1、第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.1 报警程序的设计报警程序的设计4.4.1 常用的报警方式 在控制系统中可采用声,光及语言进行报警.l光效果常取自发光二极管或闪烁的白炽灯等.l声音可由简单的电铃或电笛发出,也可通过频率可调的蜂鸣振荡音箱提供.还可采用集成电子音乐芯片.l随着STD总线工业控制机和工业PC机的应用,大量采用图形与声音混合报警.并将其制成语音芯片.,应用在微型计算机报警系统中.常用声光报警驱动方法常用声光报警驱动方法:1 发光二极管及白炽灯驱动电路l由于发光二极管的驱动电流一般在2030mA,不能直接采用TTL电平驱动,常采用OC门的驱动器,如74LS06等.
2、为了能保持报警状态,可采用带锁存器的I/O接口芯片.2 声音报警驱动电路l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.lKD-956X系列IC芯片具有以下共性: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.4.1.2 简单报警程序的设计简单报警程序的设计l报警程序的设计方法根据报警参数及传感器的具体情况分为两种:l1)全软件报警方式.整个过程由软件实现.这种报警程序可分为简单上、下限报警程序和上、下限报警处理程序.l2)硬件申请,软件处理报警.该方法的
3、基本思想是报警要求不通过程序比较法得到,而是直接由传感器产生.1 软件报警程序设计l在下图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.为使现场工作人员能及时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,炉膛温度上下限及蒸汽压力下限.如图所示:l注意:本程序的设计思想是设置一个报警模型单元,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,则相应位置1,否则,清0.所有参数判断完毕后,再看报警模型单元的内容是否为00H,若是则说明所有参数均正常,使绿灯发光.反之,说明有参数越限,输出报警模型.2 硬件报警程序设计l为使系统简化,可以采用硬件申请中断
4、的方法,直接将报警模型送到报警口中.这种方法的前提是被测参数与给定值的比较是在传感器进行的.根据图写出报警程序:ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP ALARM ORG 0200HMAIN:SETB IT0 SETB EX0 SETB EAHERE:SJMP HERE ORG 0210HALARM:MOV A,#0FFH MOV P1,A MOV A,P1 SWAP A MOV P1,A RETI4.1.3 越限报警程序的设计l为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,如下图所示:l越限报警程序的基本思想是将采样,数字滤波后的数
5、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.4.1.4 远程自动报警系统的设计远程自动报警系统的设计l远程自动报警系统即发生报警时,通过电话交换机网络、移动通信网络等通信系统实现远程报警.l核心部件是由MODEM(调制解调器)芯片构成的单片机自动报警装置.1 SS173K222AL MODEM芯片芯片主要特点:l与51单片机对接,电路简单l串行口数据传输l支持同步方式和异步方式工作l与多种调制解调标准兼容l具有呼叫进程、载波、应答音和长回环检测等功能l能够通过编程产生DTMF信号及550Hz，1800Hz的防卫音信号l具有自动增益控制
6、，动态范围达45dBl采用CMOS技术、低功耗、单电源供电SS173K222AL内部内部4个寄存器个寄存器,用于控制和状态的监视用于控制和状态的监视.2 直接拨通手机号码报警直接拨通手机号码报警3 在接收端采用在接收端采用MODEM和单片机显示装和单片机显示装置的报警置的报警l电路图参见教材4-124.2 开关量的输出接口技术l开关量控制就是通过控制设备的“开”或“关”状态的时间来达到控制的目的.l开关量输出控制中需解决的两个问题:信号的放大和隔离.4.2.1 光电隔离技术l开关量控制中,最常用器件是光电隔离器.l光电隔离器由发光二极管和光敏三极管组成.当发光二极管有正向电流通过时,光敏三极管
7、接收光照以后便导通.当该电流撤去时,发光二极管熄灭,三极管随即截止.l光电隔离器是通过电-光-电的转换来实现对输出设备进行控制的,彼此间没有电气连接,因而起到隔离作用.l注意:光电隔离器的输入和输出端两个电源必须单独供电.如下图所示:4.2.2 继电器输出接口技术l继电器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).l继电器与计算机接口连接时,常采用光电隔离器进行隔离.常用的接口电路如下图所示:4.2.3 固态继电器输出接口技术固态继电器输出接口技术l固态继电器简称SSR.是用晶体管或可控硅代替常规继电
8、器的触点开关,而在前级中与光电隔离器融为一体.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.l固态继电器有直流型固态继电器和交流型固态继电器.1.直流型SSRl从图中可看出,固态继电器的输入部分是一个光电隔离器,可用OC门或晶体管直接驱动.输出端经整形放大后带动大功率晶体管输出,输出工作电压可达30180V.l直流型SSR主要用于带直流负载的场合,如直流电机控制,直流步进电机控制和电磁阀等.2 交流型交流型SSRl交流型SSR分为过零型和移相型两类.采用双向可控硅作为开关器件,用于交流大功率驱动场合.l过零型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;移相型,在输
9、入信号时,不管负载电流相位如何,负载立即导通.l选用交流型固态继电器时主要注意它的额定电压和额定工作电流.光耦固态继电器优点光耦固态继电器优点:l输入与输出之间电气上隔离,可隔离噪声.l能发挥固态开关作用,在直接驱动计算机外设终端时,既无射频干扰,又起到复杂的定时和程序功率开关作用.l不产生电弧.l无噪声,节约电能.4.2.4 大功率场效应管 开关接口技术(了解)l场效应管输入阻抗高,关断漏电流小,响应速度快,且与同功率继电器相比,体积较小,价格便宜.l由于大功率场效应管本身没有隔离作用,使用时为了防止高压对计算机系统的干扰和破坏,常在它的前边加上一级光电隔离器.4.2.5 可控硅接口技术可控
10、硅接口技术(了解了解)l可控硅简称SCR,是一种大功率电器元件,也称晶闸管.l体积小,效率高,寿命长等特点.l用于交直流电机调速系统,调功系统及随动系统中.l可控硅分单向可控硅和双向可控硅.4.2.6 电磁阀接口技术电磁阀接口技术l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门,广泛用于液压机械,空调系统,热水器和自动机床等系统中.l电磁阀有交流和直流两类.交流电磁阀使用方便,但易产生颤动,启动电流大,易引起发热.直流电磁阀可靠,但需用专用电源.l电磁阀也是由线圈的通断电来控制的,工作原理与继电器基本相同.4.3 电机的控制接口技术电机的控制接口技术4.3.1 小功率直流电机调速系统l
11、小功率直流电机由定子和转子两大部分组成.l对小功率直流电机调速系统,使用微型计算机或单片机是极为方便的.方法是通过改变步进电机电枢电压接通时间与通电周期的比值(即占空比)来控制电机速度.该方法称作脉冲宽度调制,简称PWM.l在脉冲作用下,当电机通电时,速度增加;断电时,速度逐渐减少.改变通断电时间,即可让电机转速得到控制.l设电机永远接通电源时，其转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为：Vd=VmaxD4.3.2 开环脉冲宽度调速系统开环脉冲宽度调速系统1 开环脉冲宽度调速系统的组成l开环脉冲宽度调速系统的原理如下图所示由如下5部分组成:l占空比D的设定 由人工设定,通
12、过开关,用每位开关的状态表示“1”或“0”组成8位二进制数.改变开关的状态,即可改变占空比的大小.占空比的设定宽度脉冲发生器驱动器电子开关电动机l脉冲宽度发生器 由计算机根据给定的平均速度,计算出占空比,用软件程序来实现.l电子开关 用来接通或断开电机定子电源,可由晶体管或场效应管开关组成,也可通过继电器或固态继电器控制.l驱动器 将计算机输出的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.常由放大器或继电器组成.l电机 被控对象.用以带动被控装置.2 电机控制接口l直流电机与微型计算机接口间常采用以下方法:l1)光电隔离器+大功率场效应管l2)固态继电器l3)专用接口芯
13、片l4)专用接口板下图为采用固态继电器接口控制电机的电路原理图:4.3.3 PWM调速系统设计调速系统设计l用微型计算机或单片机实现脉冲宽度调制,只需 改变定子绕组电压的通,断电时间,即可达到调节电机转速的目的.l电机控制程序的设计有两种方法:软件延时法和计数法.l软件延时法是首先求出占空比D,再根据周期T分别给电机通电N个单位时间,即N=t1/t0,然后再断电N个单位时间,即N=t2/t0l计数法是当单位延时个数N求出后,将其作为给定值存放在某存储单元中,在通电过程中对通电单位时间(t0)的次数进行计数,并与存储器的内容进行比较.若不等,则继续输出控制脉冲,直到计数值与给定值相等,使电机断电
14、.4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统l为了提高电机脉冲宽度调速系统的精度,通常采用闭环调速系统.l闭环系统是在开环系统的基础上增加电机速度检测回路,意在将检测到的速度与给定值进行比较,并由数字调节器进行调节.1 测速发电机l测速发电机是一种将转子转速转换成电信号的装置.l根据结构及工作原理不同,测速发电机分为直流测速发电机和交流测速发电机两种.l交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机.l直流测速发电机也是一种测速传感器.根据激磁方式不同,可分为电磁式和永磁式两种.下图为直流脉宽可逆调速系统原理图 图中电机的速度是采用模拟量速度传感器-测速发电机进行测量的.采用测速发
15、电机的优点是分辨率较高,价格较便宜.2 数字式转速传感器l数字式转速传感器,是把旋转轴的转速直接变成数字量的一种装置.计算机中最常用的数字式转速传感器是码盘.l码盘可做成增量式或绝对式.增量式码盘结构简单,价格低,精度易保证,应用最多.l增量式码盘,当光源发射出的光线,经透镜聚焦后,透过测量盘与读数盘照射到光敏元件上.有光线透过时,光敏元件发出一个脉冲,没有光线透过则不产生脉冲.l绝对式码盘上分透明和不透明两种区域,按一定方式进行编码.当码盘随轴转动时,将输出相应的光束,再通过光敏元件转换成相应的代码.4.4 步进电机的控制接口技术步进电机的控制接口技术l步进电机是工业控制及仪表中的主要控制元
16、件之一.l步进电机具有快速启停,精确步进和直接接收数字量等特点.l在工业过程控制的位置控制系统中,由于步进电机精度高以及不用位移传感器即可达到精确的定位,所以应用广泛.l步进电机：利用电磁铁的作用原理将电脉冲信号转换为线位移或角位移的机电式数摸（D/A）转换器 输入：脉冲 输出：位移 脉冲数：决定位移量 脉冲频率：决定位移的速度4.4.1 步进电机的工作原理步进电机的工作原理l以三相步进电机为例,电机的定子上有6个等分的磁极.当某一绕组有电流通过时,该绕组相应的两个磁极立即形成N极和S极.l步进电机的转子上没有绕组,而是由40个矩形小齿均匀分布在圆周上.当某相绕组通电时,对应的磁极会产生磁场,
17、并与转子形成磁路.若此时定子的小齿与转子的小齿没对齐,则在磁场的作用下,转子转动一定的角度,使转子齿和定子齿对齐.所以,错齿是促使步进电机旋转的根本原因.步进电机的“相”和“拍”相：绕组的个数 拍：绕组的通电状态，三拍表示一个周期共有3种通电状态，六拍表示一个周期有6种通电状态，每个周期步进电机转动一个齿距l步进电机的步距角：步进电机每拍步进的角度l Qs=360。/NZrlN步进电机的拍数 Zr为转子齿数4.4.2 步进电机控制系统的原理步进电机控制系统的原理l典型的步进电机控制系统如下图所示:脉冲 方向控制l步进电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机组成.步进控制器功率放大器步
18、进电机负载l步进电机控制器的作用是把输入的脉冲转换成环型脉冲,以便控制步进电机,并能进行正,反向控制.l功率放大器的作用是把控制器输出的环型脉冲加以放大,以驱动步进电机转动.l注意:上述控制方式中,由于步进控制器线路复杂,成本高,应用受限.所以,采用计算机用软件代替上述步进控制器,既简化线路,降低成本,可靠性也提高.典型的单片机控制步进电机系统原理图如下:l从图可看出,单片机代替了步进控制器.l单片机的主要作用是把并行二进制码转换成串行脉冲序列,并实现方向控制.l本节主要解决以下问题:1)用软件的方法实现脉冲序列 2)步进电机的方向控制 3)步进电机控制程序的设计单片机接口驱动器步进电机负载1
19、 脉冲序列的生成l在步进电机控制软件中必须解决的一个问题就是产生下图所示的周期性脉冲序列.v 脉冲 高度 通电 断电 t 时间 时间l用计算机控制步进电机实际上是由计算机产生一系列脉冲波.l用软件实现脉冲序列：先输出一高电平,然后利用软件延长一段时间,而后输出低电平,再延时.延时时间的长短由步进电机的工作速率决定.利用利用定时器形成脉冲序列定时器形成脉冲序列开 始设值高电平延时计数初值设置脉冲个数输出高电平启动计时允许定时器中断开中断设置定时器工作方式中断等待开 始输出高电平否？加载低电平延时计数初值禁止定时器中断输出低电平输出信号反相加载高电平延时计数初值脉冲数够否？返 回否否是是2 方向控
20、制l常用的步进电机有三相,四相,五相,六相四种.其旋转方向与内部绕组的通电顺序有关.本书中主要以三相步进电机为例进行讲述.l三相步进电机有三种工作方式:1)单三拍,通电顺序 A B C 2)双三拍,通电顺序 AB BC CA 3)三相六拍,通电顺序 A AB B BC C CAl步进电机的方向控制方法是:1)用单片机输出接口的每一位控制一相绕组.2)根据所选定的步进电机及控制方式,写出相应控制方式的数学模型.(如下表)l总之:所谓步进电机的方向控制,实际上就是按照某一控制方式(根据需要进行设定)所规定的顺序发送脉冲序列,达到控制步进电机方向的目的.三种不同工作方式下的控制模型 单相三拍方式 双
21、相三拍方式步步 序序控控 制制 位位通电状态通电状态控制数据控制数据PC2/C相相PC1/B相相PC0/A相相1001A01H2010B02H3100C04H步步 序序控控 制制 位位通电状态通电状态控制数据控制数据PC2/C相相PC1/B相相PC0/A相相1011AB03H2110BC06H3101CA05H 三相六拍方式三相六拍方式步步 序序控控 制制 位位通电状态通电状态控制数据控制数据PC2/C相相PC1/B相相PC0/A相相1001A01H2011AB03H3010B02H4110BC06H5100C04H6101CA05H4.4.3 步进电机与微型计算机的接口及程序设计1 步进电机
22、与单片机的接口电路l步进电机需要较大的驱动电流,因此单片机与步进电机的连接需要专门的接口电路及驱动电路.l接口电路可以是锁存器,可编程接口芯片,或专门驱动器.l为抗干扰,或避免驱动电路发生故障,造成功率 放大器的高电平信号进入单片机而烧毁器件,常在驱动器与单片机间加上一级光电隔离器.2 步进电机程序设计l步进电机程序设计的主要任务:1)判断旋转方向 2)按顺序传送控制脉冲 3)判断所要求的控制步数是否传送完毕.l步进电机控制程序就是完成环型分配器的任务,从而控制步进电机转动,达到控制转动角度和位移的目的.l注意:1)设计程序时,首先要进行旋转方向的判别,然后再转到相应的控制程序.2)正反向控制
23、程序分别按要求的控制顺序输出相应的控制模型,再加上脉冲延时程序即可.3)脉冲序列的个数可以用累加器进行计数.4)控制模型可以以立即数的形式一一给出.4.4.4 步进电机步数及速度的确定方法步进电机步数及速度的确定方法 要使步进电机按一定的速率精确达到指定的位置,步进电机的步数N和延时时间是两个重要参数.1 步进电机步数的确定l步进电机常用来控制角度和位移.l例:用步进电机带动一个10圈的多圈电位计来调整电压.假定调压范围为010V,现需要把电压从2V升到2.1V,此时,步进电机的行程角度为l 10V:3600。=(2.1V-2V):Xl X=36。l若用三相三拍控制方式,由步距角公式可算出步距
24、角为3度,由此可得步进电机的步数为 N=36。/3。=12步2 步进电机控制速度的确定l步进电机的步数是保证精度的重要参数之一.而控制步进电机的速率可让其在一定的时间内达到预定的位置.l步进电机控制速率的方法是改变各通电脉冲的时间间隔,即改变延时时间.4.4.5 步进电机的变速控制步进电机的变速控制l空载最高启动频率是指电机空载时,转子从静止状态不失步地步入同步(即电机每秒种转过的角度和控制脉冲频率相对应的工作状态)的最大控制脉冲频率.l当步进电机带负载时,它的启动频率要低于最高空载启动频率;当步进电机启动后,进入稳态的工作频率又远大于启动频率.所以,一个静止的步进电机必须在启动的瞬间采取加速措施.同理,当从高速运行到停止也应该有减速措施.几种变速控制的方法:1 改变控制方式的变速控制2 均匀改变脉冲时间间隔的变速控制l所谓步进电机控制程序,实际上就是按一定的时间间隔输出不同的控制字.l改变传送控制字的时间间隔,就可改变步进电机的控制频率.3 采用定时器的变速控制
