計(jì)算機(jī)控制技術(shù)-報(bào)警程序

1、在控制系統(tǒng)中，被測參數(shù)經(jīng)A/D采樣進(jìn)入微型計(jì)算機(jī)；經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，一方面送顯示，另一方面要進(jìn)行報(bào)警處理，以便操作人員及時(shí)采取相應(yīng)的措施。同時(shí)，還要把被測參數(shù)與給定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。如在加熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)中，當(dāng)被測溫度高于給定值時(shí)，需把閥門關(guān)小，減小煤氣進(jìn)給量。反之，如果被測溫度低于給定值，則開大閥門。用來控制閥門動(dòng)作的裝置稱為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作往往要用電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。而電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)通常需要較大電流來驅(qū)動(dòng)。為此，如何把微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸出與強(qiáng)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，是微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的重要課題之一。第四章 內(nèi)容簡介第4章 常用控制程序的設(shè)計(jì)n4.1 報(bào)警程序的設(shè)計(jì)n4.2

2、開關(guān)量輸出接口技術(shù)n4.3 電機(jī)控制接口技術(shù)n4.4 步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.1 報(bào)警程序設(shè)計(jì) 在微型機(jī)控制系統(tǒng)中，為了安全，對于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都設(shè)有緊急狀態(tài)報(bào)警系統(tǒng)，以便提醒操作人員注意，或采取緊急措施。4.1 報(bào)警程序設(shè)計(jì)n4.1.1 常用報(bào)警方式n4.1.2 簡單報(bào)警程序的設(shè)計(jì)n4.1.3 越限報(bào)警程序的設(shè)計(jì)n4.1.4 遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1.1 常用報(bào)警方式n聲音：電鈴、電笛、蜂鳴器、集成電子音樂芯片n燈光：發(fā)光二極管或閃爍的白熾燈等n語音報(bào)警：語音芯片n圖形與聲音混合報(bào)警 顯示報(bào)警畫面（如報(bào)警發(fā)生的順序、報(bào)警發(fā)生的時(shí)間、報(bào)警回路編號(hào)、報(bào)警內(nèi)容及次數(shù)等）。1. 發(fā)光

3、二極管及白熾燈驅(qū)動(dòng)電路(1) 報(bào)警方法不同采用的驅(qū)動(dòng)電路方式也不同。 發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流一般在2030mA，不能直接由TTL電平驅(qū)動(dòng)，常采用OC門驅(qū)動(dòng)器。如74LS06/74LS07等。 白熾燈報(bào)警時(shí)，應(yīng)該使用交流固態(tài)繼電器進(jìn)行控制。LED報(bào)警接口電路(2) 為了能保持報(bào)警狀態(tài)，常采用帶有鎖存器的I/O接口芯片，（Intel 8155、8255A），也可選用一般的鎖存器，（74LS273、 74LS373、或74LS377等）驅(qū)動(dòng)器鎖存器10亮亮2. 聲音報(bào)警驅(qū)動(dòng)電路常采用模擬聲音集成電路芯片，如KD-956X系列（采用CMOS工藝，軟封裝的報(bào)警IC芯片）。其功能表如表4.1（P97）所示。

4、KD-956X系列報(bào)警芯片功能表(1) KD-956X系列IC芯片具有以下共同特性：n工作電壓范圍寬；n靜態(tài)電流低；n外接振蕩電阻可調(diào)節(jié)模擬聲音的放音節(jié)奏；n外接一只小功率三極管，便可驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。(2) KD-956X的結(jié)構(gòu)及使用方法（以KD-9561 為例）n KD-9561芯片內(nèi)設(shè)： 振蕩器、節(jié)拍器、音色發(fā)生器、地址計(jì)數(shù)器、控制和輸出級(jí)等部分。n根據(jù)內(nèi)部程序，設(shè)有兩個(gè)選聲端SEL1和SEL2， 改變這兩端的電平，便可發(fā)出各種不同的音響。詳見表4.2。nKD-9561能發(fā)出4種不同的聲音，且體積小，價(jià)格低廉，音響逼真，控制簡便，所以，廣泛應(yīng)用于報(bào)警裝置及電動(dòng)玩具。VDD提供電源正端電壓，VS

5、S指電源負(fù)端電壓（地）。KD-9561的外形和報(bào)警電路圖，如圖4.2所示。n如圖4.2（b）中所示，當(dāng)系統(tǒng)檢查到報(bào)警信號(hào)以后，使三極管9013導(dǎo)通，發(fā)出報(bào)警聲音。n圖中的R1選值一般在180K290K之間。R1的阻值愈大，報(bào)警聲愈急促，反之，報(bào)警聲音節(jié)奏緩慢。b bOUTOUT4.1.2 簡單報(bào)警程序的設(shè)計(jì) 報(bào)警程序的設(shè)計(jì)方法根據(jù)報(bào)警參數(shù)及傳感器的具體情況可分為兩種：(1) 軟件報(bào)警程序 這種方法的基本作法是把被測參數(shù)如溫度、壓力、流量、速度、成分等參數(shù)，經(jīng)傳感器，變送器，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，送到微型機(jī)后，再與規(guī)定的上、下限值進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果進(jìn)行報(bào)警或處理，整個(gè)過程都由軟件實(shí)現(xiàn)。這種報(bào)警程序

6、又可分簡單上、下限報(bào)警程序，以及上、下限報(bào)警處理程序。(2) 硬件申請、軟件處理報(bào)警程序n報(bào)警要求直接由傳感器產(chǎn)生。 例如：電接點(diǎn)式壓力報(bào)警裝置 當(dāng)壓力高于（或低于）某一極限值時(shí)， 接點(diǎn)即閉合，正常時(shí)則打開。n利用這些開關(guān)量信號(hào)，通過中斷的方法來實(shí)現(xiàn)對參數(shù)或位置的檢測。 鍋爐水位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有3個(gè)報(bào)警參數(shù)：n水位上、下限n爐膛溫度上、下限n蒸汽壓力下限鍋爐報(bào)警系統(tǒng)圖 如圖4.4中所示：n要求當(dāng)各參數(shù)全部正常時(shí)，綠燈（正常運(yùn)行燈）亮。n若某一個(gè)參數(shù)不正常，將發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。10燈亮10電笛響(1) 軟件報(bào)警程序設(shè)計(jì) 程序設(shè)計(jì)思想n設(shè)置一個(gè)報(bào)警模型標(biāo)志單元ALARMn把各參數(shù)的采樣值分別與上

7、、下限值進(jìn)行比較。 若某一位需要報(bào)警，則將ALARM相應(yīng)位置1，否則，清0.n所有參數(shù)判斷完畢后， 看報(bào)警模型單元ALARM的內(nèi)容是否為00H。 若為00H，說明所有參數(shù)均正常，使綠燈發(fā)光。 不等于00H，則說明有參數(shù)越限，輸出報(bào)警模型。 程序流程圖，如圖4.5所示：n設(shè)3個(gè)參數(shù)的采樣值： X1（水位）、X2（爐膛溫度）、 X3（蒸汽壓力）n依次存放在以SAMP為首地址的內(nèi)存單元中， 相應(yīng)的允許極限值依次存放在以LIMIT為 首地址的內(nèi)存區(qū)域內(nèi)， 報(bào)警標(biāo)志位單元為ALARM。20H8100H軟件報(bào)警程序模塊流程圖軟件報(bào)警程序框架介紹設(shè)置電笛及指示燈狀態(tài)設(shè)置電笛及指示燈狀態(tài)設(shè)置電笛及指示燈狀態(tài)設(shè)

8、置電笛及指示燈狀態(tài)置電笛響標(biāo)志位設(shè)置電笛及指示燈狀態(tài)輸出輸出電笛電笛及指及指示燈示燈狀態(tài)狀態(tài)軟件報(bào)警程序細(xì)節(jié)介紹不要使用該名稱，與報(bào)警標(biāo)志位單元名稱ALARM沖突ALARM EQU 20HCJNE：A!=MAX1AAJNC：AMAX1CF產(chǎn)生符號(hào)位CJNE：A!=MIN1BBJC：A=ABXBCX=D本程序輸出的報(bào)警模型及接口電路，可參看4.4自行設(shè)計(jì)。報(bào)警標(biāo)志單元FLAG（28H）和越限、復(fù)位上、下限處理次數(shù)單元（2AH）,在初始化程序中應(yīng)首先清零。除了上面講的這種帶上、下限報(bào)警帶的報(bào)警處理程序外，還有各種各樣的報(bào)警處理程序，讀者可根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)。4.1.4 遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)n適用范

9、圍：距離太遠(yuǎn)，或是無人職守場合。n方法：（1）直接撥號(hào)（手機(jī)或固定電話） （2）網(wǎng)絡(luò)（MODEM)4.1.4 遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1SS173K222AL芯片簡介nSS173K222AL是TDK公司產(chǎn)品，高集成度的單片MODEM芯片。該芯片的主要特點(diǎn)是：（1） 可與8051系列單片機(jī)對接，接口電路簡單。（2） 串行口數(shù)據(jù)傳輸。（3） 采用同步方式或異步方式工作。（4） 與CCITT V.22、V.21、BELL 212A、103標(biāo)準(zhǔn)兼容。（5） 具有呼叫進(jìn)程、載波、應(yīng)答音、長回環(huán)檢測等功能。（6） 通過編程產(chǎn)生DTMF信號(hào)及550/1800Hz防衛(wèi)音信號(hào)。（7） 具有自動(dòng)增益控制，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)

10、45dB。（8） 采用CMOS技術(shù)，低功耗、單電源供電。n引腳（圖4.10） VDDVDD，GNDGND：D D電源和地。電源和地。 AD0AD0AD7AD7：地址：地址/ /數(shù)據(jù)線。數(shù)據(jù)線。 ALEALE：地址鎖存控制信號(hào)，與單片機(jī)：地址鎖存控制信號(hào)，與單片機(jī)ALEALE相連相連接，用于鎖存地址信號(hào)。接，用于鎖存地址信號(hào)。 WRWR和和RDRD：讀：讀/ /寫控制信號(hào)，低電平有效。寫控制信號(hào)，低電平有效。 CLKCLK：時(shí)鐘信號(hào)。：時(shí)鐘信號(hào)。 XTL1XTL1、XTL2XTL2：外接晶體震蕩器。：外接晶體震蕩器。 TXDTXD、RXDRXD：用來發(fā)射和接收數(shù)據(jù)。：用來發(fā)射和接收數(shù)據(jù)。 TXA

11、TXA、RXARXA：發(fā)射和接收響應(yīng)管腳，與外部收：發(fā)射和接收響應(yīng)管腳，與外部收發(fā)裝置相連。發(fā)裝置相連。 CSCS：片選信號(hào)，低電平有效。：片選信號(hào)，低電平有效。 VREF VREF：參考電平。：參考電平。 RESERESET T：復(fù)位信號(hào)。：復(fù)位信號(hào)。 2直接撥通手機(jī)號(hào)碼報(bào)警 設(shè)本例中所撥打的手機(jī)號(hào)碼為WAN：JNB P1.3，DT ；監(jiān)視P1.3口 SJMP WANDT： ACALL DLY2 ；延時(shí)50毫秒 JNB P1.3，ARM ；確認(rèn)有報(bào)警信號(hào)，轉(zhuǎn)處理程序。 SJMP WANARM：CLR P1.7 ；吸合繼電器J1 ACALL DLY2 ；延時(shí)50毫秒

12、MOV R6，#0BH；撥打11位手機(jī)號(hào)碼，予置初值。 MOV DPTR，#7FF8H；地址指針指向R0 MOV A，#31H；R0；按始發(fā)方式、FSK模式設(shè)置,但禁止發(fā)送。 MOVX DPTR，ALOOP：MOV DPTR，#7FFBH ；地址指針指向TR MOV A，#0FH ADD A，R6；取出電話號(hào)碼 MOVC A，A+PC MOVX DPTR，A；設(shè)置TR MOV DPTR，#7FF8H；地址指針指向R0 MOV A，#33H；允許發(fā)送 MOVX DPTR，A ACALL DLY3；延時(shí)250毫秒 MOV A，#31H；停止發(fā)送 MOVX DPTR，A ACALL DLY3；延時(shí)2

13、50毫秒 DJNZ R6，LOOP；撥號(hào)未完，再撥出一個(gè)號(hào)碼 DB 95H，96H，91H，92H，9AH，95H，91H，93H，92H，93H， 91H ；TR設(shè)置及手機(jī)號(hào)碼DTA：MOV DPTR，#7FFAH；地址指針指向DRMOVX A，DPTR；監(jiān)視DR JNB ACC.2，DTA；檢測應(yīng)答音MOV DPTR，#7FF9H；地址指針指向R1MOV A，#04HMOVX DPTR，A；復(fù)位MODEMSETB P1.7；釋放J1RET3在接收端采用MODEM和單片機(jī)顯示裝置的報(bào)警4.2 開關(guān)量輸出接口技術(shù)n在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，被測參數(shù)經(jīng)采樣處理之后，還需要計(jì)算并輸出控制模型，達(dá)到自動(dòng)

14、控制的目的。n輸出設(shè)備往往需大電壓（或電流）來控制，而微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸出的開關(guān)量大都為TTL（或CMOS）電平，這種電平一般不能直接驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備開啟或關(guān)閉。n另一方面，許多外部設(shè)備，如大功率直流電機(jī)、接觸器等在開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾信號(hào)，如不加以隔離，可能會(huì)使微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)造成誤動(dòng)作乃至損壞。n開關(guān)量輸出控制中必須認(rèn)真考慮并設(shè)法解決的兩個(gè)問題：放大、隔離。4.2.1 光電隔離技術(shù) 1. 光電隔離器的種類發(fā)光二極管/光敏三極管發(fā)光二極管/光敏復(fù)合晶體管發(fā)光二極管/光敏電阻發(fā)光二極管/光觸發(fā)可控硅等4.2.1 光電隔離技術(shù) 2. 工作原理n當(dāng)發(fā)光二極管有正向電流通過時(shí)，即產(chǎn)生人眼看不見

15、的紅外光。n光敏三極管接收光照以后便導(dǎo)通。n而當(dāng)該電流撤去時(shí)，發(fā)光二極管熄滅，三極管隨即截止。利用這種特性即可達(dá)到開關(guān)控制的目的。n由于該器件是通過電光電的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)對輸出設(shè)備進(jìn)行控制的，彼此之間沒有電氣連接，因而起到隔離作用。4.2.1 光電隔離技術(shù) n隔離電壓與光電隔離器的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。 雙列直插式塑料封裝形式的隔離電壓一般為2 500V左右； 陶瓷封裝形式的隔離電壓一般為5 00010 000V。n在一般微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于大都采用TTL電平，不能直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，所以通常加一級(jí)驅(qū)動(dòng)器，如7406和7407等。n輸入、輸出端兩個(gè)電源必須單獨(dú)供電，如圖4.11。n數(shù)字量Pi 輸出為

16、高電平n經(jīng)反相驅(qū)動(dòng)器后變?yōu)榈碗娖絥發(fā)光二極管有電流通過并發(fā)光n光敏三極管導(dǎo)通，從而在集電極上產(chǎn)生輸出電壓V0（此電壓即可用來控制外設(shè)。）使用同一電源（或共地的兩個(gè)電源），外部干擾信號(hào)可能通過電源串到系統(tǒng)中來。104.2.2 繼電器輸出接口技術(shù) n繼電器是電氣控制中常用的控制器件。一般由通電線圈和觸點(diǎn)（常開或常閉）構(gòu)成。 線圈通電時(shí)，由于磁場的作用，使開關(guān)觸點(diǎn)閉合（或打開）。 線圈不通電時(shí)，則開關(guān)觸點(diǎn)斷開（或閉合）。n一般線圈可以用直流低電壓控制 （常用的有直流9V，12V，24V等）； 而觸點(diǎn)輸出部分可以直接與市電（220V）連接；n雖然繼電器本身有一定的隔離作用，但在與微型計(jì)算機(jī)接口連接時(shí)通

17、常還是采用光電隔離器進(jìn)行隔離。4.2.2 繼電器輸出接口技術(shù) 如圖4.17中所示，當(dāng)開關(guān)量P1.0輸出為高電平時(shí)，經(jīng)反相驅(qū)動(dòng)器7406變?yōu)榈碗娖?，使發(fā)光二極管發(fā)光，從而使光敏三極管導(dǎo)通，進(jìn)而使三極管9013導(dǎo)通，因而使繼電器J的線圈通電，繼電器觸點(diǎn)J1-1閉合，使220V電源接通。反之，當(dāng)P1.0輸出低電壓時(shí)，使J1-1斷開。104.2.2 繼電器輸出接口技術(shù) 如圖4.13中所示，當(dāng)開關(guān)量P1.0輸出為高電平時(shí)，經(jīng)反相驅(qū)動(dòng)器7406變?yōu)榈碗娖剑拱l(fā)光二極管發(fā)光，從而使光敏三極管導(dǎo)通，進(jìn)而使三極管9013導(dǎo)通，因而使繼電器J的線圈通電，繼電器觸點(diǎn)J1-1閉合，使220V電源接通。反之，當(dāng)P1.0

18、輸出低電壓時(shí)，使J1-1斷開。圖中所示電阻R1 為限流電阻，二極管D的作用是保護(hù)晶體管T。當(dāng)繼電器J吸合時(shí)，二極管D截止，不影響電路工作。繼電器釋放時(shí)，由于繼電器線圈存在電感，這時(shí)晶體管T已經(jīng)截止，所以會(huì)在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓。此電壓的極性為上負(fù)下正，正端接在晶體管的集電極上。當(dāng)感應(yīng)電壓與VCC 之和大于晶體管T的集電極反向電壓時(shí)，晶體管T有可能損壞。加入二極管D后，繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流從二極管D流過，從而使晶體管T得到保護(hù)。4.2.2 繼電器輸出接口技術(shù) 如圖4.13中所示，當(dāng)開關(guān)量P1.0輸出為高電平時(shí)，經(jīng)反相驅(qū)動(dòng)器7406變?yōu)榈碗娖?，使發(fā)光二極管發(fā)光，從而使光敏三極管導(dǎo)通，進(jìn)

19、而使三極管9013導(dǎo)通，因而使繼電器J的線圈通電，繼電器觸點(diǎn)J1-1閉合，使220V電源接通。反之，當(dāng)P1.0輸出低電壓時(shí)，使J1-1斷開。圖中所示電阻R1 為限流電阻，二極管D的作用是保護(hù)晶體管T。當(dāng)繼電器J吸合時(shí)，二極管D截止，不影響電路工作。繼電器釋放時(shí)，由于繼電器線圈存在電感，這時(shí)晶體管T已經(jīng)截止，所以會(huì)在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓。此電壓的極性為上負(fù)下正，正端接在晶體管的集電極上。當(dāng)感應(yīng)電壓與VCC 之和大于晶體管T的集電極反向電壓時(shí)，晶體管T有可能損壞。加入二極管D后，繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流從二極管D流過，從而使晶體管T得到保護(hù)。4.2.2 繼電器輸出接口技術(shù) 如圖4.13中所

20、示，當(dāng)開關(guān)量P1.0輸出為高電平時(shí)，經(jīng)反相驅(qū)動(dòng)器7406變?yōu)榈碗娖剑拱l(fā)光二極管發(fā)光，從而使光敏三極管導(dǎo)通，進(jìn)而使三極管9013導(dǎo)通，因而使繼電器J的線圈通電，繼電器觸點(diǎn)J1-1閉合，使220V電源接通。反之，當(dāng)P1.0輸出低電壓時(shí)，使J1-1斷開。圖中所示電阻R1 為限流電阻，二極管D的作用是保護(hù)晶體管T。當(dāng)繼電器J吸合時(shí)，二極管D截止，不影響電路工作。繼電器釋放時(shí)，由于繼電器線圈存在電感，這時(shí)晶體管T已經(jīng)截止，所以會(huì)在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓。此電壓的極性為上負(fù)下正，正端接在晶體管的集電極上。當(dāng)感應(yīng)電壓與VCC 之和大于晶體管T的集電極反向電壓時(shí)，晶體管T有可能損壞。加入二極管D后，繼

21、電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流從二極管D流過，從而使晶體管T得到保護(hù)。- -+ +0104.2.2 繼電器輸出接口技術(shù) 不同的繼電器，其線圈驅(qū)動(dòng)電流的大小，以及帶動(dòng)負(fù)載的能力不同，選用時(shí)應(yīng)考慮下列因素：（1）繼電器額定工作電壓（或電流）；（2）接點(diǎn)負(fù)荷 ；（3）接點(diǎn)的數(shù)量或種類（常閉或常開）；（4）繼電器的體積、封裝形式、工作環(huán)境、接點(diǎn)吸合或釋放時(shí)間等。4.2.3 固態(tài)繼電器輸出接口技術(shù) n固態(tài)繼電器（Solid State Relay）簡稱SSR。它是帶光電隔離器的無觸點(diǎn)開關(guān)（用晶體管或可控硅代替常規(guī)繼電器的觸點(diǎn)開關(guān)，在前級(jí)中與光電隔離器融為一體）。n根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，固態(tài)繼電器有直流型固態(tài)繼電器和交流

22、型固態(tài)繼電器之分。n固態(tài)繼電器輸入控制電流小，輸出無觸點(diǎn)，所以與電磁式繼電器相比，具有體積小，重量輕，無機(jī)械噪聲，無抖動(dòng)和回跳，開關(guān)速度快，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，大有取代電磁繼電器之勢。4.2.3 固態(tài)繼電器輸出接口技術(shù) 1. 直流型SSR（圖4-18，P135）n輸入部分是一個(gè)光電隔離器，可用OC門或晶體管直接驅(qū)動(dòng)。n輸出端經(jīng)整形放大后帶動(dòng)大功率晶體管輸出，輸出工作電壓可達(dá)30180V（5V開始工作）。4.2.3 固態(tài)繼電器輸出接口技術(shù) n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， 電磁閥等。n圖4.19所示為采用直流型SS

23、R控制三相步進(jìn)電機(jī)的原理電路圖n 圖中A，B，C為步進(jìn)電機(jī)的三相，每相由一個(gè)直流型SSR控制，分別由8031的P1.0、P1.1和P1.2控制。n只要按著一定的順序通電，即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制，詳見本章4.4節(jié)。1. 直流型SSRn輸入部分是一個(gè)光電隔離器，可用OC門或晶體管直接驅(qū)動(dòng)。n輸出端經(jīng)整形放大后帶動(dòng)大功率晶體管輸出，輸出工作電壓可達(dá)30180V（5V開始工作）。0110104.2.3 固態(tài)繼電器輸出接口技術(shù) 2. 交流型SSR(1) 采用雙向可控硅作為開關(guān)器件，用于交流大功率驅(qū)動(dòng)場合，如交流電機(jī)、交流電磁閥控制等。(2) 交流型SSR又可分為過零型和移相型兩類。n非過零型SSR，在輸入

24、信號(hào)時(shí)，不管負(fù)載電流相位如何，負(fù)載端立即導(dǎo)通；n過零型必須在負(fù)載電源電壓接近零且輸入控制信號(hào)有效時(shí)，輸出端負(fù)載電源才導(dǎo)通。n當(dāng)輸入的控制信號(hào)撤銷后，不論哪一種類型，它們都只在流過雙向可控硅負(fù)載電流為零時(shí)才關(guān)斷。過零觸發(fā)型交流固態(tài)繼電器(AC-SSR)的內(nèi)部電路。主要包括輸入電路、光電耦合器、過零觸發(fā)電路、開關(guān)電路(包括雙向可控硅)、保護(hù)電路 (RC吸收網(wǎng)絡(luò))。當(dāng)加上輸入信號(hào)VI(一般為高電平)、并且交流負(fù)載電源電壓通過零點(diǎn)時(shí)，雙向可控硅被觸發(fā)，將負(fù)載電源接通。 4.2.3 固態(tài)繼電器輸出接口技術(shù) 一個(gè)交流型SSR控制單向交流控制電機(jī)的實(shí)例如圖4.22所示。圖中，改變交流電機(jī)通電繞組，即可控制電

25、機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。例如用它控制流量調(diào)節(jié)閥的開和關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)控制管道中流體流量的目的。如圖4.22中所示，當(dāng)控制端P1.0輸出為低電平時(shí)，經(jīng)反相后，使SSR 1# 導(dǎo)通，SSR 2#截止，交流電通過A相繞組，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，如果P1.0輸出高電平，則SSR 1# 截止，SSR 2# 導(dǎo)通，交流電流經(jīng)B相繞組，電機(jī)反轉(zhuǎn)。010電機(jī)正轉(zhuǎn)電機(jī)正轉(zhuǎn)4.2.3 固態(tài)繼電器輸出接口技術(shù) 一個(gè)交流型SSR控制單向交流控制電機(jī)的實(shí)例如圖4.18所示。圖中，改變交流電機(jī)通電繞組，即可控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。例如用它控制流量調(diào)節(jié)閥的開和關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)控制管道中流體流量的目的。如圖4.18中所示，當(dāng)控制端P1.0輸出為低電平時(shí)

26、，經(jīng)反相后，使SSR 1# 導(dǎo)通，SSR 2#截止，交流電通過A相繞組，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，如果P1.0輸出高電平，則SSR 1# 截止，SSR 2# 導(dǎo)通，交流電流經(jīng)B相繞組，電機(jī)反轉(zhuǎn)。圖中所示的Rp，Cp 組成浪涌電壓吸收回路。通常Rp 為100左右，CP 為0.1F。RM 為壓敏電阻，用做過電壓保護(hù)。其電壓取值范圍通常為電源電壓有效值的1.61.9倍，市售有專門適用于交流220V或380V的壓敏電阻。選用交流型固態(tài)繼電器時(shí)主要注意它的額定電壓和額定工作電流。101電機(jī)反轉(zhuǎn)電機(jī)反轉(zhuǎn)4.4 步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)步進(jìn)電機(jī)是工業(yè)過程控制及儀表中的主要控制元件之一。1. 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：n快速啟停能力

27、 步進(jìn)速率為2001 000步每秒； 步進(jìn)速率增加12倍，仍然不會(huì)失掉一步n定位準(zhǔn)確，例如，先正轉(zhuǎn)24步，再反轉(zhuǎn)24步，電機(jī)將精確地回到原始的位置。n精度高，可以由每步90低到每步0.36n能直接接收數(shù)字量2. 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用：n正因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)具有快速啟停，精確步進(jìn)以及能直接接收數(shù)字量等特點(diǎn)，所以使其在定位場合中得到了廣泛的應(yīng)用。如在繪圖機(jī)、打印機(jī)及光學(xué)儀器中，都采用步進(jìn)電機(jī)來定位繪圖筆、印字頭或光學(xué)鏡頭。n在工業(yè)過程控制的位置控制系統(tǒng)中，做位移傳感器。n計(jì)算機(jī)的軟驅(qū)、光盤驅(qū)動(dòng)器，用步進(jìn)電機(jī)作精確定位。4.4.1 步進(jìn)電機(jī)工作原理 步進(jìn)電機(jī)實(shí)際上是一個(gè)數(shù)字角度轉(zhuǎn)換器，也是一個(gè)串行的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

28、其結(jié)構(gòu)原理，如圖4.44所示。1. 步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)成(1)定子 有6個(gè)等分的磁極，即A，A，B，B，C，C。相鄰兩個(gè)磁極間的夾角為60。相對的兩個(gè)磁極組成一相，如圖4.40所示的結(jié)構(gòu)為三相步進(jìn)電機(jī)(A-A相，B-B相，C-C相)。當(dāng)某一繞組有電流通過時(shí)，該繞組相應(yīng)的兩個(gè)磁極立即形成N極和S極，每個(gè)磁極上各有5個(gè)均勻分布的矩形小齒。圖圖4.44 4.44 步進(jìn)電機(jī)原理圖步進(jìn)電機(jī)原理圖 P152P1524.4.1 步進(jìn)電機(jī)工作原理 步進(jìn)電機(jī)實(shí)際上是一個(gè)數(shù)字角度轉(zhuǎn)換器，也是一個(gè)串行的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。其結(jié)構(gòu)原理，如圖4.40所示。1. 步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)成圖圖4.44 4.44 步進(jìn)電機(jī)原理圖步進(jìn)電機(jī)原理圖 P1

29、52P152(2)轉(zhuǎn)子 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有繞組，而是由40個(gè)矩形小齒均勻分布在圓周上，相鄰兩齒之間的夾角為9。當(dāng)某相繞組通電時(shí)，對應(yīng)的磁極就會(huì)產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。若此時(shí)定子的小齒與轉(zhuǎn)子的小齒沒有對齊，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒和定子齒對齊。由此可見，錯(cuò)齒是促使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因。2. 運(yùn)行 步進(jìn)電機(jī)的工作方式可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。（1）三相繞組中的通電順序?yàn)椋篈 A 相相 B B 相相 C C 相相通電順序也可以為： A A 相相 C C 相相 B B 相相（2）工作過程A 相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和 AA 對齊。CABBCA3412CA

30、BBCA3412B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對齊，相對A相通電位置轉(zhuǎn)30；CABBCA3412B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對齊，相對A相通電位置轉(zhuǎn)30；1C342CABBAC相通電再轉(zhuǎn)30（2）工作過程這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，所以稱三相單三拍。三相單三拍的特點(diǎn)：n每來一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 30。此角稱為步距角，用QS表示。n轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。(1) 三相繞組的通電順序?yàn)椋?AABBBCCCAA 共六拍。(1) 三相繞組的通電順序?yàn)椋?AABBBCCCAA 共六拍。(2) 工作過程：A相

31、通電轉(zhuǎn)子1、3齒和A相對齊。CABBCA3412CABBCA3412A、B相同時(shí)通電（1）BB 磁場對 2、4 齒有磁拉力，該拉力使 轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。（2）AA 磁場繼續(xù)對1、3齒有拉力。（3）所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA 通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15?？傊?，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為1515 。CABBCA3412B相通電轉(zhuǎn)子2、4齒和B相對齊，又轉(zhuǎn)了15。CABBCA3412A、B相同時(shí)通電（1）BB 磁場對 2、4 齒有磁拉力，該拉力使 轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。（2）AA 磁場繼續(xù)對1、3齒有

32、拉力。（3）所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA 通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15。（1） 三相繞組的通電順序?yàn)椋?AB BC CA AB 共三拍。AB通電通電CABBCA3412CABBCA3412BC通電通電（2）工作過程以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。工作方式為三相雙三拍時(shí)，每通入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30，即 步距角 = 30。3412CA通電通電CABBCA3. 小步距角的步進(jìn)電機(jī) 實(shí)際采用的步進(jìn)電機(jī)步距角多為3和1.5，步距角越小，加工的精度就越高。為使轉(zhuǎn)、定子的齒對齊，定子磁極上的小齒，齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相同。A相和B相間，轉(zhuǎn)子含有40個(gè)齒。3.

33、小步距角的步進(jìn)電機(jī) 實(shí)際采用的步進(jìn)電機(jī)步距角多為3和1.5，步距角越小，加工的精度就越高。A相和B相間，3. 小步距角的步進(jìn)電機(jī) 工作原理：(1) A相通電時(shí)，定子A相的五個(gè)小齒與轉(zhuǎn)子對齊。此時(shí)，B相和A相空間差120，含120913 1/3 齒。A相和C相差240，含240926 2/3 個(gè)齒。所以，A相的轉(zhuǎn)子、定子的五個(gè)小齒對齊，B相、C相不能對齊，B相的轉(zhuǎn)子、定子相差1/3 個(gè)齒（ 3），C相的轉(zhuǎn)子、定子相差2/3 個(gè)齒（ 6），A相斷電、B相通電后，轉(zhuǎn)子只需轉(zhuǎn)過1/3個(gè)齒（ 3），使B相轉(zhuǎn)子、定子對齊。同理，C相通電再轉(zhuǎn)3。按照ABCA順序通電一周，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)9。實(shí)際采用的步進(jìn)電機(jī)步距

34、角多為3和1.5，步距角越小，加工的精度就越高。4. 幾點(diǎn)說明 (1) 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因是錯(cuò)齒。(2) 步距角：步進(jìn)電機(jī)通過一個(gè)電脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度，稱為步距角。 式中，NMcC為一個(gè)周期的運(yùn)行拍數(shù)，即通電狀態(tài)循環(huán)一周需要改變的次數(shù) 其中Mc為控制繞組相數(shù)，C為狀態(tài)系數(shù)。 采用單三拍或雙三拍時(shí)，C1； 采用單六拍或雙六拍時(shí)，C2。 Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。拍數(shù)與相數(shù)相同拍數(shù)是相數(shù)2倍舉例： 某步進(jìn)電機(jī)工作方式為三相單三拍。分別求取Zr為4和40時(shí)的步距角？解： 三相單三拍，N= McC=3*1=3。 當(dāng)Zr=4，Qs = 360/(3*4)=30 當(dāng)Zr=40，Qs = 360/(3*40)=3

35、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)主要由步進(jìn)控制器、功率放大器及步進(jìn)電機(jī)組成。圖圖4.45 4.45 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成 P153P153(1) 步進(jìn)控制器n是由緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正、反轉(zhuǎn)控制門等組成的。n作用：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。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)主要由步進(jìn)控制器、功率放大器及步進(jìn)電機(jī)組成。圖圖4.45 4.45 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成 P153P153(2) 功率放大器n把控制器輸出的環(huán)型脈沖加以放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)

36、轉(zhuǎn)動(dòng)。 采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由軟件代替上述步進(jìn)控制器（簡化了線路，降低了成本，提高可靠性） 采用微型計(jì)算機(jī)控制，可根據(jù)系統(tǒng)的需要，靈活改變步進(jìn)電機(jī)的控制方案，使用起來很方便。典型的微型機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)原理圖，如圖4.46所示圖4.46與圖4.45相比。n用微型機(jī)代替了步進(jìn)控制器，把并行二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列，并實(shí)現(xiàn)方向控制。n每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)脈沖輸入線上得到一個(gè)脈沖，它便沿著方向控制線信號(hào)所確定的方向走一步。n只要負(fù)載在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍之內(nèi)，那么，每個(gè)脈沖將使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的步距角度。根據(jù)步距角的大小及實(shí)際走的步數(shù)，只要知道初始位置，便可知道步進(jìn)電機(jī)的最終位置圖圖4.46 4.46 用微

37、型機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理系統(tǒng)圖用微型機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理系統(tǒng)圖 p153p153本章節(jié)主要解決如下幾個(gè)問題：（1）用軟件的方法實(shí)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(jì)。 1脈沖序列的生成步進(jìn)電機(jī)控制軟件中必須解決的一個(gè)重要問題，就是產(chǎn)生一個(gè)如圖4.47所示的周期性脈沖序列圖圖4.47 4.47 脈沖序列脈沖序列 脈沖是用周期、脈沖高度、接通與斷開電源的時(shí)間來表示。n脈沖幅值 由數(shù)字元件電平?jīng)Q定。 TTL 0 5V CMOS 0 10Vn接通和斷開時(shí)間可用延時(shí)的辦法控制。 要求：確保步進(jìn)到位。但由于步進(jìn)電機(jī)的“步進(jìn)”是需要一定的時(shí)間的，所以在送一高脈沖后，需延長一段時(shí)間，以

38、使步進(jìn)電機(jī)達(dá)到指定的位置。由此可見，用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)際上是由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一系列脈沖波。 2方向控制常用的步進(jìn)電機(jī)有三相、四相、五相、六相4種，其旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序相關(guān)。三相步進(jìn)電機(jī)有三種工作方式：n單三拍，通電順序?yàn)?ABC ;n雙三拍， 通電順序?yàn)?ABBCCA ；n三相六拍，通電順序?yàn)?AABBBCCCA ；改變通電順序可以改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向關(guān)于四相、五相、六相的步進(jìn)電機(jī)，其通電方式和通電順序與三相步進(jìn)電機(jī)相似，讀者可自行分析。本書主要以三相步進(jìn)電機(jī)為例進(jìn)行講述。 3步進(jìn)電機(jī)的方向控制方法(1) 用微型機(jī)輸出接口的每一位控制一相繞組。例如，用8255控制三相步進(jìn)電機(jī)時(shí)，可用P

39、c.0，Pc.1，Pc.2分別接至步進(jìn)電機(jī)的A，B，C三相繞組。(2) 根據(jù)所選定的步進(jìn)電機(jī)及控制方式，寫出相應(yīng)控制方式的數(shù)學(xué)模型。如上面講的三種控制方式的數(shù)學(xué)模型分別為: 三相單三拍 三相雙三拍 3步進(jìn)電機(jī)的方向控制方法以上為步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的控制順序及數(shù)學(xué)模型。如果按上述逆順序進(jìn)行控制，則步進(jìn)電機(jī)將向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 三相六拍4.4.3 步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì) 1. 步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)的接口電路圖4.48 步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)接口電路之一在圖4.48中，當(dāng)8031的P1口的某一位（如P1.0）輸出為0時(shí)，經(jīng)反相驅(qū)動(dòng)器變?yōu)楦唠娖?，使達(dá)林頓管導(dǎo)通，A相繞組通電。反之，當(dāng)P1.01時(shí)，A相不通電

40、。由P1.1和P1.2控制的B相和C相亦然。總之，只要按一定的順序改變P1.0P1.2三位通電的順序，則可控制步進(jìn)電機(jī)按一定的方向步進(jìn)。由于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流較大，所以微型機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的連接都需要專門的接口及驅(qū)動(dòng)電路。n接口電路可以是鎖存器，也可以是可編程接口芯片，如 8255、8155等。n驅(qū)動(dòng)器可用大功率復(fù)合管，也可以是專門的驅(qū)動(dòng)器光電隔離器（加在驅(qū)動(dòng)器與微型機(jī)之間），一是抗干擾，二是電隔離，其接口電路原理如圖4.48和4.49所示。014.4.3 步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì) 圖4.49 步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)接口電路之二圖4.49所示與圖4.48所示的區(qū)別是在單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間增加一級(jí)光

41、電隔離。當(dāng)P1.2輸出為1時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，因此光敏三極管截止，從而使達(dá)林頓管導(dǎo)通，C相繞組通電。反之，當(dāng)P1.20時(shí)，經(jīng)反相后，使發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，從而使達(dá)林頓管截止，C相繞組不通電。0 00 01 10 01 11 11 10 00 0現(xiàn)在，已經(jīng)生產(chǎn)出許多專門用于步進(jìn)電機(jī)或交流電機(jī)的接口器件（或接口板），用戶可根據(jù)需要選用4.4.3 步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì) 2. 步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)因此，步進(jìn)電機(jī)控制程序就是完成環(huán)型分配器的任務(wù)，從而控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度和位移之目的。步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：n判斷旋轉(zhuǎn)方向；n按順序傳送控制脈沖；n判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢。(1) 程序框圖 以三相雙三拍為例說明這類程序的設(shè)計(jì)。(2) 程序 以上程序設(shè)計(jì)方法對于節(jié)拍比較少的程序是可行的。但是，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的節(jié)拍數(shù)比較多（如三相六拍、六相十二拍等）時(shí)，用這種立即數(shù)傳送法將會(huì)使程序很長，因而占用很多個(gè)存儲(chǔ)器單元。所以，對于節(jié)拍比較多的控制程序，通常采用循環(huán)