基于RS-485总线的电磁阀控制系统研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 9 4 2.59MB 61 页 15积分
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II
比例电磁阀作为一种机电液系统自动控制终端执行元件，在汽车、工程机械、
和化工等领域有着广泛的应用。RS-485总线具有抗干扰能力强，组网成本低的特
点。针对上述工程背景，本文采用AT89S52单片机开发了一个基于RS-485总线的比
例电磁阀远程控制系统，对其硬件和软件进行了详细的设计与调试。
论文的主要研究内容包括：
（1） 总体方案设计：首先对电磁阀控制技术的发展现状和应用前景进行了综述。
根据应用需求，最终确定研制一个以 RS-485 总线为基础的多单片机电磁阀
控制系统。
（2） 控制系统硬件设计：硬件设计包括微控制器单片机 AT89S52，驱动模块固
态继电器（SSR），RS-485 总线的信号转换模块 MAX485 芯片。最终利用
Altium Designer 6 软件设计了系统原理图，并制作了 PCB 印刷电路板。
（3） 控制系统软件设计：利用 VB 编写了上位机的串口通信和显示界面程序。采
用Keil C51 环境编写了下位机控制程序，通过 RS-485 总线接收上位机指令
来调整单片机输出的 PWM 信号占空比，从而控制多个比例电磁阀的开合位
置。
（4） 控制系统调试：硬件电路和软件系统的调试结果表明，所设计的多比例电
磁阀控制系统功耗低、稳定性高，系统的工作状况达到了设计要求。
关键词：比例电磁阀 RS-485 总线 AT89S52 单片机 脉宽调制信号
ABSTRACT
Proportional solenoid valve as a hydraulic actuator system components about
automatically control the terminal, has been widely used in the automotive, industrial
machinery, chemicals, water treatment plants etal.RS-485 bus transmission has the
II
advantage of Anti-interference ability and low cost. For the engineering background,
this paper has developed a solenoid valve remote control system based on RS-485 bus
using AT89S52,completed the detailed design and debugging about the hardware and
software.
The main work includes:
（1）Overall design: Firstly, the paper introduces the development status and prospect
of technology. According to the system function and design requirements, carry
out an overall planning on the system and design the whole system structure.
Finally choose multi-microcontroller control solenoid valve system based on
RS-485 bus.
（2）Control system hardware design: Accomplished the design of hardware
module .All hardware modules conclude microcontroller module based on
AT89S52, drive module based on Solid State Relay and signal conversion
module based on MAX485.Conlude designing circuit diagram and making PCB.
（3）Control system software design: The paper using VB program write PC serial
port communication program and the PC display interface program, using C
program write the system control program.The controller can adjust the output
of the PWM signal duty cycle according to the received data from PC.The whole
system can work under serial port control manner, changing open-close level of
proportional solenoid valve.
（4）Control system debug:By debugging and analyzing the hardware and software,
the system working just as design requirement and achieve the expect goal.
Through testing result showed that this multi-microcontroller control solenoid
valve system is low power consumption and stable .
Key Word: Proportional Solenoid Valve,RS-485 Bus, AT89S52 ,PWM
目录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 课题来源、背景及意义 ...................................................................................1
§1.2 电磁阀控制技术简介 .......................................................................................1
§1.2.1 电磁阀的工作原理 ..................................................................................2
II
§1.2.2 电磁阀的种类及特点 ..............................................................................2
§1.3 多机串口通信技术简介 ....................................................................................4
§1.3.1 计算机网络结构简介 ..............................................................................4
§1.3.2 串口总线协议技术 .................................................................................6
§1.4 本文完成的工作 ................................................................................................8
第二章 多电磁阀控制系统总体方案设计 ...................................................................10
§2.1 系统总体方案设计 .........................................................................................10
§2.1.1 控制系统总体框图 ...............................................................................10
§2.1.2 系统的设计方案 ...................................................................................13
§2.2 目标器件选择 .................................................................................................14
§2.2.1 电磁阀控制器主芯片选择 ...................................................................14
§2.2.2 继电器选型 ...........................................................................................17
§2.2.3 RS-485 总线协议技术 .......................................................................... 18
§2.2.4 比例电磁阀的选型 ...............................................................................18
§2.3 系统设计中关键技术问题 ..............................................................................19
§2.4 本章小结 ..........................................................................................................20
第三章 基于 RS-485 总线电磁阀控制器硬件设计 .................................................... 21
§3.1 控制器最小系统设计 .....................................................................................21
§3.1.1 AT89S52 芯片简介 ................................................................................21
§3.1.2 MAX485 芯片介绍 ............................................................................... 23
§3.1.3 复位、时钟与电源电路设计 ...............................................................25
§3.2 控制器 PCB 板设计 ....................................................................................... 26
§3.2.1 电路板设计中常见问题 .......................................................................27
§3.2.3 控制器电路板制作 ...............................................................................30
§3.3 本章小结 .........................................................................................................32
第四章 软件设计与系统调试 .......................................................................................33
§4.1 单机通信控制模式 .........................................................................................33
§4.1.1 点对点控制器软件程序设计 ................................................................33
§4.1.2 点对点上位机通信程序设计 ...............................................................36
§4.1.3 单机通信控制调试 ...............................................................................39
§4.2 多机通信控制模式 .........................................................................................41
§4.2.1 点对多点控制器软件程序设计 ............................................................41
§4.2.2 点对多点上位机通信程序设计 ...........................................................44
§4.2.3 多机通信控制方式下系统调试 ...........................................................45
§4.3 本章小结 .........................................................................................................47
第五章 总结与展望 .......................................................................................................48
§5.1 结论 .................................................................................................................48
§5.2 展望 .................................................................................................................48
附录 .................................................................................................................................49
参考文献 .........................................................................................................................57
在读期间公开发表的论文及取得成果 .........................................................................59
致谢 .................................................................................................................................60
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题来源、背景及意义
近年来，随着电子技术和现代控制理论的发展，电磁阀在汽车、农业机械、化
工、水处理厂得到了广泛的应用。特别是随着高速数字液压技术的迅速发展，由
于电磁阀结构简单，使用安全，工作可靠，功率微小，成批产品的性能一致性好，
应用于众多的领域。
比例电磁阀是液压系统中的一个重要控制元件，液压系统的运行特性很大程度
上取决于比例电磁阀电磁执行器的特性。因此如何提高比例电磁阀执行器的性能
指标是该领域中的一个重大课题。所以，设计一个高可靠性、高精确度、快速响
应的电磁阀控制系统，对于工业用电磁阀有非常重要的现实意义。
本文结合一个企业课题，基于电磁阀的广泛应用需求和RS-485总线传输的优
点，利用AT89S52单片机和固态继电器并结合单片机设计方便、价格便宜等优点，
设计一款具有可靠性高、精度高、响应快速的多比例电磁阀控制系统。软件方面，
利用VB编写上位机的串口通信程序，用C语言编写下位机的控制系统程序。硬件
方面，我们将做一个多机串口通信控制系统。由于比例电磁阀现在广泛应用于工
业液位控制、汽车防抱死系统（ABS），本文提出的硬件电路和软件编程方法对工
业用比例电磁阀控制器的设计具有实用价值。
§1.2 电磁阀控制技术简介
在自动控制技术中，电磁阀是动作的执行者。在现代工业生产中，控制系统对
安全的要求越来越高。因此，电磁阀虽在一个配角的位置，但其技术的重要性对
系统安全却起到决定性作用。
电磁阀[7]是利用电磁铁控制流体的执行机构，它广泛应用于流体的开关控制
中。不仅机床的油压夹具、润滑油系统、冷却液系统、化学反应的液体添加剂，
甚至公共汽车及电车的气动车门，都是用电磁阀控制的。
电磁阀具有多种类型，不同的类型在控制系统中根据不同的位置起着不尽相同
的作用，比较常见的几种类型为单向阀、安全阀、速度调节阀及方向控制阀。电
磁阀的控制原理通过电磁效应实现，常用的控制方式为继电器控制及电脑程控。
通过这些控制方式，电磁阀可以配合着不同的电路达到预期的系统控制，并且使
控制的准确度及灵活性得到保证。
基于 RS-485 总线的电磁阀控制系统研究
2
§1.2.1 电磁阀的工作原理
电磁阀内部含有一个密闭腔，密闭腔的不同位置都开有孔，不同的孔通向不同
的液管。密闭腔内部有一个阀门，阀门是由两块电磁铁组成两面，通电的磁铁线
圈阀体会吸引阀门到它那一边。这样，控制阀门的移动可以来控制液体的流动，
电磁阀的进液孔是常开状态来保证液体一直可以流入，液体进入不同的排液管，
然后利用液体的压力来控制液缸的活塞，活塞又可以控制活塞杆，活塞杆带动外
部机械装置的运动。总之，通过控制电磁铁线圈的电流通断就控制了液体流动。
当电磁铁线圈通电，便产生电磁性，与磁铁相互吸引，磁铁能够拉动顶杆。当
电磁铁线圈断电，磁铁和顶杆就复位。即当线圈通电或断电时，电磁铁的运转将
导致阀体关闭或打开，以达到改变流体的流动，这就是电磁阀的工作原理。
§1.2.2 电磁阀的种类及特点
电磁阀作为电磁控制的工业设备，近年来用量急剧上升。电磁阀是用电磁铁的
磁性来推动阀门的开启与关闭，通常用于口径在40mm以下的两位式控制中，尤其
多用来调整介质的方向、流量、速度和其它参数。电磁阀的主要优点是体积小，
执行操作方便，成本低等。
电磁阀的主要分类：
（1）据工作原理，大体把电磁阀分为三类：直动式电磁阀、分步直动式电磁
阀及先导式电磁阀。
直动式电磁阀：接通电源时，依靠电磁线圈产生的电磁力把关闭件从阀座上拉
起，这样阀门便打开；关闭电源时，电磁线圈的电磁力消失，利用弹簧的弹力把
关闭件压回阀座，阀门关闭。该类型电磁阀的特点为：根据电磁通电原理，无论
是在真空、负压还是零压时均能正常的工作。
分步直动式电磁阀：它是依据直动和先导式相结合的原理进行工作，当入口和
出口之间不存在压力差时，接通电源后，电磁线圈产生的电磁力会把先导小阀和
主阀的关闭件以此拉起，使阀门打开。当入口与出口压力达到启动压差时，接通
电源后，产生的电磁力先导小阀，此时主阀下腔的压力上升，上腔压力下降，依
靠压力差把主阀向上推开；断开电源时，先导阀利用弹簧弹力或者介质的压力推
动，使关闭件向下移动，从而使阀门关闭。此类电磁阀的特点为：无论在零压差
或者真空、高压环境下均能进行工作，但其缺点为功率较大，且必须水平安装。
先导式电磁阀：工作原理为接通电源时，依靠电磁力打开先导孔，使得上腔室
的压力迅速的下降，从而在关闭件的周围能够产生一个上低下高的压力差，此时
依靠流体的压力推动着关闭件向上移动，使得阀门打开；切断电源后，弹簧弹力
第一章 绪论
3
会使先导孔关闭，入口压力迅速通过旁通口进入腔室，在关闭件的周围形成了一
个下低上高的压力差，依靠流体压力推动着关闭件向下移动，使阀门关闭。此类
电磁阀的特点为：流体的压力范围非常大，可随意安装，但要确保能够满足流体
压差条件。
（2）根据电磁阀阀结构及制作材质的不同及工作原理的不尽相同，可以把电
磁阀大体分为六类：直动膜片结构、分步直动膜片结构、先导膜片结构、直动活
塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构。
（3）电磁阀-功能分类：
如下表1-1所示：
表1-1 电磁阀功能分类图
电磁阀的主要特点：
（1）外露问题容易避免，内漏隐患方便控制，使用简单、安全。内外泄露是
危害工作效率及社会安全的主要因素，其它种类的自动阀通常是将阀杆伸在设备
外面，通过电动、气动或液动等方式来控制阀芯的工作，这就面临着因长期操作
阀杆而导致的动密封外泄漏问题，但电磁阀的工作原理为通过电磁力控制着隔磁
套管内的铁芯来完成，因此不存在动密封，所以避免了外漏的问题。电动阀的力
矩不容易控制，易产生内漏，经常的拉动甚至使阀杆的头部断裂，电磁阀独特的
结构型式避免了内泄漏，使隐患产生几率完全避免。因此，电磁阀的使用是非常
安全的，独特的工作原理尤其适用于腐蚀性、有毒或者高低温的环境。
基于 RS-485 总线的电磁阀控制系统研究
4
（2）操作系统简便，易于连接电脑，价格低廉。电磁阀本身的结构非常简单，
因此价格也十分低廉，相对于其它种类的执行器更容易安装和维护。更明显的特
点是自动系统的组成非常简单。因为电磁阀是通过开关信号来控制，与工控计算
机的连接非常方便，尤其在电脑十分普及的今天，电磁阀在功能、操作及价格上
的优势更加显著。
（3）操作动作快速，损耗功率微小，外观轻便。电磁阀的响应时间十分短暂，
可以在几毫秒内完成动作，即使是先导式电磁阀也可以在几十毫秒内完成控制操
作。独特的工作原理，对比其它的自控阀，在反应速度上显得更加灵敏。如果设
计合理，可以把电磁阀线圈的功率消耗降低至一个很低的水平，属于低损耗产品，
并且只需触发动作便自动保持阀位，平时没有电能损耗。电磁阀的外形非常轻便，
占用很小空间，也更具有观赏性。
（4）调节精度受目前技术限制，对适用介质有特殊要求。因为电磁阀通常只
有开和关两种状态，内部的阀芯只能处于两种位置，因此不能够进行连续的进行
调节，目前有很多新的构思力图突破这种格式，但还处于试验阶段，因此在调节
准确度上还受到了一定的限制。本系统就是使用比例电磁阀除了正常的开关状态，
还可以实现开合位置的控制。
因电磁阀为通过电磁力来实现动作控制，因此对介质有着特殊的要求，不能适
用于含颗粒状的介质，如果为金属杂质应先滤去，另外也不能适用于粘稠状介质，
并且特定制作的产品受行业限制对介质粘度的范围要求相对更窄。
（5）种类型号繁多，适用多种行业。虽然电磁阀因工作原理的特殊而有许多
先天的缺点，但是其优点也是十分突出有目共睹的，因此根据行业要求设计出了
多种型号、多种类型的产品以满足各种不同的需求，其用途极为广泛。目前电磁
阀的研究也是以如何克服先天缺点，更好发挥优点为目标来进行的。
§1.3 多机串口通信技术简介
§1.3.1 计算机网络结构简介
在现代计算机控制技术中，单机或者双机已经不能满足实际需要，多个控制器
或 CPU 配合才能完成某个任务或者过程。计算机控制是计算机技术与自动控制理
论及自动化技术紧密结合并应用于实际的结果，随着高性能计算机、网络技术及
多媒体技术的发展，使计算机应用向网络化、综合化、集成化、智能化发展，使
自动控制技术更广泛地应用于工业、交通、服务等各行各业，而且控制的形式也
越来越复杂，以简单的集中式控制逐渐向复杂的分布式、多控制端形式发展，出
摘要：

II比例电磁阀作为一种机电液系统自动控制终端执行元件，在汽车、工程机械、和化工等领域有着广泛的应用。RS-485总线具有抗干扰能力强，组网成本低的特点。针对上述工程背景，本文采用AT89S52单片机开发了一个基于RS-485总线的比例电磁阀远程控制系统，对其硬件和软件进行了详细的设计与调试。论文的主要研究内容包括：（1）总体方案设计：首先对电磁阀控制技术的发展现状和应用前景进行了综述。根据应用需求，最终确定研制一个以RS-485总线为基础的多单片机电磁阀控制系统。（2）控制系统硬件设计：硬件设计包括微控制器单片机AT89S52，驱动模块固态继电器（SSR），RS-485总线的信号转换模块MAX...

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