基于STM32F207微控制器的智能阀位控制器研制

摘要

随着微电子、计算机、通信等学科的迅速发展，现代电液伺服控制器也向着智能化、数字化和网络化的方向发展。控制阀门所采用的电动执行机构，即称为阀位控制器，它能够把输入系统的控制信号转化为输出轴直线位移，从而控制阀门等截流件的位置，使得被控量按照系统要求运行。因此，阀位控制器在过程控制领域中得到广泛应用。
　　课题来源于企业委托项目。该项目是由南京中大趋势测控设备有限公司和南京师范大学合作，共同开发一种集微电子技术、通讯技术、控制技术、软件技术和常规控制技术于一身的新型智能阀位控制器。
　　论文深入分析我国当前过程控制工业对阀位控制器的要求，并结合市场上同类产品的特点与优势，开发设计出一种基于32位ARM微处理器STM32F207的新型智能阀位控制器。阀位控制器通过对比阀门实时输出量与工作人员输入的目标量，根据输出量与输入量之间的差值来调节控制电机的输出信号，进而电机带动阀门动作，与此同时输出4-20mA的电流信号反映阀门开度状态。阀门的实时开度值由4个数码管对外显示。此外，在控制系统的输入端，采用AD转换技术和多路开关技术;在控制系统的输出端设置阀颤振模块，用来减弱伺服阀的零偏，提升系统的低频响应性能与控制精度。本文采用基于LwIP协议栈的以太网通信，一方面提升控制系统的通信速度，另一方面实现控制器的网络化控制，使得控制系统完成数字化和网络化的要求。设计双通道工作方式，充分发挥STM32F207微处理器的性能，提升效率，节约资源。本次设计还开发了上位机人机界面，实现良好的人机交互。
　　现场运行结果表明，本课题研制的智能阀位控制器能长时间、连续、平稳运行，实现了阀位控制器应具备的各种功能，并达到设计要求的性能指标，可广泛运用于当前过程控制工业的不同场合，产品具有较大的实用价值和市场前景。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 智能阀位控制器的研究背景

1．2 智能阀位控制器发展概况

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 本课题研究的目标、内容与意义

1．4 论文内容安排

第2章 智能阀位控制器系统的方案设计

2．1 系统指标要求

2．2 系统方案设计思想

2．3 系统整体硬件

2．3．1 控制系统整体的框架

2．3．2 ARM处理器内核

2．3．3 微处理器STM32F207的介绍

2．4 控制算法的研究

2．4．1 模拟PID控制原理

2．4．2 数字PID控制算法

2．4．3 数字PID控制器参数的选择

2．5 本章小结

第3章 智能阀位控制器硬件电路设计

3．1 电源模块

3．2 STM32F207处理器模块的硬件电路

3．3 4-20mA工业标准电流输出

3．4 阀门位置反馈信号电路

3．5 数码管显示电路

3．6 驱动阀位电机电路

3．6．1 颤振信号产生电路

3．6．2 阀位移动信号输出电路

3．6．3 隔离电路

3．6．4 信号放大电路

3．7 以太网模块

3．8 外部4-20mA控制信号输入电路

3．9 智能阀位控制器启动保护电路

3．10 硬件可靠性设计

3．10．1 电源抗干扰措施

3．10．2 光电隔离

3．10．3 PCB板的布线和电磁兼容

3．11 本章小结

第4章 智能阀位控制器软件设计

4．1 基于LwIP的网络通信

4．1．1 TCP／IP协议简介

4．1．2 LwIP简介

4．1．3 LwIP协议网卡驱动的实现

4．1．4 LwIP协议软件的实现

4．2 上位机软件

4．3 下位机程序设计

4．4 本章小结

第5章 系统的仿真、测试与运行

5．1 颤振电路与偏置电路的仿真

5．2 系统测试、运行

5．2．1 系统测试环境的构建

5．2．2 上位机网页界面显示

5．2．3 偏置特性测试

5．2．4 反馈输出方式切换与输入校准

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

在读期间取得的学术研究成果

致谢