基本信息
- 项目名称：
- 基于单片机的比例溢流阀数显控制器
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 基于单片机的比例溢流阀数显控制器采用AT89S8253单片机作为控制核心，用键盘输入各种控制信号，并在LED数码管上适时动态的显示调节电压的大小，采用在线可编程(ISP) 技术，革除传统编程器，程序修改可在现场完成，电路中的功率输出单元采用脉宽调制（PWM）功率放大电路，使功放管的功耗大为降低，通过数字式的电压表显示输入的电压值，数字式的电流表显示输出的控制电流值， 运用PROTEUS进行了系统仿真。仿真实验结果表明，与传统的模拟比例控制器相比，其控制精度更高，灵活性、实用性和可靠性更强。
- 详细介绍：
- 基于单片机的比例溢流阀数显控制器采用AT89S8253单片机作为控制核心，用键盘输入各种控制信号，并在LED数码管上适时动态的显示调节电压的大小，采用在线可编程(ISP) 技术，革除传统编程器，程序修改可在现场完成，电路中的功率输出单元采用脉宽调制（PWM）功率放大电路，使功放管的功耗大为降低，通过数字式的电压表显示输入的电压值，数字式的电流表显示输出的控制电流值， 运用PROTEUS进行了系统仿真。 创新点： （1）参数设置数字化 （2）控制实现智能化 （3）控制实现远程化 （4）程序修改在线化 （5）线性度更高，减小了死区等因素的影响 （6）电路设计小型化 市场分析及经济效益预测： 现代工程机械液压阀已越来越多地采用电控先导控制的电液比例阀代替手动直接操作或液压先导控制的多路阀，电液比例阀和其它专用器件的技术进步使工程车辆挡位、转向、制动和工作装置等各种系统的电气控制成为现实，在电控先导操作、无线遥控和有线遥控操作等方面展现了其良好的应用前景，而作为比例阀中的比例电磁铁的控制放大器因此也具有很大的市场潜力，能够产生较大的经济效益。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.目的： 设计一种新的比例控制器，对电液比例溢流阀能够进行更有效的控制，使比例控制系统获得预期的功能。 2.基本思路： (1)以单片机为控制核心，充分利用现代微处理器的优势；(2)将硬件电路分为中央处理系统、控制电路和电源转换电路三部分；(3)采用控制面板操纵、上位机操纵两种方式；(4)采用在线可编程(ISP) 技术，革除传统编程器，程序修改在现场完成；(5)控制电路中的功率输出单元采用脉宽调制（PWM）功率放大电路，使功放管的功耗大为降低。 3.创新点： （1）参数设置数字化 （2）控制实现智能化 （3）控制实现远程化 （4）程序修改在线化 （5）线性度更高，减小了死区等因素的影响 （6）电路设计小型化 4.技术关键： 良好的稳态控制性能、线性度好、抗干扰能力强、很好的稳定性和可靠性是一个好的比例控制器所必须具有的性能。要达到以上的要求就必须解决以下几方面的问题： （1）电压信号转换的电流必须成比例，线性度要求高，精度要求为100%±10，控制电压精度为0.1V，控制电流3mA，且具有足够的功率驱动比例电磁铁，输出阻抗与比例电磁铁线圈阻抗匹配。 （2）必须产生正确有效的控制信号，其波形、幅值、频率要符合比例溢流阀的静态和动态性能要求，逻辑控制与信号处理装置可以减小比例元件死区、滞环以及过渡过程冲击等的影响。
科学性、先进性
- （1）控制简单、维护方便。使参数设置数字化，通过控制面板输入指令电压的大小，或者通过上位机输入，利用数显式电流表和电压表显示出输出的控制电流信号和输入的控制电压信号；程序修改在线化，采用ISP技术，先装配后编程，不需要专门的编程器，从实践上全面实现硬件设计的软件化，保证程序修改在线完成，使控制器能根据现场实际情况修改程序。 （2）兼容性强，易于实现远程化。除了具有传统的模拟量、数字量接口之外，还具有各种总线接口，能够与计算机进行通信，实现远程控制。 （3）电路设计小型化，更加合理。应用数字电路中门电路的思想，将所有的元器件集成在一片电路板上，减小了空间，提高了可靠性。 （4）人机界面设计。采用VB语言编写用户界面，界面友好、美观，功能相对全面。硬件采用非编码键盘，靠软件进行识别，共有八个按键，LED显示采用动态显示的方式。
获奖情况及鉴定结果
- 该作品应用单片机作为比例控制器的控制部分，具有可靠性高，抗干扰能力强的特点，已在我校液压试验室得到应用，使用效果良好
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 转让技术文件
作品可展示的形式
- 实物、现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.使用说明：220V输入端直接接220V电源，比例电磁铁信号线接比例控制器的接线柱1、2，通过控制面板上的按键或上位机输入数据，控制输出的比例电磁铁电流值。 2.技术特点及优势：（1）在原有模拟式比例控制器的基础上开发调试出了用单片机控制的比例溢流阀比例控制器，使之具有控制简单，维护方便，兼容性强等特点；（2）操作、布线相对简单、方便，人机界面友好、美观；（3）采用ISP技术，实现在线编程，免去了调试时由于频繁地插入取出芯片对芯片和电路板带来的不便，提高了设计和应用的灵活性。 3.市场分析及经济效益预测：现代工程机械液压阀已越来越多地采用电控先导控制的电液比例阀代替手动直接操作或液压先导控制的多路阀，电液比例阀和其它专用器件的技术进步使工程车辆挡位、转向、制动和工作装置等各种系统的电气控制成为现实，在电控先导操作、无线遥控和有线遥控操作等方面展现了良好的应用前景，作为比例阀中比例电磁铁的控制放大器因此也具有很大的市场潜力，能够产生较大的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 自上个世纪八十年代以来，比例元件设计在不断的完善，采用了压力、流量、位移内反馈和动压反馈及电校正等手段，使阀的精度、动态响应和稳定性都有了进一步提高，大规模集成电路的发展，分立元件逐步为集成电路所取代，其可靠性和性价比都优于早期比例控制放大器。为解决低频脉宽调制式颤振分量频率和幅度不可独立调节的问题，对开关式放大器作了不少改进。采用高频脉宽调制技术，调制频率可达几千赫兹；提高开关频率可以减小比例电磁铁线圈电流纹波幅度以及开关特性的延迟时间对线圈电流的影响。开关频率过高会导致功放管的开关过渡过程时间占开关周期显著分量，造成功放管的动态功耗增加，从而减少开关式功率放大级功耗低这一特有的优势，同时运用快速型功率驱动电路，使传统驱动电路引起的电磁线圈放电时间为充电时间3-5倍的现象得以改善，使充放电速率相等，减少过渡过程时间，改善比例电磁铁的动态性能，进而提高比例阀的动态特性。目前，模拟式和开关式比例控制器在性能上已经基本满足实用要求，主要的缺陷就是缺乏灵活性，因为不论是模拟式还是开关式，都是由模拟元件构成的普通模拟比例控制放大器，必须由硬件去完成，而且控制功能必须与硬件一一对应，要改变控制方案就需要更换模拟器件。 近年来，数字计算机技术的迅速发展，性能改善，价格下降，新的目标就转向了研制带微处理器的比例控制放大器，不仅可以通过程序控制的方式来实现任何一种控制规律，而且可以充分发挥实时控制和综合控制的优势。带微处理器的比例放大器在许多方面优于普通的模拟比例放大器，能够实现模拟比例放大器难以实现的一些功能，成为当今比例控制器的发展方向。当前，各国都在不遗余力的发展和完善新的控制元件，以高性能单片机为基础的控制系统也得到了迅速的发展，其发展趋势主要表现在高性能化、高可靠性和智能化等几个方面。未来计算机在电液比例控制系统中的应用，一种可能的方案是阀控制器和执行器控制器集成在一起，能够根据执行器的具体要求自动调整参数，整个系统通过总线与其他控制系统，相互之间可以通讯。 本次设计的基于单片机的数显比例控制器朝着高性能单片机控制的方向进行了一系列的探索，运用了ISP技术，采用键盘编码并用LED进行动态显示，联合Proteus进行仿真，具有良好的控制性能，使用VB语言编制用户界面，可以实现自动、手动控制，能保留、查看、调用历史数据，使操作方式更灵活、直观。
