基于MSP430单片机的阀位智能调节测控系统研究

于薇，董全林，张玉莲，张春熹

（1.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191；2.微纳测控与低维物理教育部重点实验室，北京100191；3.河南教育学院，河南信阳464000）

基于MSP430单片机的阀位智能调节测控系统研究

于薇1，2，董全林1，2，张玉莲3，张春熹1，2

（1.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191；2.微纳测控与低维物理教育部重点实验室，北京100191；3.河南教育学院，河南信阳464000）

针对工业控制领域气动调节阀位置检测与控制的要求，研究了一种基于MSP430单片机的阀位智能调节测控系统。与传统的机械式阀位调控装置相比，该系统具有智能化、功能完善、控制灵敏的特点。硬件系统主要由单片机运算处理单元、前端采样、后端驱动以及外围功能芯片等构成；软件系统采用模块化设计思想，通过中断触发CPU的低功耗模式，可降低系统功耗，提高工作效率。经测试表明，系统以较低的成本实现了较好的性能，可以广泛应用于各种工控领域。

MSP430F5438单片机；阀位控制；智能检测；调节阀

0 引言

调节阀位置的检测与控制，传统方法是采用机械式的阀门位置调控装置，其零件多、结构复杂、响应速度慢、功能简单、易发热、机械磨损严重等缺点已然无法满足现代工业现场对过程控制品质的高标准和高要求[1-2]。近年来，随着集成芯片技术的飞速发展，基于单片机、ARM等微控制器的智能型阀位检测装置逐渐兴起。在我国，工业控制领域中使用的智能型阀门定位器产品以美国Fisher、德国Siemens、瑞士ABB等国外大公司的产品为主，而国产的阀门定位器多因功能不完善，调节精度低等原因无法进行大规模生产与应用。为振兴民族工业，减小进口成本，研发国产型高质量、低成本的智能型电气阀门定位器迫在眉睫。

本文研究的基于MSP430F5438单片机的阀位智能调节测控系统，其功能完善、性能良好，能够准确采集阀位的目标信号和真实信号并进行相应处理，通过阀位控制算法可以保证调节阀能够快速准确地跟踪给定值信号的变化，实现阀门的精准定位。

1 智能检测原理

阀位智能调节控制系统的控制原理简图，如图1所示。系统单片机控制电路的中央处理单元接收外部给定的阀位设定值信号SP和位移传感器检测到的阀位反馈值信号PV，当出现位置偏差时，通过单片机进行内部算法处理运算，并输出PWM电控信号到I/P电气转换单元的电磁阀。图1中所示为两个两位三通电磁阀，可对一个单作用气缸实施控制。I/P转换单元将PWM信号转为合适的气动信号驱动执行机构气缸的阀杆上下移动，从而控制阀门的开关状态及行程，使其迅速动作到预定位置。

图1 阀位智能调节测控系统控制原理简图

本文研究的阀位智能调节测控系统的性能要求如下：

（1）能够接收收来自调节器的电流信号并将其转换为电压信号，能够采集阀位的反馈电压信号。

（2）对以上采集到的信号进行运算、整理并进行模糊化处理和判断，实施控制算法输出一定宽度的脉冲信号控制电磁阀。

（3）利用按键能在现场对阀门的特性参数以及阀芯的最大、最小行程等参数进行设定。

（4）利用LCD能现场显示输入的参数以及阀门开度。

（5）具有断电保存功能、看门狗功能、电源电压监测功能等。

2 系统硬件构成

如图2所示，测控系统硬件构成主要包括MSP430单片机最小系统电路、电源及其监控模块、信号取样单元、位置反馈单元、模数转换、电气转换单元及其驱动电路、数字温度传感器及E2PROM电路、人机交互单元（四输入按键和LCD模组）等几个部分。下面将分别对各个模块进行介绍。

2.1 主控芯片

微控制器是所有运算和控制的核心，本系统选择的是TI公司的MSP430系列单片机，型号为MSP430F5438。该单片机是一款16位超低功耗微控制器，具有256 KB的FLASH ROM，16 KB的SRAM，晶振频率最高可达25 MHz，3个定时器，内部自带12位ADC，具备I2C，SPI，UART等通信接口以及JTAG调试功能，含67个GPIO口。其丰富的自带硬件设备以及稳定可靠的性能符合本系统的设计要求。微控制器的关键任务是将阀位反馈值信号经过必要的修正后，与阀位设定值信号进行比较得到误差制信号e，并根据e值进行内部的算法运算最终输出一定占空比的PWM方波，通过控制I/P转换单元电磁阀的进气或排气操作，使阀位进行相应的调整。

图2 阀位智能调节测控系统硬件总体架构

2.2 电源及其监控

电源及其监控模块为整个测控系统供电，系统外部接入24 V的直流电源，通过DC-DC变换器或稳压器LDO转换出需要的电压，阀位智能调节测控系统相关器件电压需求如表1所示。

表1 阀位智能调节测控系统相关器件电压需求

由表1可知，控制系统所需的电源电压共有三个，24 V，5 V和3.3 V。5 V电压的获取采用的是3 A电流输出降压开关型集成稳压芯片LM2576，其内部包含52 kHz频率振荡器和1.23 V的基准稳压器以及功能完善的保护电路，因此只需要很少的外围器件就可以实现高效的稳压电路。5～3.3 V电压的转换采用低压差电压调节器LM1117，简易方便。同时为了保证系统的可靠性与抗干扰性，需要对测控系统关键电源5 V和3.3 V电压进行监控[3]，采用的是复位阈值为2.93 V的MAX706S芯片，其功能强大、性能可靠，并兼具看门狗的功能，可保证系统死机以及程序跑飞等情况发生时的可靠复位。

2.3 信号采样及处理

调节器送来的4～20 mA范围内的直流信号经过信号取样单元处理后作为阀位设定值SV，其中的取样单元电路采用高端电流检测法将电流信号转化为ADC能接收的模拟电压信号。由位移传感器及其驱动电路构成的位置反馈单元电路检测到阀门实际位置的信号作为阀位反馈值PV，其中位移传感器采用的是直行程自复位回弹式位移传感器。两路输入信号经过单片机内部的A/D转换器最终转变为单片机可接收的数字电压信号，然后传递给MCU的数据处理单元进行后续处理。

2.4 电气转换单元及其驱动电路

单片机发出PWM信号，经过I/P转换，把电流信号通过I/P转换模块进排气，从而转换为先导阀气压变化，经放大推动执行机构移动，执行机构的移动又带动位移传感器，引起反馈信号的变化，此信号送入微处理器与输入信号比较，经处理后微处理器给出一个新的控制量。因此，电气转换单元的作用就是把单片机发出的电控信号转变成气动信号，推动执行机构阀杆的动作，它是气动执行器的先导部分，其实现主要依靠三种技术：喷嘴挡板技术、压电阀技术、电磁阀技术[4]。

本研究使用电磁阀作为电气转换单元的主体，因其体形轻巧、功率微小、动作快速、使用安全，电磁阀的工作原理是通过阀芯和阀体的相对运动使气路接通、关断或变换方向，以实现气动执行器的启动、停止或方向变换[5]。本系统使用的是SMC公司的常闭型两位三通电磁阀，其工作电流为I=P U=0.4 W/24 V≈17/mA，但从MSP430单片机单个引脚输出的控制信号电流最大不超过6 mA，因此单片机I/O端口无法直接驱动电磁阀，故需要根据电磁阀的电气参数设计合理的电磁阀驱动电路。电路设计基本思想为：首先通过单片机的I/O口驱动光电耦合器，再通过光电耦合器驱动三极管，最后三极管驱动电磁阀。

2.5 其他功能模块

数字温度传感器LM75用来实时检测当前的环境温度信息，E2PROM芯片24LC641用于储存系统重要数据，它们都采用I2C通信方式进行数据传输。LCD和按键一起提供人机交互功能[6]，显示器用于显示阀门定位器的各种状态信息，按键用于输入各种组态数据和手动操作。

3 系统软件设计

软件设计的主要任务是数据采样处理程序、阀位控制算法程序以及人机界面监控程序的设计，系统采用CPU进入低功耗模式后等待中断请求的方式，中断请求主要有按键中断（I/O中断）和定时中断（Timer中断），软件总体规划如图3所示。

图3 软件总体规划图

系统上电复位后，首先设置看门狗进行各模块的初始化操作，然后根据阀门的辨识结果装载初始参数，调用液晶显示子程序，最后进入低功耗模式等待中断唤醒。中断类型有两种，一是定时中断，二是按键中断，前者优先级更高。定时中断主要完成CPU内输入数据的采样处理以及控制算法的程序，按键中断完成模式选择、参数配置等操作，并通过LCD实时显示输入值、阀门开度等参数。

利用MSP430F5438自带的12位A/D转换模块ADC12中的两个通道A2，A3分别对设定值和反馈值模拟量输入进行采集。为了使采样数据更加可靠，需要对采样的数据进行数字滤波，常用的数字滤波有限幅滤波法、中位值滤波法、算术平均滤波法、递推滤波法等。本设计采用中位值平均滤波法，具体实现方法为连续采样12次，将采样值存储在数组ADC_BUF[12]中，采用冒泡法去除最大值以滤去脉冲干扰同时去除最小值以滤去小的随机干扰，再求出余下的10次采样值的算术平均值，即作为本次采样的返回值。

阀位智能控制算法采用常规PID与模糊控制相结合的方式，气动调节阀是一个具有大惯性和滞后、参数不定常、易受外界干扰的非线性时变系统，同时很难建立其精确的数学模型，而模糊控制算法可以不需要被控对象的数学模型，直接应用于非线性系统[7-8]。PID控制是一种广泛应用于工业控制领域的算法，但其控制参数不能在线整定，影响控制效果。本文将模糊控制法和常规PID控制相结合，利用模糊规则对PID参数在线整定，提高了阀门定位的精度[9-10]。

4 阀位智能调节测控系统功能调试

设计完成的阀位智能调节测控系统调试平台如图4所示，实验仪器包括直流稳定电源、示波器、万用表、PC机、仿真器等。

图4 系统功能调试平台

控制系统硬件包括两块电路板，分别为主控板和接口板，外接LCD模组和四输入键盘。系统软件开发平台为IAR Embedded Workbench，以C语言编程，系统的仿真调试采用北京博维电子的MSP430专用USB仿真器。

5 结语

本文研究了一种阀位智能调节测控系统，对系统软硬件总体及各部分组成进行了详细阐述。经验证，系统可以对调节阀阀位进行有效的控制，通过软件算法能够实现数据的采样处理，参数的自整定，并在LCD上实时显示当前的控制状态。该系统成本低、可靠性好、操作灵活、功能多样，在工业控制领域应用广泛。

注：本文通讯作者为董全林。

[1]侯志林.过程控制与自动化仪表[M].北京：机械工业出版社，2000.

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Study on MSP430 SCM based measurement and control system of valve intelligent regulation

YU Wei1，2，DONG Quanlin1，2，ZHANG Yulian3，ZHANG Chunxi1，2
（1.School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China；2.Key Laboratory of Micro-nano Measurement-Manipulation and Physics of Ministry of Education，Beijing 100191，China；3.Henan Institute of Education，Xinyang 464000，China）

For the demands of location detection and control of the pneumatic control valve in industrial control fields，a measurement and control system of valve intelligent regulation based on MSP430 SCM is studied.Compared with the traditional mechanical valve location control device，this system has the advantages of high intelligence，perfect function and sensitive control.The hardware system is constituted of SCM operating and processing unit，sampling unit in front end，driving unit in back end and peripheral function chips.The software system is based on the modularization design thought，in which the CPU low power mode is triggered by interrupt to reduce the system power consumption and improve the working efficiency.The test results show that the system can realize the excellent performance with low cost，and is widely used in various industrial control fields.

MSP430F5438 SCM；valve location control；intelligent detection；control valve

TN876-34；TP273

A

1004-373X（2015）23-0094-04

10.16652/j.issn.1004-373x.2015.23.025

于薇（1992—），女，硕士研究生。主要从事智能阀门定位器及调节阀、超显微仪器技术、惯性导航与制导的研究。

董全林（1964—），男，教授，博士生导师。主要从事智能阀门定位器及调节阀、超显微仪器技术、惯性导航与制导的研究。

2015-05-22

国家科技支撑计划（2006BAK03A24）

张玉莲（1981—），女，河南信阳人，讲师。主要从事基础数学教学与研究。