常用控制程序课件.pptx

1、第4章 常用控制程序的设计 4.1 4.1 报警程序的设计报警程序的设计 4.2 4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术 4.3 4.3 电机控制接口技术电机控制接口技术 4.4 4.4 步进电机控制接口技术步进电机控制接口技术4.1报报警程序设计设计 在微型机控制系统中，为了安全生产，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4.1.1常用报报警方式在控制系统中通常可采用 声音声音 如电铃、电笛发出如电铃、电笛发出，蜂鸣器，集成电子音乐芯片，则可在系统出现异常情况时，将悦耳的音乐送入人耳，加之突现的警灯的作用，便能在和谐的气

2、氛中，提醒现场人员注意，或采取应急措施，确保系统安全生产。光光 发光二极管或闪烁的白炽灯等发光二极管或闪烁的白炽灯等 语音报警，语音芯片语音报警，语音芯片 图形与声音混合报警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、报警回路的编号、报警内容及次数等），由于图形更加生动、逼真、而且方位明确，因此越来越受到人们的欢迎。现在，很多大型系统都有这种报警系统。微机控制技术4.1.1常用报报警方式 1 1发光二极管及白炽灯驱动电路发光二极管及白炽灯驱动电路报警方法不同采用的驱动电路方式也不同，这里仅讲一下声光报警驱动方法 由于发光二极管的驱动电流一般在2030mA，所以不能直接由

3、TTL电平驱动，通常采用OC门的驱动器，如74LS06或74LS07等。微机控制技术4.1.1常用报报警方式为了能保持报警状态，常采用带有锁存器的I/O接口芯片，如可编程接口芯片Intel 8155，8255A，也可选用一般的锁存器，像74LS273，74LS373，或74LS377等。其原理电路图，如图4-1所示。当某一路需要报警时，只需将该路输出相应的电平即可。在图4-1中，当需要用白炽灯报警时，应该使用交流固态继电器进行控制。关于交流固态继电器的原理及应用，将在本章第二节讲述 微机控制技术4.1.1常用报报警方式图图4-1 LED4-1 LED报警接口电路报警接口电路微机控制技术4.1.

4、1常用报报警方式 2.2.声音报警驱动电路声音报警驱动电路在声音报警驱动电路中，目前最常用的方法是采用模拟声音集成电路芯片，如KD-956X系列，这是一组采用CMOS工艺，软封装的报警IC芯片。其功能如表4.1所示。微机控制技术4.1.1常用报报警方式型 号声 光 性 能KD-9561机枪、警笛、救护车、消防车声KD-9561B嘟嘟声KD-9562机枪、炮弹等8声KD-9562B光控报警声KD-9562C单键8音KD-95633声2闪光KD-95656声5闪光微机控制技术4.1.1常用报报警方式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

5、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常用报报警方式 模拟声选声端电平SEL SEL2 机器声空 VDD 警备声VDDVSS 救护车声VSS VSS 消防车声空 VSS 微机控制技术表表4.1 KD956X 4.1 KD956X 系列报警芯片功能表系列报警芯片功能表 P96P964.1.1常用报报警方式 KD-9561 芯片外形如图4.2（a）所示。它含振荡器、节拍器、音色发生器、地址计数器、控制和输出级等部分。根据IC内部程序，它设有两个选声端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

6、电压，VSS指电源负端电压（地）。由于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。KD-9561的外形及报警器电路图，如图4.2（b）所示。微机控制技术4.1.1常用报报警方式图图4.2 KD-95614.2 KD-9561的外形和报警电路图的外形和报警电路图 P97P97微机控制技术4.1.1常用报报警方式 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 简单报简单报

7、警程序的设计设计报警程序的设计方法：（1 1）软件报警程序）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 简单报简单报警程序的设计设计（2 2）硬件申请、软件处理报警程序）硬件申请、软件处理报警程序 这种方法的基本思想是报警要求不是通过程序比较法得到，而是直接由传感器产生，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

8、常时则打开。我们利用这些开关量信号，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 简单报简单报警程序的设计设计 报警程序根据系统和参数的要求，可分为简单的越限报警程序及报警处理程序。微机控制技术4.1.2 简单报简单报警程序的设计设计1.软件报警程序设计在如图4.3所示的锅炉水位自动调节系统中，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

9、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 简单报简单报警程序的设计设计图图4343锅炉三冲量调节系统锅炉三冲量调节系统 P98P98微机控制技术4.1.2 简单报简单报警程序的设计设计为了使现场人员能够及时地监视锅炉的生产情况，整个系统设计有3个报警参数，即水位上、下限，炉膛温度上、下限，以及蒸汽压力下限，如图4.4所示。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。由于各参数位都接有反相驱动器，所以，当某位为“1”时，该位发光二极管亮。微机控制技术4.1.2 简单报简单报警程序的设计设计图图4444锅炉报警系统

10、图锅炉报警系统图微机控制技术4.1.2 简单报简单报警程序的设计设计本程序的设计思想是设置一个报警模型标志单元ALARM，然后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。所有参数判断完毕以后，再看报警模型单元ALARM的内容是否为00H。如果为00H，说明所有参数均正常，使绿灯发光。如果ALARM单元的内容不等于00H，则说明有参数越限，输出报警模型，其程序流程图如图4.5所示。设3个参数的采样值X1（水位）、X2（炉膛温度）、X3（蒸汽压力）依次存放在以SAMPLE为首地址的内存单元中，相应的报警极限值依次放在以LIMIT为首地址的内存区域内，报警

11、标志位单元为ALARM。微机控制技术4.1.2 简单报简单报警程序的设计设计 图图45 45 软件报警程序模块流程图软件报警程序模块流程图 P101P101微机控制技术4.1.2 简单报简单报警程序的设计设计 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:CJNEA，LIMIT+3，DD；X2MIN2吗ALARM4:INCDPTR；取X3 MO

12、VXA，DPTR CJNEA，LIMIT+4，EE ；X3MAX1转AOUT1AJMPALARM1BB：JCAOUT2；X1MAX2转AOUT3AJMPALARM3DD：JCAOUT4；X2MIN2转AOUT4AJMPALARM4微机控制技术4.1.2 简单报简单报警程序的设计设计EE：JCAOUT5；X3MIN3转AOUT5AJMP DONEAOUT1：SETB00H；置X1超上限报警标志AJMP ALARM2AOUT2：SETB01H；置X1超下限报警标志AJMP ALARM2AOUT3：SETB02H；置X2超上限报警标志AJMP ALARM4AOUT4：SETB03H；置X2超下限报警

13、标志AJMP ALARM4AOUT5：SETB04H；置X1超下限报警标志AJMP DONE微机控制技术4.1.2 简单报简单报警程序的设计设计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

14、单报简单报警程序的设计设计在图46中，SLl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。图图46 46 硬件直接报警系统原理图硬件直接报警系统原理图微机控制技术4.1.2 简单报简单报警程序的设计设计在图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。当各参数均处于正常范围时，P1.3P1.0各位均为高电平，不需要报警。但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

15、报警的工作。本系统不用对参数进行反复采样、比较（与给定值），也无需专门确定报警模型。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。INT0微机控制技术4.1.2 简单报简单报警程序的设计设计ORG 000HAJMP 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 0200HMAIN：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 0210HALARM：MOV A，#0FFH；设P1口为输入口MOV P1，AMOV A

16、，P1；取报警状态SWAP A；ACC.7ACC.4 ACC.3ACC.0MOV P1，A；输出报警信号RETI根据图根据图4.64.6可写出报警程序如下：可写出报警程序如下：微机控制技术4.1.3 越限报报警程序的设计设计 前面讲的报警程序是比较简单的报警程序。为了避免测量值在极限值附近摆动造成频繁地报警，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 越限报报警程序的设计设计图图4.7 4.7 越限报警示意图越限报警示意图 P103P103微机控制技术4.1.3 越限报报警程序的设计设计在图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

17、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 越限报报警程序的设计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

18、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4.1.3 越限报报警程序的设计设计图图4.8 4.8 有关内存的分配有关内存的分配 P103P103 微机控制技术4.1.3 越限报报警程序的设计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

19、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4.1.3 越限报报警程序的设计设计图图4.9 4.9 越限报警子程序的流程越限报警子程序的流程 P104P104微机控制技术4.1.3 越限报报警程序的设计设计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

20、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 RAN3；越下限，转BRAN3MOV 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，DONECLR 43H根据图根据图4.94.9可写出越限报警子程序如下：可写出越限报警子程序如下：微机控制技术4.1.3 越限报报警程序的设计设计BRAN4: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

21、信号MOV P1，AAJMP BRAN4BRAN2: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DONESETB 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，R1INCR0INCR1MOVA，R0SUBBA，R1INCR1DECR0RET微机控制技术4.1.3 越限报报警程序的设计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

22、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4.2 开关开关量输输出接口技术术 在工业过程控制系统中，被测参数经采样处理计算之后，为了达到自动控制的目的，往往需要输出控制。由于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（或CMOS）电平，这种电平一般不能直接用来驱动外部设备开启或关闭。另一方面，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。因此，在接口处理中，一要放大，二要隔离，这是开关量输出控制中必须认

23、真考虑并设法解决的两个问题。在这一节中，主要介绍开关量接口问题。微机控制技术421 光电电隔离技术术 在开关量控制中，最常用的器件是光电隔离器。光电隔离器的种类繁多，常用的有发光二极管/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，以及发光二极管/光触发可控硅等。其原理电路，如图410所示。微机控制技术421 光电电隔离技术术图图410 410 光电隔离器原理图光电隔离器原理图 P106P106微机控制技术421 光电电隔离技术术 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

24、的目的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区，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 光电电隔离技术术 图图411 411 正确的隔离正确的隔离 P107P107 微机控制技术421 光电电隔离技术术图图412 412 不正确的隔离不正确的隔离

25、P107P107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。当线圈通电时，由于磁场的作用，使开关触点闭合（或打开）。当线圈不通电时，则开关触点断开（或闭合）。一般线圈可以用直流低电压控制（常用的有直流9V，12V，24V等）；而触点输出部分可以直接与市电（220V）连接；有时继电器也可以与低压电器配合使用。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。常用的接口电路，如图4.13所示。微机控制技术4.2.2 继电器输出接口技术图图4.13 4.13 继电器接口电路继电器接口电路

26、P107P107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

27、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 固态继电态继电器输输出接口技术术 在继电器控制中，由于采用电磁吸合方式，在开关瞬间，触点容易产生火花，从而引起干扰；对于交流高压等场合，触点还容易氧化，因

28、而影响系统的可靠性。所以随着微型机控制技术的发展，人们又研究出一种新型的输出控制器件固态继电器。固态继电器（Solid State Relay）简称SSR。它是用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关，而在前级把光电隔离器熔为一体，因此，固态继电器实际上是一种带光电隔离器的无触点开关。根据结构形式，固态继电器有直流型固态继电器和交流型固态继电器之分。由于固态继电器输入控制电流小，输出无触点，所以与电磁式继电器相比，具有体积小、重量轻、无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、工作可靠等优点。因此，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 固态继电态继电器输输出接

29、口技术术 1直流型SSR由图中可以看出，其输入端是一个光电隔离器，因此，可用OC门或晶体管直接驱动。它的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 固态继电态继电器输输出接口技术术 图图414 414 直流型直流型SSRSSR原理图原理图 P108P108微机控制技术423 固态继电态继电器输输出接口技术术 直流SSR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415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423 固态继电态继电器输输出接口技术术 图中A、B、C为步进电机的三相，只

30、要按着一定的通电顺序，即可实现步进电机控制，详见本章第四节。图图415 415 步进电机控制原理图步进电机控制原理图 P190P190微机控制技术423 固态继电态继电器输输出接口技术术 2.交流型交流型SSRSSR交流型SSR又可分为过零型和移相型两类。它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。其原理电路，如图416所示。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

31、机控制技术423 固态继电态继电器输输出接口技术术 图图416 416 交流过零型交流过零型SSRSSR原理图原理图 P109P109微机控制技术423 固态继电态继电器输输出接口技术术 一个交流型SSR控制单向交流控制电机的实例如图418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 固态继电态继电器输输出接口技术术 图图4-18 4-18 用交流用交流SSRSSR控制交流电机原理图控制交流电机原理图 P110P110微机控制技术423 固态继电态继电器输输出接口技术术 在图418中，当控制端PC

32、0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 大功率场场效应应管开关开关接口技术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

33、以在开关量输出控制中也常做为开关元件使用。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 大功率场场效应应管开关开关接口技术术 大功率场效管的表示符号如图419所示其中，G为控制栅极，D为漏极，S为源极。对于NPN型场效应管来讲，当G为高电平时，源极与漏极导通，允许电流通过，否则，场效应管关断。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 大功率场场效应应管开关开关接口技术术 图图419 4

34、19 大功率场效应管的表示符号大功率场效应管的表示符号 P111P111微机控制技术424 大功率场场效应应管开关开关接口技术术 利用大功率场效应管可以实现图415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

35、讲过的相同。微机控制技术424 大功率场场效应应管开关开关接口技术术 图图420 420 采用大功率场效应管的步进电机控制电路原理图采用大功率场效应管的步进电机控制电路原理图 P111P111微机控制技术4.2.5 可控硅接口技术可控硅（Silicon Controlled Rectifier）简称SCR，是一种大功率电器元件，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，可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

36、硅单向可控硅的表示符号，如图4.21（a）所示。它有3个引脚，其中A为阳极，K为阴极，G为控制极。它由4层半导体材料组成，可等效于P1N1P2和N1P2N2两个三极管，如图4.21（b）所示。微机控制技术4.2.5 可控硅接口技术图图4.21 4.21 可控硅结构可控硅结构 P112P112微机控制技术4.2.5 可控硅接口技术从图4.21（a）所示中看出，它的符号基本上与前面介绍过的大功率场效应开关管的符号相同，但它们的工作原理却有所不同。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。一旦导通后，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

37、阴极电位时为止。即阳极电流小于维持电流时，可控硅才由导通变为截止。其特性曲线如图4.22所示。单向可控硅的单向导通功能，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4.2.5 可控硅接口技术图图4.22 4.22 可控硅输出特性可控硅输出特性 p112p112微机控制技术4.2.5 可控硅接口技术2.双向可控硅双向可控硅也叫三端双向可控硅，简称TRIAC。双向可控硅在结构上相当于两个单向可控硅反向连接，如图4.23所示。这种可控硅具有双向导通功能。其通断状态由控制极G决定。在控制极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

38、压问题，因此特别适合做交流无触点开关使用。微机控制技术4.2.5 可控硅接口技术图图4.23 4.23 双向可控硅的符号、结构及伏安特性双向可控硅的符号、结构及伏安特性 p113p113微机控制技术4.2.5 可控硅接口技术和大功率场效应管一样，可控硅在与微型计算机接口连接时也需加接光电隔离器，触发脉冲电压应大于4V；脉冲宽度应大于20s。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4.24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

39、图4.24 4.24 可控硅加热炉控制系统的原理可控硅加热炉控制系统的原理 p113p113微机控制技术426 电电磁阀阀接口技术术 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。广泛应用于液压机械、空调系统、热水器、自动机床等系统中。其结构原理，如图425所示。它由线圈、固定铁芯、可动铁芯及阀体等组成。当线圈不通电时，可动铁芯受弹簧作用与固定铁芯脱离，阀门处于关闭状态。当线圈通电时，可动铁芯克服弹簧的弹力作用而与固定铁芯吸合，阀门处于打开状态。这样，就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。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

40、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 电电磁阀阀接口技术术 图图425 425 电磁阀结构原理图电磁阀结构原理图 p114p114微机控制技术426 电电磁阀阀接口技术术 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。由于电磁阀也是由线圈的通断电来控制的，其工作原理与继电器基本相通，只是带动活动阀芯运动而已，故其与微型机的接口与继电器相同，也是由光电隔离及开关电路等来控制的，关于直流型电磁阀的应用请参阅本节继电器接口部分。微机控制技术426 电电磁阀阀接口技术术 对于

41、交流电磁阀由于线圈要求是交流电，所以通常使用双问可控硅驱动或使用一个直流继电器作为中间继电器控制。图426为交流电磁阀接口电路图。微机控制技术426 电电磁阀阀接口技术术 图图426 426 交流电磁阀接口电路交流电磁阀接口电路 p114p114微机控制技术426 电电磁阀阀接口技术术 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

42、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；PC0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 电电机控制接口技术术 在现代化的生产中，电机的应用是非常广泛的。在工业企业中，大量应用电机作为原动机去拖动各种生产机械。如在机械工业、冶金工业、化学工业中，各种机床、电铲、吊车、轧钢机、抽水机、鼓风机、阀门、传送带等，都要用大大小小的电机来拖动；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。随着生产的发展，对

43、电机拖动系统提出的要求也愈来愈高，如要求提高加工精度及工作速度，要求快速启动、制动及逆转，实现在很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，除电机外，还必须有自动化控制设备来控制电机。微机控制技术4.3 电电机控制接口技术术 电机控制发展历程：交流放大器交流放大器磁放大器磁放大器可控离子变速器可控离子变速器可控硅可控硅计算机计算机 控制装置也正向集成化、小型化、微型化、智能化的方向发展。特别是近年来，由于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。微型计算机对现代电机控制产生了巨大的影响。本节主要讲述小功率直流电机控制原理。微机控制技术431 小功率直流电电机调调速原理

44、小功率直流电机结构：如图427（a）所示。图427 脉冲宽度调速系统原理图微机控制技术431 小功率直流电电机调调速原理图图427 427 脉冲宽度调速系统原理图脉冲宽度调速系统原理图 p116p116微机控制技术431 小功率直流电电机调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 小功率直流电电机调调速原理 在励磁式直流伺服电机中，电机转速由电枢电压电机转速由电枢电压UaUa决定决定。在励磁电压和负载转矩恒定时，电枢电压越高，电机转速就越快；

45、电枢电压Ua降至0V时，电机就仃转；改变电枢电压的级性，电机就反转。因此，小功率直流电机的调速可以通过控制电枢电压来实现。对小功率直流电机调速系统，使用微型机或单片机是极为方便的，其方法是通过改变电机电枢电压接通或断开时间的比值（即占空比）来控制马达速度的，这种方法称为脉冲宽度调制脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）简称PWM，PWM调速原理如图427所示。微机控制技术431 小功率直流电电机调调速原理图图4 .27 4 .27 脉冲宽度调速系统原理图脉冲宽度调速系统原理图 p116p116微机控制技术431 小功率直流电电机调调速原理 在脉冲作用下，当马达通电时，速度

46、增加；马达断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电时间，即可使马达速度达到一定的稳定性稳定性。设电机永远接通电源时，其转速为最大Vmax，占空比 D=t1/T，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428所示。微机控制技术431 小功率直流电电机调调速原理图图428 428 平均速度与占空比的关系平均速度与占空比的关系 p117p117 微机控制技术431 小功率直流电电机调调速原理 由图428可以看出，Vd与占空比D并不是完全线性关系（图中实线），但可以将

47、其近似地看成线性关系（如图428的虚线所示）微机控制技术432 开环开环脉冲宽宽度调调速系统统1 1开环脉冲宽度调速系统的组成开环脉冲宽度调速系统的组成 开环脉冲宽度调速系统原理图，如图开环脉冲宽度调速系统原理图，如图429429所示。所示。微机控制技术432 开环开环脉冲宽宽度调调速系统统图图429 429 开环脉冲宽度调速系统原理图开环脉冲宽度调速系统原理图 p117p117微机控制技术432 开环开环脉冲宽宽度调调速系统统它由五部分组成。（1 1）占空比）占空比D D的设定的设定占空比D由人工设定，具体实现方法如下：通过开关给定，用每位开关的状态表示“1”或“0”组成8位二进制数。改变开

48、关的状态，即可改变占空比的大小。由电位器给定，可以从电位器中取一电位然后经A/D转换器接到微型机的I/O接口（如8155），把模拟量电压转换成数字量作为给定值。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 开环开环脉冲宽宽度调调速系统统（2 2）脉冲宽度发生器）脉冲宽度发生器 由计算机根据给定平均速度，计算出占空比，用软件编程方法来实现。（3 3）电子开关）电子开关 用来接通或断开电机定子电源，可用上一节讲的大功率场效应管开关、固态继电器或可控硅控制。一般需要加光电隔离器。（4 4）驱动器）驱动器 将计算机输出的

49、脉冲宽度调制信号加以放大，以便用来控制电机定子电压接通或断开的时间。通常由放大器或继电器组成，也可由TTL集成电路组成驱动器构成。（6 6）电机）电机 被控对象，用以带动被控装置。微机控制技术432 开环开环脉冲宽宽度调调速系统统2 2电机控制接口电机控制接口 随着电子技术以及计算机控制技术的发展，现在已生产出许多种可供直流电流控制接口的元器件，如固态电器、大功率场效应管、专用接口芯片（如L290、L291、L292）以及专用接口板，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432 开环开环脉冲宽宽度调调速系统统 前

50、两种方法成本低，适用于自行开发的微型机系统，第三种价格比较贵，但可靠性比较好，而且设计电路简单，国外大多采用这种方法；第四种方法适用于STD或PC总线工业控制机系统，用户只需购买同一总线现成的控制版即可，因而可节省大量的开发时间。图430所示为采用固态继电器接口电机控制电路原理图 微机控制技术432 开环开环脉冲宽宽度调调速系统统 图图430 430 采用固态继电器的直流电机接口方法采用固态继电器的直流电机接口方法 P118P118微机控制技术432 开环开环脉冲宽宽度调调速系统统 图430中，管脚经限流电阻R接5V直流电流。I/O接口的控制管脚，例如PC0，经驱动器7406接到固态继电器第管