微型计算机控制技术第4章ppt课件.ppt

第4章 常用控制程序的设计,4.1 报警程序的设计4.2 开关量输出接口技术 4.3 电机控制接口技术 4.4 步进电机控制接口技术,4.1报警程序设计,在微型机控制系统中，为了安全，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。,微机控制技术,4.1报警程序设计,4.1.1 常用报警方式4.1.2 简单报警程序的设计4.1.3 越限报警程序的设计4.1.4 远程自动报警系统的设计,4.1.1 常用报警方式,在控制系统中通常可采用 声音 如电铃、电笛发出，蜂鸣器，集成电子音乐芯片，光 发光二极管或闪烁的白炽灯等 语音报警，语音芯片 图形与声音混合报警，显示报警画面（如报警发生的顺序、报警发生 的时间、报警回路编号、报警内容及次数等）。,微机控制技术,4.1.1常用报警方式,1发光二极管及白炽灯驱动电路（1）报警方法不同采用的驱动电路方式也不同。发光二极管的驱动电流一般在 2030mA，不能直接由 TTL 电平驱动，常采用 OC 门驱动器。如 74LS06/07 等。白炽灯报警时，应该使用交流固态继电器进行控制。（2）为了能保持报警状态，常采用带有锁存器的I/O接口芯片，（Intel 8155、8255A）也可选用一般的锁存器，（74LS273，74LS373，或 74LS377等）,微机控制技术,4.1.1常用报警方式,图4-1 LED报警接口电路,微机控制技术,4.1.1常用报警方式,2.声音报警驱动电路 常采用模拟声音集成电路芯片，如 KD-956X 系列，采用CMOS工艺，软封装的报警IC芯片。（1）工作电压范围宽；（2）静态电流低；（3）外接振荡电阻可调节模拟声音的放音节奏；（4）外接一只小功率三极管，便可驱动扬声器。其功能如表4.1（P97）所示。,微机控制技术,4.1.1常用报警方式,微机控制技术,4.1.1常用报警方式,KD-956X系列IC芯片具有以下共同特性：（1）工作电压范围宽；（2）静态电流低；（3）外接振荡电阻可调节模拟声音的放音节奏；（4）外接一只小功率三极管，便可驱动扬声器。,微机控制技术,4.1.1常用报警方式,微机控制技术,表4.1 KD956X 系列报警芯片功能表 P96,4.1.1常用报警方式,KD-9561 芯片内设：振荡器、节拍器、音色发生器、地址计数器、控制和输出级等部分。根据内部程序，设有两个选声端 SELl和SEL2，改变这两端的电平，便可发出各种不同的音响。详见表4.2。VDD提供电源正端电压，VSS指电源负端电压（地）。KD-9561能发出4种不同的声音，且体积小，价格低廉，音响逼真，控制简便，所以，广泛应用于报警装置及电动玩具。外形及报警器电路图，如图4.2所示。,微机控制技术,4.1.1常用报警方式,图4.2 KD-9561的外形和报警电路图 P97,微机控制技术,4.1.1常用报警方式,如图4.2（b）中所示，当系统检查到报警信号以后，使三极管9013导通，发出报警声音。图中的R1选值一般在180k290k之间。R1的阻值愈大，报警声音愈急促；反之，报警声音节凑缓慢。,微机控制技术,4.1.2 简单报警程序的设计,（1）软件报警程序 这种方法的基本作法是把被测参数如温度、压力、流量、速度、成分等参数，经传感器，变送器、模数转换器，送到微型机后，再与规定的上、下限值进行比较，根据比较的结果进行报警或处理，整个过程都由软件实现。这种报警程序又可分简单上、下限报警程序，以及上、下限报警处理程序。,微机控制技术,4.1.2 简单报警程序的设计,（2）硬件申请、软件处理报警程序 报警要求直接由传感器产生。例如：电接点式压力报警装置 当压力高于（或低于）某一极限值时，接点即闭合，正常时则打开。利用开关量信号，通过中断的办法来实现对参数 或位置的监测。例如，行车系统、电接点压力表等。,微机控制技术,4.1.2 简单报警程序的设计,根据系统和参数的要求，报警程序可分为：简单的越限报警程序；报警处理程序。,微机控制技术,4.1.2 简单报警程序的设计,1.软件报警程序设计锅炉水位自动调节系统，如图4.3所示。汽包水位是锅炉正常工作的重要指标。液面太高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液现象。水位过低，则由于汽包的水量较少，负荷又很大，水的汽化会很快。如果不及时调节液面，就会使汽包内液体全部汽化，可能导致锅炉烧坏以至发生严重的爆炸事故。所以，锅炉液面是一个非常重要的参数，一般采用双冲量或如图所示的三冲量自动调节系统。,微机控制技术,4.1.2 简单报警程序的设计,图43锅炉三冲量调节系统 P98,微机控制技术,4.1.2 简单报警程序的设计,系统设计有 3 个报警参数：水位上、下限，炉膛温度上、下限，蒸汽压力下限。如图4.4中所示：要求当各参数全部正常时，绿灯亮。若某一个参数不正常，将发出声光报警信号。,微机控制技术,4.1.2 简单报警程序的设计,图44 锅炉报警系统图 P99,微机控制技术,内存分配,SAMP,ALAM,LIMIT,DPTR,8100H,外存,内存,20H,4.1.2 简单报警程序的设计,程序设计思想：设置一个报警模型标志单元 ALARM，把各参数的采样值分别与上、下限值进行比较。若某一位需要报警，则将相应位置1，否则，清0。所有参数判断完毕后，看报警模型单元 ALARM 的内容是否为00H。若为 00H，说明所有参数均正常，使绿灯发光。不等于00H，则说明有参数越限，输出报警模型。程序流程图，如图4.5所示。设 3个参数的采样值：X1（水位）、X 2（炉膛温度）、X3（蒸汽压力）依次存放在以 SAMP 为首地址的内存单元中，相应的允许极限值依次放在以 LIMIT为首地址的内存区域内，报警标志位单元为 ALARM。,微机控制技术,4.1.2 简单报警程序的设计,微机控制技术,图45 软件报警程序模块流程图 P101,ORG 8000HALARM：MOV DPTR，#SAMP；采样值存放地址DPTR MOVX A，DPTR；取X1 MOV ALARM，#00H；报警模型单元清0ALARM0:CJNE A，LIMIT，AA；X1MAX1吗ALARM1:CJNE A，LIMIT+1，BB；X1MAX2吗ALARM3:CJNE A，LIMIT+3，DD；X2MIN2吗ALARM4:INC DPTR；取X3 MOVX A，DPTR CJNE A，LIMIT+4，EE；X3MIN3吗DONE：MOV A，00H；判断是否有参数报警 CJNE A，ALARM，FF；若有，转 FF SETB 05H；无需报警，输出绿灯亮模型,根据图4.5所示可写出锅炉软件报警程序，如下所示：,微机控制技术,DONE1：MOVA，ALARM MOVP1，A RET FF：SETB 07H；置电笛响标志位 ATMP DONE1 SAMP EQU 8100HLIMIT EQU 30HALARM EQU 20H AA：JNCAOUT1；X1MAX1 转 AOUT1 AJMPALARM1 BB：JCAOUT2；X1MAX2转AOUT3 AJMPALARM3 DD：JCAOUT4；X2MIN2转AOUT4 AJMPALARM4,微机控制技术,4.1.2 简单报警程序的设计,EE：JCAOUT5；X3MIN3转AOUT5AJMPDONEAOUT1：SETB00H；置X1超上限报警标志AJMPALARM2AOUT2：SETB01H；置X1超下限报警标志AJMPALARM2AOUT3：SETB02H；置X2超上限报警标志AJMPALARM4AOUT4：SETB03H；置X2超下限报警标志AJMPALARM4AOUT5：SETB04H；置X1超下限报警标志AJMPDONE,微机控制技术,4.1.2 简单报警程序的设计,2硬件报警程序设计某些根据开关量状态进行报警的系统，为了使系统简化，可以不用上面介绍的软件报警方法，而是采用硬件申请中断的方法，直接将报警模型送到报警口中。这种报警方法的前提条件是被测参数与给定值的比较是在传感器中进行的。例如，电结点式压力计，电结点式温度计，色带指示报警仪等，都属于这种传感器。不管原理如何，它们的共同点是，当检测值超过（或低于）上、下限值时，结点开关闭合，从而产生报警信号。这类报警系统电路图，如图4.6所示。,微机控制技术,4.1.2 简单报警程序的设计,图46 硬件直接报警系统原理图,微机控制技术,报警结点,4.1.2 简单报警程序的设计,图4.6中，SL1 和 SL2 分别为液位上、下限报警结点，SP 表示蒸汽压力下限报警结点，ST 是炉膛温度上限超越结点。只要三个参数中的一个（或几个）超限（即结点闭合），管脚都会由高变低，向 CPU 发出中断申请。CPU响应后，读入报警状态 P1.3P1.0，然后从P1口的高4 位输出，完成超限报警的工作。采用中断工作方式，既节省了CPU计算的宝贵时间，又能不 失时机地实现参数超限报警。,微机控制技术,ORG 0000HAJMP MAIN；上电自动转向主程序ORG 0003H；外部中断方式0入口地址AJMP ALARMORG 0200H MAIN：SETB IT0；选择边沿触发方式SETB EX0；允许外部中断0SETB EA；CPU允许中断 HERE：SJMP HERE；模拟主程序ORG 0210H ALARM：MOV A，#0FFH；设P1口为输入口MOV P1，AMOV A，P1；取报警状态SWAP A；MOV P1，A；输出报警信号RETI,根据图4.6可写出报警程序如下：,微机控制技术,4.1.3 越限报警程序的设计,为了避免测量值在极限值附近摆动造成频繁报警，可以在上、下限附近设定一个回差带，如图4.7所示。,微机控制技术,4.1.3 越限报警程序的设计,图4.7 越限报警示意图 P103,微机控制技术,4.1.3 越限报警程序的设计,在图4.7中，H是上限带，L为下限带。规定只有当被测量值越过A点时，才认为越过上限；测量值穿越H带区，下降到B点以下才承认复限。同样道理，测量值在L带区内摆动均不做超越下限处理；只有它回归于D点之上时，才做超越下限后复位处理。这样就避免了频繁的报警和复限，以免造成操作人员人为的紧张。实际上，大多数情况下，如前面锅炉水位调节系统中所述，上、下限并非只是惟一的值，而是允许一个“带”。在带区内的值都认为是正常的。带宽构成报警的灵敏区。上、下限带宽的选择应根据具体的被测参数而定。,微机控制技术,4.1.3 越限报警程序的设计,下面重新对锅炉液位报警程序进行设计。设锅炉水位采样并经滤波处理后的值存放在以SAMP为起始地址的内存单元中（设采样值为12位数，占用两个内存单元）。上、下限报警及上、下限复位门限值分别存放在以ALADEG为首地址的内存单元中。报警标志单元为FLAG，其中D2位为越上限标志位，D3位为越下限标志位。其内存分配，如图4.8所示。,微机控制技术,图4.8 有关内存的分配 P103,微机控制技术,R0,R1,4.1.3 越限报警程序的设计,越限报警程序的基本思路是将采样、数字滤波后的数据与该被测点上、下限给定值进行比较，检查是否越限；或与上限复位值、下限复位值进行比较，检查是否复位上、下限。如越限，则分别置位越上、下限标志，并输出相应的声、光报警模型。如已复位上、下限，则清除相应标志。当上述报警处理完之后，返回主程序。如图4.9所示的是其程序的流程图。,微机控制技术,微机控制技术,图4.9 越限报警子程序的流程 P104,BRAN1,DONE,BRAN4,BRAN2,BRAN3,42H,43H,2AH,计数,ORG 8000H ACACHE:MOV R0，#SAMP；采样值首地址 R0MOV A，R0；取采样值低8位MOV R1，#20H；取上限报警值低8位ACALL DUBSUB；检查是否越上限JNC BRAN1；越上限，转BRAN1MOV A，R0；取采样值低8位ACALL DUBSUB；检查是否复位上限JNC DONE；不复位上限，返回主程序JB 42H，BRAN2；上限若置位，则转BRAN2MOV A，RO；取采样值低8位ACALL DUBSUB；检查下限报警值JC BRAN3；越下限，转BRAN3,根据图4.9 可写出越限报警子程序如下：,微机控制技术,MOV A，R0；取采样值低8位 ACALL DUBSUB；检查复位下限值 JC DONE；不复位下限，返回主程序 JNB 43H，DONE CLR 43HBRAN4:INC 2AH；记录调整次数DONE:RETSAMP:EQU 30HBRAN1:42H，DONE；判上限报警是否置位 SETB 42H；置上限报警标志 MOV A，#81H；输出越上限报警信号 MOV P1，A AJMP BRAN4,JB,BRAN2:CLR 42H；清上限报警标志 AJMP BRAN4BRAN3:JB 43H，DONE；判下限报警是否置位 若置位，则转DONE SETB 43H；置下限报警标志 MOV A,#82H；输出越下限报警信号 AJMP BRAN4DUBSUB:CLR C；双字节减法子程序 SUBB A，R1 INCR0 INCR1 MOVA，R0 SUBBA，R1 INCR1 DECR0 RET,微机控制技术,ALAM,4.1.3 越限报警程序的设计,本程序输出的报警模型及接口电路，可参看图4.4自行设计。报警标志单元FLAG（28H）和越限、复位上、下限处理次数单元（2AH）在初始化程序中应首先清零。除了上面讲的这种带上、下限报警带的报警处理程序外，还有各种各样的报警处理程序，读者可根据需要自行设计。,微机控制技术,4.1.4 远程自动报警系统的设计,适用范围：距离太远，或是无人职守场合。方法：（1）直接拨号（手机或固定电话）（2）网络（MODEM),4.1.4 远程自动报警系统的设计,1SS173K222AL芯片简介SS173K222AL是TDK公司产品，高集成度的单片MODEM芯片。该芯片的主要特点是：（1）可与8051系列单片机对接，接口电路简单。（2）串行口数据传输。（3）采用同步方式或异步方式工作。（4）与CCITT V.22、V.21、BELL 212A、103标准兼容。（5）具有呼叫进程、载波、应答音、长回环检测等功能。（6）通过编程产生DTMF信号及550/1800Hz防卫音信号。（7）具有自动增益控制，动态范围达45dB。（8）采用CMOS技术，低功耗、单电源供电。,4.1.4 远程自动报警系统的设计,引脚如图4.10,4.1.4 远程自动报警系统的设计,VDD，GND：D电源和地。AD0AD7：地址/数据线。ALE：地址锁存控制信号，与单片机ALE相连接，用于锁存地 址信号。WR和RD：读/写控制信号，低电平有效。CLK：时钟信号。XTL1、XTL2：外接晶体震荡器。TXD、RXD：用来发射和接收数据。TXA、RXA：发射和接收响应管脚，与外部收发装置相连。CS：片选信号，低电平有效。VREF：参考电平。RESET：复位信号。,4.1.4 远程自动报警系统的设计,2直接拨通手机号码报警,4.1.4 远程自动报警系统的设计,设本例中所拨打的手机号码为：13231502165 WAN：JNB P1.3，DT；监视P1.3口 SJMP WANDT：ACALL DLY2；延时50毫秒 JNB P1.3，ARM；确认有报警信号，转处理程序。SJMP WANARM：CLR P1.7；吸合继电器J1 ACALL DLY2；延时50毫秒 MOV R6，#0BH；拨打11位手机号码，予置初值。MOV DPTR，#7FF8H；地址指针指向R0 MOV A，#31H；R0；按始发方式、FSK模式设置,但禁止发送。MOVX DPTR，ALOOP：MOV DPTR，#7FFBH；地址指针指向TR MOV A，#0FH ADD A，R6；取出电话号码,4.1.4 远程自动报警系统的设计,MOVC A，A+PC MOVX DPTR，A；设置TR MOV DPTR，#7FF8H；地址指针指向R0 MOV A，#33H；允许发送 MOVX DPTR，A ACALL DLY3；延时250毫秒 MOV A，#31H；停止发送 MOVX DPTR，A ACALL DLY3；延时250毫秒 DJNZ R6，LOOP；拨号未完，再拨出一个号码,4.1.4 远程自动报警系统的设计,DB 95H，96H，91H，92H，9AH，95H，91H，93H，92H，93H，91H；TR设置及手机号码DTA：MOV DPTR，#7FFAH；地址指针指向DR MOVX A，DPTR；监视DR JNB ACC.2，DTA；检测应答音 MOV DPTR，#7FF9H；地址指针指向R1 MOV A，#04H MOVX DPTR，A；复位MODEM SETB P1.7；释放J1 RET,3在接收端采用MODEM和单片机显示装置的报警,4.2 开关量输出接口技术,在过程控制系统中，被测参数经采样处理计算之后，常需要进行控制。输出设备往往需大电压（或电流）来控制，而微型机 系统输出的开关量大都为TTL/CMOS 电平，一般不能 直接驱动外部设备开启或关闭。许多外部设备(如大功率直流电机，接触器等)在开关过 程中会产生很强的电磁干扰信号，如不加隔离可能会使 微机控制系统中造成误动作或损坏。开关量输出控制中必须认真考虑并设法解决的两个问题放大，隔离。,微机控制技术,4.2 开关量输出接口技术,4.2.1 光电隔离技术4.2.2 继电器输出接口技术4.2.3 固态继电器输出接口技术4.2.4 大功率场效应管开关接口技术4.2.5 可控硅接口技术4.2.6 电磁阀接口技术,421 光电隔离技术,光电隔离器的种类繁多:发光二极管/光敏三极管 发光二极管/光敏复合晶体管 发光二极管/光敏电阻 发光二极管/光触发可控硅等。,微机控制技术,421 光电隔离技术,图414 光电隔离器原理图 P106,微机控制技术,421 光电隔离技术,当发光二极管有正向电流通过时，即产生红外 光。光敏三极管接收光以后便导通。而当该电流撤去时，发光二极管熄灭，三极管截止。利用这种特性即可达到开关控制的目的。该器件通过电光电的转换实现对输出设备进行控制的，彼此之间没有电气连接，因而起到隔离作用，隔离电压与光电隔离器的结构形式有关。塑料封装形式一般为2500V左右，陶瓷封装形式一般为500010000V。在一般微机控制系统中，由于大都采用TTL电平，不能直接驱动发光二极管，所以通常加一个驱动器，如7406和7407等。输入、输出端两个电源必须单独供电，如图411所示、图412所示。,微机控制技术,421 光电隔离技术,图415 正确的隔离 P107,微机控制技术,421 光电隔离技术,图416 不正确的隔离 P107,微机控制技术,4.2.2 继电器输出接口技术,继电器是电气控制中常用的控制器件。一般由通电线圈和触点（常开或常闭）构成。线圈通电时，开关触点闭合（或打开）。线圈不通电时，则开关触点断开（或闭合）。一般线圈可以用直流低电压控制（直流 9V，12V，24V 等）；触点输出部分可以直接与市电（220V）连接；虽然继电器本身有一定的隔离作用，但在与微型计算机接口连接时通常还是采用光电隔离器进行隔离。,微机控制技术,4.2.2 继电器输出接口技术,图4.17 继电器接口电路,微机控制技术,4.2.2 继电器输出接口技术,如图4.13中所示，当开关量P1.0输出为高电平时，经反相驱动器7406变为低电平，使发光二极管发光，从而使光敏三极管导通，进而使三极管9013导通，因而使继电器J的线圈通电，继电器触点J1-1闭合，使220V电源接通。反之，当P1.0输出低电压时，使J1-1断开。图中所示电阻R1为限流电阻，二极管D的作用是保护晶体管T。当继电器J吸合时，二极管D截止，不影响电路工作。继电器释放时，由于继电器线圈存在电感，这时晶体管T已经截止，所以会在线圈的两端产生较高的感应电压。,微机控制技术,4.2.2 继电器输出接口技术,此电压的极性为上负下正，正端接在晶体管的集电极上。当感应电压与VCC之和大于晶体管T的集电极反向电压时，晶体管T有可能损坏。加入二极管D后，继电器线圈产生的感应电流从二极管D流过，从而使晶体管T得到保护。,微机控制技术,4.2.2 继电器输出接口技术,不同的继电器，其线圈驱动电流的大小，以及带动负载的能力不同。选用时应考虑下列因素：继电器额定工作电压（或电流）；接点负荷；接点的数量或种类（常闭或常开）；继电器的体积、封装形式、工作环境、接点吸合 或释放时间等。,微机控制技术,423 固态继电器输出接口技术,固态继电器（Solid State Relay）简称SSR。带光电隔离器的无触点开关(用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关，在前级把光电隔离器熔为一体)。固态继电器有直流型和交流型固态继电器之分。固态继电器输入控制电流小，输出无触点，在微机控制系统中得到了广泛的应用，大有取代电磁 继电器之势。,微机控制技术,423 固态继电器输出接口技术,1直流型SSR输入端是一个光电隔离器，可用 OC 门或晶体管直接驱动。输出端经整型放大后带动大功率晶体管输出，输出工作电压可达 30180V（5V开始工作）。,微机控制技术,423 固态继电器输出接口技术,图418 直流型 SSR 原理图,微机控制技术,423 固态继电器输出接口技术,直流 SSR（Solid State Relay）主要用于带有直流负载的场合，如直流电机控制，直流步进电机控制，和电磁阀等。图419所示为采用直流SSR控制三相步进电机 原理电路图。,微机控制技术,图中 A、B、C 为步进电机的三相，只要按着一定的通电顺序，即可实现步进电机控制,图419 步进电机控制原理图,微机控制技术,423 固态继电器输出接口技术,2.交流型 SSR(1)采用双相可控硅作为开关器件.用于交流大功率驱动场合，如交流电机控制，交流电磁阀控制等。(2)交流型 SSR 又可分为过零型和移相型两类。非过零型SSR，在输入信号时，不管负载电流相位 如何，负载端立即寻通；过零型必须在负载电源电压接近零且输入控制信号 有效时，输入端负载电源才导通。当输入的控制信号撤消后，不论哪一种类型，它们 都是流过双向可控硅负载电流为零时才关断。,微机控制技术,423 固态继电器输出接口技术,图420 交流过零型SSR原理图,微机控制技术,423 固态继电器输出接口技术,一个交流型SSR控制单向交流控制电机的实例如图422所示。图中，改变交流电机通电绕组，即可控制电机的旋转方向。例如用它控制流量调节阀的开和关，从而实现控制管道中流体流量的目的。,微机控制技术,423 固态继电器输出接口技术,图4-22 用交流 SSR 控制交流电机原理图 P110,微机控制技术,1,0,1,423 固态继电器输出接口技术,在图422中，当控制端PC0输出为低电平时，经反相后，使上边的SSR导通，下的SSR截止使交流电通过A相绕组正转；反之，如果PC0输出高电平，则上边SSR的截止，下边的SSR导通，使交流电流经B相，电机反转。图中Rp、Cp组成浪涌电压吸收回路，通常Rp为100左右，CP为01F。RM为压敏电阻，用做过电压保护。其电压取值范围通常为电源电压有效值的1619倍，市售有专门适用于交流220V或380V的压敏电阻。交流型固态继电器选用时主要注意它的额定电压和额定工作电流,微机控制技术,424 大功率场效应管开关接口技术,大功率场效应管开关的特点：输入阻抗高 关断漏电流小 响应速度快 与同功率继电器相比，体积较小，价格便宜，所以在开关量输出控制中也常作为开关元件使用。场效应管的种类非常多，如IRF系列，电流可从几个mA几十A，耐压可从几十V几百V，因此可以适合任何场合。,微机控制技术,424 大功率场效应管开关接口技术,值得说明的是，由于大功率场效应管本身没有隔离作用，故使用时为了防止高压对微型机系统的干扰和破坏，通常在它的前边加一级光电隔离器，如4N25、TIL113等,微机控制技术,424 大功率场效应管开关接口技术,图423 大功率场效应管的表示符号,微机控制技术,控制栅极 G,漏极 D,源极 S,1,NPN 型,424 大功率场效应管开关接口技术,利用大功率场效应管可以实现图419所示的步进电机控制。其原理电路如图420所示图中，当某一控制输出端（如PC0）输出为高电平时，经反相器7406变为低电平，使光电隔离器，通电并导通，从而使电阻R1（R2或R3）输出为高电平，控制场效应管IRF 640导通，使A相（B相或C相）通电；反之，当P10为低电平时，则IRF640截止，A相无电流通过。改变步进电机A、B、C三相的通电顺序，便可实现对步进电机的控制，详见本章第四节，图中的RP、CP、D均为保护元件。其作用与前边讲过的相同。,微机控制技术,图424 采用大功率场效应管的步进电机控制电路原理图 P111,微机控制技术,大功率场效应管,只作开关,4.2.5 可控硅接口技术,可控硅（Silicon Controlled Rectifier）,简称 SCR，大功率电器元件，也称晶闸管。它具有体积小，效率高，寿命长等优点。在自动控制系统中，作为大功率驱动器件，实现用小 功率控件控制大功率设备。它在交直流电机调速系统、调功系统以及随动系统中 得到了广泛的应用。,微机控制技术,4.2.5 可控硅接口技术,可控硅分单向可控硅和双向可控硅两种。1.单向可控硅图4.25（a）单向可控硅的表示符号，3 个引脚:A为阳极，K为阴极，G为控制极。4 层半导体材料组成:等效于 P1N1P2 和 N1P2N2 两个三极管，如图 4.25（b）所示。,微机控制技术,4.2.5 可控硅接口技术,图4.25 可控硅结构 P112,微机控制技术,阴极,阳极,控制极,4.2.5 可控硅接口技术,工作原理：当阳极电位高于阴极电位且控制极电流增大到一定值（触发电流）时，可控硅由截止转为导通。导通后，Ig 即使为零，可控硅仍保持导通状态，直到阳极电位小于或等于阴极电位时，可控硅才由导通变为截止。其特性曲线如图4.26所示。单向可控硅多用于直流大电流场合。在交流系统中常用于大功率整流回路。,微机控制技术,即阳极电流小于维持电流,4.2.5 可控硅接口技术,图4.26 可控硅输出特性 p112,微机控制技术,4.2.5 可控硅接口技术,2.双向可控硅也称三端双向可控硅，简称 TRIAC。在结构上相当于两个单向可控硅反向连接，如图4.27所示。具有双向导通功能。通断状态由控制极 G 决定。G 上加正脉冲（或负脉冲）可使其正向（或反向）导通。这种装置的优点是控制电路简单，没有反向耐压问题，因 此特别适合作交流无触点开关使用。,微机控制技术,4.2.5 可控硅接口技术,图4.27 双向可控硅的符号、结构及伏安特性 p113,微机控制技术,4.2.5 可控硅接口技术,可控硅在与微型计算机接口连接时也，。在单片机控制系统中，常用单片机的某一根接口线或外接I/O接口的某一位产生触发脉冲。为了提高效率，要求触发脉冲与交流电压同步，通常采用检测交流电过零点来实现。图4.28所示为某电炉温度控制系统可控硅控制部分的电路原理图。,微机控制技术,4.2.5 可控硅接口技术,图4.28 可控硅加热炉控制系统的原理 p113,微机控制技术,需加接光电隔离器,触发脉冲电压应大于4 V；脉冲宽度应大于20s,426 电磁阀接口技术,1、电磁阀是在气体或液体流动的管路中受电磁力控制 开闭的阀体。2、广泛用于液压机械、空调、热水器、自动机床等系统 3、它由线圈、固定铁芯、可动铁芯及阀体等组成。线圈不通电时，可动铁芯受弹簧作用与固定铁芯脱离，阀门处于关闭状态。线圈通电时，可动铁芯克服弹簧的弹力作用与固定铁芯 吸合，阀门处于打开状态控制了液体和气体的流动。（流体推动油缸或气缸转换为物体的机械运动，完成往复运动）。4、电磁阀有交流和直流两种。交流电磁阀使用方便，但容易产生颤动，启动电流大，并会引起发热。直流电磁阀可靠，但需专门电源，如12V、24V、48V。,微机控制技术,426 电磁阀接口技术,图429 电磁阀结构原理图 p114,微机控制技术,426 电磁阀接口技术,电磁阀种类很多，常用的换向阀有两位三通、两位四通、三位四通等。这里所谓的位是指滑阀位置，通指流体的通路。工作原理与继电器基本相同，故与微型机的接口也由光电隔离及开关电路等来控制的。,微机控制技术,426 电磁阀接口技术,图430 交流电磁阀接口电路 p114,微机控制技术,光电隔离器,双向可控硅,426 电磁阀接口技术,图中交流电磁阀圈由双向可控硅 KS 驱动。KS的选择要满足：额定工作电流为交流电磁阀线圈工作电流的23倍；额定工作电压为交流电磁阀线圈电压的23倍。对于中小尺寸220V工作电压的交流电磁阀，可以选择3A、600V的双向可控硅。光电隔离器MOC 3041的作用是触发双向晶闸管KS以及隔离微型机和电磁阀系统。光电隔离器的输入端接7407，电单片机8031的P1.0脚控制。当P1.0输出为低电平时，双向晶闸管KS导通，电磁阀吸合；P1.0输出高电平时，双向晶闸管KS关断，电磁阀释放。MOC3041内部带有过零电路，因此，双向晶闸管KS工作在过零触发方式,微机控制技术,4.3 电机控制接口技术,工业企业中，常用电机作原动机去拖动各种生产机械。如各种机床、电铲、吊车、轧钢机、抽水机、鼓风机、阀门、传送带等。在自动控制系统中，各种类型小巧灵敏的控制电机广泛作为检验、放大、执行和解算元件。随着系统的发展，对电机拖动系统的要求愈来愈高：如:提高加工精度及工作速度、快速启动、制动及逆转、实现 宽范围内的调速和整个生产过程自动化等。要完成这些任务，还必须有自动化控制设备来控制电机。,微机控制技术,4.3 电机控制接口技术,电机控制发展历程：交流放大器磁放大器可控离子变速器可控硅计算机控制装置向集成化、小型化、微型化、智能化方向发展。微型计算机及单片机的发展，使电机控制发生了革命性的飞跃。本节主要讲述小功率直流电机控制原理。,微机控制技术,4.3 电机控制接口技术,4.3.1 小功率直流电机调速原理4.3.2 开环脉冲宽度调速系统4.3.3 PWM调速系统设计4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统4.3.5 交流电机的控制接口技术,431 小功率直流电机调速原理,微机控制技术,图431 脉冲宽度调速系统原理图,431 小功率直流电机调速原理,小功率直流电机结构与原理：由定子和转子两大部分组成 定子上有一磁极，磁极上绕有励磁绕组。转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内装有电枢绕组，绕组通过换问器和电刷引出。,微机控制技术,431 小功率直流电机调速原理,在励磁式直流伺服电机中，在励磁电压和负载转矩恒定时 电机转速由电枢电压 Ua 决定：电枢电压越高，电机转速就越快；电枢电压 Ua 降至 0V 时，电机仃转；改变电枢电压的极性，电机改变转向。使用计算机控制小功率直流电机调速系统的方法:改变电机电枢电压接通或断开时间的比值（即占空比）控制 马达转速，称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）,简称 PWM。PWM调速原理如图431所示。,微机控制技术,431 小功率直流电机调速原理,在通电脉冲作用下：高电平时，马达速度增加；低电平时，速度逐渐减少。改变通、断电时间，可使马达速度达到一定的稳定性。设电机永远接通电源时，转速为Vmax，则电机的平均速度为 VdVmaxD(4-1)式中，Vd 电机的平均速度；Vmax 电机全通电时的速度（最大）；D=t1/T 占空比。平均速度 Vd 与占空比 D 的函数曲线，如图432所示。,微机控制技术,431 小功率直流电机调速原理,图432 平均速度与占空比的关系,微机控制技术,Vd 与占空比 D 不是完全线性关系,近似线性关系,432 开环脉冲宽度调速系统,图433 开环脉冲宽度调速系统原理图,微机控制技术,1开环脉冲宽度调速系统的组成,432 开环脉冲宽度调速系统,它由五部分组成。（1）占空比D的设定 人工设定通过开关给定(8 位二进制数)。改变开关的状态，即可改变占空比的大小。用电位器给定 经 A/D 转换器接到微型机作为给定值。由拨码键盘给定 每个拨码键盘给出一位 BCD 码（4 位二进制数），若采用两 位 BCD 码数，则需并行用两个拨码开关。,微机控制技术,432 开环脉冲宽度调速系统,（2）脉冲宽度发生器 根据给定平均速度，计算出占空比，用软件方法实现。（3）电子开关(大功率场效应管开关、固态继电器或可控硅)用来接通或断开电机定子电源。一般需要加光电隔离器。（4）驱动器 将计算机输出的脉冲宽度调制信号加以放大，控制电机定 子电压接通或断开的时间。由放大器/继电器,TTL集成电路组成驱动器构成。（6）电机 被控对象，用以带动被控装置。,微机控制技术,432 开环脉冲宽度调速系统,2电机控制接口 直流电流控制接口元器件:固态继电器、大功率场效应管、专用接口芯片（如L290、L291、L292）及接口板 所以直流电机与微型机接口可采用以下四种方法：光电隔离器大功率场效应管；固态继电器；专用接口芯片；专用接口板；,微机控制技术,成本低,适用于自行开发的微型机系统,可靠,贵,适用于STD或PC总线工业控制机系统,432 开环脉冲宽度调速系统,图434 采用固态继电器的直流电机接口方法,微机控制技术,432 开环脉冲宽度调速系统,图434中，(1)限流电阻R保护固态继电器。（2）当PC0=1时，经反问输出低电平，使固态继电器发光二极管发光，并使光敏三极管导通，从而使直流电机绕组通电。（3）反之，光敏三极管随之截止，因而直流电机绕组没有电流通过。（4）D1为固态继电器内部的保护电路，D2为电机保护元件。,微机控制技术,433 PWM 调速系统设计,图435 带方向控制的直流电机控制原理图,微机控制技术,改变电枢电压的极性,电机随之改变转向,433 PWM调速系统设计,由图4.35，双向直流电机控制原理 开关SW1和SW4闭合时，电机全速正转；开关SW2和SW3闭合时，马达全速反转。SW2 和 SW4（或SW1和SW4）闭合时，电机绕组被短路，电机处于刹车状态。将四个开关全部打开，电机自由滑行。,微机控制技术,433 PWM调速系统设计,1控制接口电路 一个完整的双向直流电机控制接口电路如图4.32所示。如图4.36中所示，采用8155作为并行接口电路。设8155 A口为输出方式，B口和C口为输入方式。A口PA1，PA0经4总线缓冲门74LS125和反向驱动器74LS06控制4个光电隔离器和4个大功率场效应开关管IRF 640（图中用SW1SW4表示）。,微机控制技术,图4.36 双向电机控制接口电路图,微机控制技术,1控制接口电路,1,0,433 PWM调速系统设计,(1)单片机经 8155 A口输出控制模型输出 02H 控制模型时，使 SW1、SW4 导通；SW2、SW3 关断。电流从左至右流过直流电机,使电机正转。输出 01H 控制模型时，使 SW2 和 SW3 接通；SW1 和 SW4 关断，电流由右向左流过电机，使电机反转。输出 03H 控制模型时,刹车,00H 的控制模型,滑行。,微机控制技术,433 PWM调速系统设计,(2)单片机从8155 B口读入 8个开关的状态,作为脉冲宽度给定值 N 以实现脉冲宽度调速。(3)C口的PC0和PC1各接一个单刀双掷开关。PC0 位为方向控制位：当 PC00时，电机正向运行；PC01时，电机反转。PC1位用来控制电机的启动和停止：若 PC10，电机启动；当 PC11，电机停止。,微机控制技术,2控制系统软件设计(1)对 8155 初始化:设其 A口 为输出方式，B口、C口为输入方式。(2)读入方向控制标志:给定值N和。启动判断:决定是否启动电机。如不需要启动，则继续检查；需要启动，进一步判断设置的电机转动方向。(3)读入占空比 D 的给定值。(4)按照要求输出正向（或反向）控制代码，