1:SETB P1.4 NOP NOP CLR P1.4 NOP NOP
JB F0,0PEN2 AJMP OPEN1 OPEN2:LCALL FAN100 MOV 2AH,#39
SETB EA RET
清零开最大标志位 ;正转 ;是否开最大 ;没到开最大,继续开
;开最大,为关闭中断信号,关100步 ;开中断 41
;
;**************************** ;正转100子程序
;**************************** ZHENG100:
CLR EA ;关中断 CLR P1.4 MOV A,2AH CJNE A,#39,ZHENG RET
ZHENG:MOV R0,#100 ZHENG1:SETB P1.4 NOP NOP CLR P1.4 DJNZ R0,ZHENG1
ADD A,#1 MOV 2AH,A CJNE A,#39,ZHENG2
SETB P1.5 ZHENG2:SETB EA RET
;读位置 是否快最开位置 ;正转100步 ;记录位置 ;打开全开指示灯 ;开中断 42
;
;**************************** ;反转100子程序
;**************************** FAN100:
CLR EA ;关中断 CLR P1.6 MOV A,2AH CJNE A,#0,FAN RET
FAN: MOV R0,#100 FAN1: SETB P1.6 NOP NOP CLR P1.6 DJNZ R0,FAN1
SUBB A,#1 MOV 2AH,A CJNE A,#0,FAN2
SETB P1.7 FAN2: SETB EA RET
;读位置 ;是否最关位置 ;反转100步 ;记录位置 ;打开关闭指示灯 ;开中断 43
;**************************** ;键盘及位置传感器中断子程序 ;**************************** INT:
NSHAKE:MOV 13H,#23 SHAKE1:MOV 14H,#216 SHAKE2:DJNZ 14H,SHAKE2 DJNZ 13H,SHAKE1
JB P3.2,INTD JNB P2.6,INTC JNB P2.0,INTA JNB P2.1,INTE JNB P2.2,INTB JNB P2.3,INTF JNB P2.4,INTG JNB P2.5,INTH
INTC: LCALL BAOHU SETB F0 LCALL HUIFU CLR EA ;消除抖动 ;是抖动返回
;开最大位置传感器按下 手动按钮按下 ;自动按钮按下 ;上调温度按钮按下 ;下调温度按钮按下 ;开最大按钮按下 ;关最大按钮按下 ;开最大中断(仅在初始化自动时发生该中断) ;现场保护 ;置开最大标志位 ;恢复现场 ;关中断
44
;
LJMP INTD
INTA: JB 2FH.1,INTSHOU ;转向手动中断 LJMP INTD
INTE: JB 2FH.2,INTZI ;转向自动中断 LJMP INTD
INTB: JB 2FH.1,INTD AJMP INTSHANG INTF: JB 2F.1,INTD AJMP INTXIA INTG: JB 2F.1,INTD AJMP OPENSHOU INTH: JB 2F.1,INTD AJMP CLOSEMAX
INTSHOU: JNB P3.2,$ LCALL BAOHU SETB 2FH.2 CLR 2FH.1 LCALL HUIFU AJMP INTD
INTZI: ;自动状态,按键无效 ;上调温度
;自动状态,按键无效 ;下调温度 ;自动状态,按键无效;手动开
;自动状态,按键无效 ;关最大 ;手动中断 ;等待按键抬起 ;现场保护 ;置手动标志位 ;清零自动标志位 ;恢复现场 ;自动中断
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JNB P3.2,$ ;等待按键抬起 LCALL BAOHU ;现场保护 SETB 2FH.1 ;置自动标志位 CLR 2FH.2 ;清零手动标志位 LCALL HUIFU ;恢复现场 AJMP INTD
INTSHANG: JNB P3.2,$ LCALL BAOHU SETB 2FH.3 SETB 2FH.4 LCALL HUIFU AJMP INTD
INTXIA: JNB P3.2,$ LCALL BAOHU SETB 2FH.3 CLR 2FH.4 LCALL HUIFU AJMP INTD
OPENSHOU： ;上调温度中断 ;等待按键抬起 ;现场保护 ;置上下调标志位 ;置上调标志位 ;恢复现场 ;下调温度中断 ;等待按键抬起 ;现场保护 ;置上下调标志位 ;置下调标志位 ;恢复现场 ;手动开中断
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JNB P3.2,$ ;等待按键抬起 LCALL BAOHU ;现场保护 SETB 2FH.5 ;置开关调标志位 SETB 2FH.6 ;置开标志位 LCALL HUIFU ;恢复现场 AJMP INTD
CLOSEMAX： JNB P3.2,$ LCALL BAOHU SETB 2FH.5 CLR 2FH.6 LCALL HUIFU AJMP INTD
BAOHU:CLR EA PUSH PSW RET
HUIFU:POP PSW SETB EA RET
INTD: RETI
;关最大中断 ;等待按键抬起 ;现场保护 ;置开关调标志位 ;置关标志位 ;恢复现场 ;现场保护 ;现场恢复 ;返回 47
;******************** ;手动子程序
;******************** SHOUDONG:
SETB 2FH.2 JB 2FH.3,SHANGXIA JB 2FH.5,KAIGUAN LCALL TEMP TDELY3M: MOV 13H,#18 TDELY4:MOV 12H,#200 TDELY3:MOV 11H,#100 TDELY2:MOV 10H,#250 TDELY1:DJNZ 10H,TDELY1
JB 2FH.1,AUTO JB 2FH.3,SHOUDONG JB 2FH.5,SHOUDONG DJNZ 11H,TDELY2 DJNZ 12H,TDELY3
LCALL TEMP DJNZ 13H,TDELY4
;置手动标志位 ;是否上下调 ;是否开关最大 ;显示环境温度 ;延时3分钟 ;手动状态自动按钮按下 ;时刻判断是否有按键调控;延时中显示环境温度 48
LJMP SHOUDONG
SHANGXIA:
CLR EA ;关中断
CLR 2FH.3 ;清零上下调标志位，一次按键只调一次 JB 2FH.4,SHANGT ??温度值减1?? AJMP SHANG1 SHANGT:??温度值加1??
SHANG1:LCALL SHOW ;显示设定温度值 SETB EA ;开中断
;-------------------------------------------------------------------------
;温度值加减1简单计算，且需查表进行显示，非本设计重点，此处省略 ;------------------------------------------------------------------------- YANSHI5S: ;延时5s MOV R7,#100 5S1: MOV R6,#100 5S2: MOV R5,#250 5S3: DJNZ R5,$
JB 2FH.1,AUTO ;手动状态自动按钮按下 JB 2FH.3,SHOUDONG ;时刻判断是否有按键调控 JB 2FH.5,SHOUDONG DJNZ R6,5S2 DJNZ R7,5S1
49
LCALL TEMP ;关闭显示设置温度，显示环境温度 LCALL SHOUAUTO ;依手动设定温度自动调温
KAIGUAN:
CLR EA ;关中断
CLR 2FH.5 JB 2FH.6,KAIMAX AJMP GUANMAX
KAIMAX:MOV A,#39 SUBB A,2AH MOV R4,A
KAIM1:LCALL ZHENG100 DJNZ R4,KAIM1
SETB P1.5 SETB EA LJMP SHOEDONG
GUANMAX:MOV A,2AH SUBB A,#0 MOV R4,A GUANM1:LCALL FAN100 DJNZ R4,KAIM1
SETB P1.7 ;清零开关最大调标志位，一次按键只调一次;开至最大 ;关至最大 ;依现有位置进行开最大调节 ;打开全开指示灯 ;开中断 ;依现有位置进行关最大调节 ;打开关闭指示灯
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