1、第四章 常用控制程序的設(shè)計,4.1 報警程序的設(shè)計,4.4.1 常用的報警方式 在控制系統(tǒng)中可采用聲,光及語言進(jìn)行報警. 光效果常取自發(fā)光二極管或閃爍的白熾燈等. 聲音可由簡單的電鈴或電笛發(fā)出,也可通過頻率可調(diào)的蜂鳴振蕩音箱提供.還可采用集成電子音樂芯片. 隨著STD總線工業(yè)控制機(jī)和工業(yè)PC機(jī)的應(yīng)用,大量采用圖形與聲音混合報警.并將其制成語音芯片.,應(yīng)用在微型計算機(jī)報警系統(tǒng)中.,常用聲光報警驅(qū)動方法:,1 發(fā)光二極管及白熾燈驅(qū)動電路 由于發(fā)光二極管的驅(qū)動電流一般在2030mA,不能直接采用TTL電平驅(qū)動,常采用OC門的驅(qū)動器,如74LS06等.為了能保持報警狀態(tài),可采用帶鎖存器的I/O接口芯片

2、.,2 聲音報警驅(qū)動電路 目前最常用的方法是采用模擬聲音集成電路芯片,如KD-956X系列.這是一組采用CMOS工藝,軟封裝的報警IC芯片. KD-956X系列IC芯片具有以下共性: 1)工作電壓范圍寬 2)靜態(tài)電流低 3)外接振蕩電阻可調(diào)節(jié)模擬聲音的放音節(jié)奏 4)外接一只小功率三極管,便可驅(qū)動揚聲器.,4.1.2 簡單報警程序的設(shè)計,報警程序的設(shè)計方法根據(jù)報警參數(shù)及傳感器的具體情況分為兩種: 1)全軟件報警方式. 整個過程由軟件實現(xiàn).這種報警程序可分為簡單上、下限報警程序和上、下限報警處理程序. 2)硬件申請,軟件處理報警. 該方法的基本思想是報警要求不通過程序比較法得到,而是直接由傳感器產(chǎn)

3、生.,1 軟件報警程序設(shè)計,在下圖所示的鍋爐水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中,汽包水位是鍋爐正常工作的重要指標(biāo).,為使現(xiàn)場工作人員能及時監(jiān)視鍋爐的生產(chǎn)情況,整個系統(tǒng)設(shè)計有3個報警參數(shù),即水位上下限,爐膛溫度上下限及蒸汽壓力下限.如圖所示:,注意:本程序的設(shè)計思想是設(shè)置一個報警模型單元,然后把各參數(shù)的采樣值分別與上下限值進(jìn)行比較.若某一位需要報警,則相應(yīng)位置1,否則,清0.所有參數(shù)判斷完畢后,再看報警模型單元的內(nèi)容是否為00H,若是則說明所有參數(shù)均正常,使綠燈發(fā)光.反之,說明有參數(shù)越限,輸出報警模型.,2 硬件報警程序設(shè)計,為使系統(tǒng)簡化,可以采用硬件申請中斷的方法,直接將報警模型送到報警口中.這種方法的前提是

4、被測參數(shù)與給定值的比較是在傳感器進(jìn)行的.,根據(jù)圖寫出報警程序:,ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP ALARM ORG 0200H MAIN: SETB IT0 SETB EX0 SETB EA HERE:SJMP HERE ORG 0210H,ALARM:MOV A, #0FFH MOV P1, A MOV A, P1 SWAP A MOV P1, A RETI,4.1.3 越限報警程序的設(shè)計,為避免測量值在極限值附近擺動造成頻繁地報警, 可以在上下限附近設(shè)定一個回差帶,如下圖所示:,越限報警程序的基本思想是將采樣,數(shù)字濾波后的數(shù)據(jù)與該被測點上下限給定值進(jìn)行

5、比較,檢查是否越限;或與上限復(fù)位值,下限復(fù)位值進(jìn)行比較,檢查是否復(fù)位上下限.,4.1.4 遠(yuǎn)程自動報警系統(tǒng)的設(shè)計,遠(yuǎn)程自動報警系統(tǒng)即發(fā)生報警時,通過電話交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)、移動通信網(wǎng)絡(luò)等通信系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程報警. 核心部件是由MODEM(調(diào)制解調(diào)器)芯片構(gòu)成的單片機(jī)自動報警裝置.,1 SS173K222AL MODEM芯片,主要特點: 與51單片機(jī)對接,電路簡單 串行口數(shù)據(jù)傳輸 支持同步方式和異步方式工作 與多種調(diào)制解調(diào)標(biāo)準(zhǔn)兼容 具有呼叫進(jìn)程、載波、應(yīng)答音和長回環(huán)檢測等功能 能夠通過編程產(chǎn)生DTMF信號及550Hz，1800Hz的防衛(wèi)音信號 具有自動增益控制，動態(tài)范圍達(dá)45dB 采用CMOS技術(shù)、低功耗、

6、單電源供電,SS173K222AL內(nèi)部4個寄存器,用于控制和狀態(tài)的監(jiān)視.,2 直接撥通手機(jī)號碼報警,3 在接收端采用MODEM和單片機(jī)顯示裝置的報警,電路圖參見教材4-12,4.2 開關(guān)量的輸出接口技術(shù),開關(guān)量控制就是通過控制設(shè)備的“開”或“關(guān)”狀態(tài)的時間來達(dá)到控制的目的. 開關(guān)量輸出控制中需解決的兩個問題:信號的放大和隔離.,4.2.1 光電隔離技術(shù),開關(guān)量控制中,最常用器件是光電隔離器. 光電隔離器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成.當(dāng)發(fā)光二極管有正向電流通過時,光敏三極管接收光照以后便導(dǎo)通.當(dāng)該電流撤去時,發(fā)光二極管熄滅,三極管隨即截止. 光電隔離器是通過電-光-電的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)對輸出設(shè)備進(jìn)行控

7、制的,彼此間沒有電氣連接,因而起到隔離作用.,注意:光電隔離器的輸入和輸出端兩個電源必須單獨供電.如下圖所示:,4.2.2 繼電器輸出接口技術(shù),繼電器一般由通電線圈和觸點(常開或常閉)構(gòu)成. 當(dāng)線圈通電時,由于磁場的作用,使開關(guān)觸點閉合(或打開).當(dāng)線圈不通電時,則開關(guān)觸點斷開(或閉合). 繼電器與計算機(jī)接口連接時,常采用光電隔離器進(jìn)行隔離.常用的接口電路如下圖所示:,4.2.3 固態(tài)繼電器輸出接口技術(shù),固態(tài)繼電器簡稱SSR.是用晶體管或可控硅代替常規(guī)繼電器的觸點開關(guān),而在前級中與光電隔離器融為一體.因此,固態(tài)繼電器實際上是一種帶光電隔離器的無觸點開關(guān). 固態(tài)繼電器有直流型固態(tài)繼電器和交流型固

8、態(tài)繼電器.,1.直流型SSR,從圖中可看出,固態(tài)繼電器的輸入部分是一個光電隔離器,可用OC門或晶體管直接驅(qū)動.輸出端經(jīng)整形放大后帶動大功率晶體管輸出,輸出工作電壓可達(dá)30180V.,直流型SSR主要用于帶直流負(fù)載的場合,如直流電機(jī)控制,直流步進(jìn)電機(jī)控制和電磁閥等.,2 交流型SSR,交流型SSR分為過零型和移相型兩類.采用雙向可控硅作為開關(guān)器件,用于交流大功率驅(qū)動場合. 過零型須在負(fù)載電源電壓接近零且輸入控制信號有效時,輸入端負(fù)載電源才導(dǎo)通;移相型,在輸入信號時,不管負(fù)載電流相位如何,負(fù)載立即導(dǎo)通. 選用交流型固態(tài)繼電器時主要注意它的額定電壓和額定工作電流.,光耦固態(tài)繼電器優(yōu)點:,輸入與輸出之

9、間電氣上隔離,可隔離噪聲. 能發(fā)揮固態(tài)開關(guān)作用,在直接驅(qū)動計算機(jī)外設(shè)終端時,既無射頻干擾,又起到復(fù)雜的定時和程序功率開關(guān)作用. 不產(chǎn)生電弧. 無噪聲,節(jié)約電能.,4.2.4 大功率場效應(yīng)管 開關(guān)接口技術(shù)(了解),場效應(yīng)管輸入阻抗高,關(guān)斷漏電流小,響應(yīng)速度快,且與同功率繼電器相比,體積較小,價格便宜. 由于大功率場效應(yīng)管本身沒有隔離作用,使用時為了防止高壓對計算機(jī)系統(tǒng)的干擾和破壞,常在它的前邊加上一級光電隔離器.,4.2.5 可控硅接口技術(shù)(了解),可控硅簡稱SCR,是一種大功率電器元件,也稱晶閘管. 體積小,效率高,壽命長等特點. 用于交直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng),調(diào)功系統(tǒng)及隨動系統(tǒng)中. 可控硅分單向可

10、控硅和雙向可控硅.,4.2.6 電磁閥接口技術(shù),電磁閥是在氣體或液體流動的管路中受電磁力控制開閉的閥門,廣泛用于液壓機(jī)械,空調(diào)系統(tǒng),熱水器和自動機(jī)床等系統(tǒng)中. 電磁閥有交流和直流兩類.交流電磁閥使用方便,但易產(chǎn)生顫動,啟動電流大,易引起發(fā)熱.直流電磁閥可靠,但需用專用電源. 電磁閥也是由線圈的通斷電來控制的,工作原理與繼電器基本相同.,4.3 電機(jī)的控制接口技術(shù),4.3.1 小功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 小功率直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成. 對小功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng),使用微型計算機(jī)或單片機(jī)是極為方便的.方法是通過改變步進(jìn)電機(jī)電樞電壓接通時間與通電周期的比值(即占空比)來控制電機(jī)速度.該方法稱作脈

11、沖寬度調(diào)制,簡稱PWM. 在脈沖作用下,當(dāng)電機(jī)通電時,速度增加;斷電時,速度逐漸減少.改變通斷電時間,即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制.,設(shè)電機(jī)永遠(yuǎn)接通電源時，其轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比為D=t1/T，則電機(jī)的平均速度為： Vd=VmaxD,4.3.2 開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng),1 開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)的組成 開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)的原理如下圖所示 由如下5部分組成: 占空比D的設(shè)定 由人工設(shè)定,通過開關(guān),用每位開關(guān)的狀態(tài)表示“1”或“0”組成8位二進(jìn)制數(shù).改變開關(guān)的狀態(tài),即可改變占空比的大小.,脈沖寬度發(fā)生器 由計算機(jī)根據(jù)給定的平均速度,計算出占空比, 用軟件程序來實現(xiàn). 電子開關(guān) 用來接通或斷開電機(jī)定

12、子電源,可由晶體管或場效應(yīng)管開關(guān)組成,也可通過繼電器或固態(tài)繼電器控制. 驅(qū)動器 將計算機(jī)輸出的脈沖寬度調(diào)制信號加以放大,以便用來控制電機(jī)定子電壓接通或斷開的時間.常由放大器或繼電器組成. 電機(jī) 被控對象.用以帶動被控裝置.,2 電機(jī)控制接口,直流電機(jī)與微型計算機(jī)接口間常采用以下方法: 1)光電隔離器+大功率場效應(yīng)管 2)固態(tài)繼電器 3)專用接口芯片 4)專用接口板,下圖為采用固態(tài)繼電器接口控制電機(jī)的電路原理圖:,4.3.3 PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計,用微型計算機(jī)或單片機(jī)實現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制,只需 改變定子繞組電壓的通,斷電時間,即可達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的. 電機(jī)控制程序的設(shè)計有兩種方法:軟件延時法和計數(shù)

13、法. 軟件延時法是首先求出占空比D,再根據(jù)周期T分別給電機(jī)通電N個單位時間,即N=t1/t0,然后再斷電N個單位時間,即N=t2/t0 計數(shù)法是當(dāng)單位延時個數(shù)N求出后,將其作為給定值存放在某存儲單元中,在通電過程中對通電單位時間(t0)的次數(shù)進(jìn)行計數(shù),并與存儲器的內(nèi)容進(jìn)行比較.若不等,則繼續(xù)輸出控制脈沖,直到計數(shù)值與給定值相等,使電機(jī)斷電.,4.3.4 閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng),為了提高電機(jī)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)的精度, 通常采用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng). 閉環(huán)系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加電機(jī)速度檢測回路,意在將檢測到的速度與給定值進(jìn)行比較,并由數(shù)字調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié).,1 測速發(fā)電機(jī) 測速發(fā)電機(jī)是一種將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成

14、電信號的裝置. 根據(jù)結(jié)構(gòu)及工作原理不同,測速發(fā)電機(jī)分為直流測速發(fā)電機(jī)和交流測速發(fā)電機(jī)兩種. 交流測速發(fā)電機(jī)分為同步測速發(fā)電機(jī)和異步測速發(fā)電機(jī). 直流測速發(fā)電機(jī)也是一種測速傳感器.根據(jù)激磁方式不同,可分為電磁式和永磁式兩種.,下圖為直流脈寬可逆調(diào)速系統(tǒng)原理圖,圖中電機(jī)的速度是采用模擬量速度傳感器-測速發(fā)電機(jī)進(jìn)行測量的.采用測速發(fā)電機(jī)的優(yōu)點是分辨率較高,價格較便宜.,2 數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器,數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器,是把旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速直接變成數(shù)字量的一種裝置.計算機(jī)中最常用的數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器是碼盤. 碼盤可做成增量式或絕對式.增量式碼盤結(jié)構(gòu)簡單,價格低,精度易保證,應(yīng)用最多.,增量式碼盤,當(dāng)光源發(fā)射出的光線,

15、經(jīng)透鏡聚焦后,透過測量盤與讀數(shù)盤照射到光敏元件上.有光線透過時,光敏元件發(fā)出一個脈沖,沒有光線透過則不產(chǎn)生脈沖. 絕對式碼盤上分透明和不透明兩種區(qū)域,按一定方式進(jìn)行編碼.當(dāng)碼盤隨軸轉(zhuǎn)動時,將輸出相應(yīng)的光束,再通過光敏元件轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼.,4.4 步進(jìn)電機(jī)的控制接口技術(shù),步進(jìn)電機(jī)是工業(yè)控制及儀表中的主要控制元件之一. 步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停,精確步進(jìn)和直接接收數(shù)字量等特點. 在工業(yè)過程控制的位置控制系統(tǒng)中,由于步進(jìn)電機(jī)精度高以及不用位移傳感器即可達(dá)到精確的定位,所以應(yīng)用廣泛.,步進(jìn)電機(jī)：利用電磁鐵的作用原理將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的機(jī)電式數(shù)摸（D/A）轉(zhuǎn)換器 輸入：脈沖 輸出：位移 脈沖

16、數(shù)：決定位移量 脈沖頻率：決定位移的速度,4.4.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理,以三相步進(jìn)電機(jī)為例,電機(jī)的定子上有6個等分的磁極.當(dāng)某一繞組有電流通過時,該繞組相應(yīng)的兩個磁極立即形成N極和S極. 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有繞組,而是由40個矩形小齒均勻分布在圓周上.當(dāng)某相繞組通電時,對應(yīng)的磁極會產(chǎn)生磁場,并與轉(zhuǎn)子形成磁路.若此時定子的小齒與轉(zhuǎn)子的小齒沒對齊,則在磁場的作用下,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一定的角度,使轉(zhuǎn)子齒和定子齒對齊.所以,錯齒是促使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因.,步進(jìn)電機(jī)的“ 相”和“ 拍” 相：繞組的個數(shù) 拍：繞組的通電狀態(tài)，三拍表示一個周期共有3種通電狀態(tài)，六拍表示一個周期有6種通電狀態(tài)，每個周期步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)

17、動一個齒距 步進(jìn)電機(jī)的步距角：步進(jìn)電機(jī)每拍步進(jìn)的角度 Qs=360。/NZr N步進(jìn)電機(jī)的拍數(shù) Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù),4.4.2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的原理,典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如下圖所示: 脈沖 方向控制 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器,功率放大器及步進(jìn)電機(jī)組成.,步進(jìn)電機(jī)控制器的作用是把輸入的脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)型脈沖,以便控制步進(jìn)電機(jī),并能進(jìn)行正,反向控制. 功率放大器的作用是把控制器輸出的環(huán)型脈沖加以放大,以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動. 注意:上述控制方式中,由于步進(jìn)控制器線路復(fù)雜,成本高,應(yīng)用受限.所以,采用計算機(jī)用軟件代替上述步進(jìn)控制器,既簡化線路,降低成本,可靠性也提高.,典型的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)原

18、理圖如下:,從圖可看出,單片機(jī)代替了步進(jìn)控制器. 單片機(jī)的主要作用是把并行二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列,并實現(xiàn)方向控制. 本節(jié)主要解決以下問題: 1)用軟件的方法實現(xiàn)脈沖序列 2)步進(jìn)電機(jī)的方向控制 3)步進(jìn)電機(jī)控制程序的設(shè)計,1 脈沖序列的生成,在步進(jìn)電機(jī)控制軟件中必須解決的一個問題就是產(chǎn)生下圖所示的周期性脈沖序列. v 脈沖 高度 通電 斷電 t 時間 時間,用計算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)實際上是由計算機(jī)產(chǎn)生一系列脈沖波. 用軟件實現(xiàn)脈沖序列： 先輸出一高電平,然后利用軟件延長一段時間,而后輸出低電平,再延時.延時時間的長短由步進(jìn)電機(jī)的工作速率決定.,利用定時器形成脈沖序列,2 方向控制,常用的步進(jìn)電機(jī)有三相,四相,五相,六相四種.其旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序有關(guān).本書中主要以三相步進(jìn)電機(jī)為例進(jìn)行講述. 三相步進(jìn)電機(jī)有三種工作方式: 1)單三拍,通電順序 A B C 2)雙三拍,通電順序 AB BC CA 3)三相六拍,通電順序 A AB B BC C CA,步進(jìn)電機(jī)的方向控制方法是: 1)用單片機(jī)輸出接口的每一位控制