機電一體化第9章

第9章機電一體化系統(tǒng)應用實例分析china_54@知識點：模糊洗衣機設計變頻空調(diào)器設計GPS智能交通指揮系統(tǒng)設計工程機械的遠程監(jiān)控系統(tǒng)china_54@本章導讀

機電—體化技術從系統(tǒng)工程觀點出發(fā)，應用機械、微電子技術等有關技術，使機械、電子有機結(jié)合，實現(xiàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品整體最優(yōu)的綜合性技術。機電一體化系統(tǒng)設計是按機電一體化思想、原理和方法進行的機電一體化產(chǎn)品設計，它是一項復雜的系統(tǒng)工程，需要綜合應用各項共性關鍵技術才能完成。china_54@9.1模糊控制洗衣機設計模糊洗衣機是一種智能型的洗衣機，它和傳統(tǒng)的洗衣機相比，是一種全新的家用電器。傳統(tǒng)的全自動洗衣機有兩種，一種是機械控制式，一種是單片機控制式。china_54@9.1.1模糊控制洗衣機系統(tǒng)控制系統(tǒng)硬件設計用MC6805R3控制的模糊洗衣機和傳統(tǒng)的洗衣機有很大的區(qū)別，它能自動識別衣質(zhì)、衣量、自動識別骯臟程度，自動決定水量、自動投入恰當?shù)南礈靹?，從而全部自動地完成整個洗滌過程。由于洗滌程序是通過模糊推理而決定的，故有著極高的洗滌效能。china_54@圖9-2單片機控制的邏輯結(jié)構(gòu)china_54@1）電源電路電源電路由變壓器TF、橋式整流器、濾波電容和集成穩(wěn)壓電路7805組成。2）洗衣機狀態(tài)檢測電路狀態(tài)檢測電路一共有7個。3）顯示電路4）輸出控制電路輸出控制電路由觸發(fā)電路和相應的雙向晶間管組成；控制電路一共有5路。china_54@9.1.2模糊洗衣機的物理量檢測方法1．渾濁度的檢測衣物的臟污程度、骯臟性質(zhì)和洗凈程度等都需要檢測，以便進行工作過程的整定和控制。渾濁度的檢測是采用紅外光電傳感器來完成的。利用紅外線在水中的透光率和時間的關系，通過模糊推理，以得出檢測的結(jié)果，而這個結(jié)果就可以用于控制推理。china_54@圖9-3混濁度檢測原理china_54@圖9-4洗滌過程中透光度變化情況china_54@2．布量和布質(zhì)的檢測布量和布質(zhì)的檢測是在洗滌之前進行的。在水位為一定的時候，布量和布質(zhì)的不同就會產(chǎn)生不同的布阻抗。通過給定一定的水位，然后在這個給定水位的條件下使方電機進行間斷旋轉(zhuǎn)，則不同布阻抗就會使主電機制動的性能不同，利用主電機在不同布阻抗時的制動特性就可以推斷出布質(zhì)和布量。china_54@圖9-5布量與布阻抗關系曲線圖china_54@3．水溫檢測水溫檢測由溫度檢測器MTSl02執(zhí)行。由于MTSl02有線性度好，對溫度敏感等特點，故采用它對常溫檢測有較大的優(yōu)點。在電路中，采用兩個運算放大器對MTSl02的輸出信號進行處理，一個用于隔離阻抗，一個用信號放大。

china_54@9.1.3模糊洗衣機的模糊推理在模糊洗衣機中，渾濁度、布質(zhì)、布量等都是通過對現(xiàn)行狀態(tài)的檢測，再通過模糊推理得出的。在模糊推理中，需要考慮推理的前件和后件，也即是推理的輸入條件和輸出結(jié)果，在模糊洗衣機中，主要是要考慮布質(zhì)、布量、水溫和骯臟程度這幾種條件，而從這些條件求取水位，洗滌時間和水流，漂洗方式和脫水時間等。china_54@圖9-6模糊洗衣機的模糊推理china_54@在洗滌劑濃度推理中，其規(guī)則如下：如果渾濁度高，則洗滌劑投入量大；如果渾濁度偏高，則沒滌劑投入量偏大；如果渾濁度低，則洗滌劑投入量??；在洗衣推理中，推理規(guī)則如下：如果布量少，布質(zhì)以化纖偏多，而且水溫高，則水流為特弱，洗滌時間特短；如果布量多，布質(zhì)以棉布偏多，而且水溫低，則把水流定為特弱，洗滌時間定為特長。china_54@圖9-7水溫、布量和時間的模糊量china_54@9.2變頻空調(diào)器設計思路與開發(fā)過程20世紀90年代初，日本的家用電器生產(chǎn)企業(yè)將模糊控制理論和交頻凋速技術以及先進的傳感器技術和微處理技術相結(jié)合。成功地開發(fā)小模糊控制變頻式空調(diào)器。china_54@9.2.1變頻式空調(diào)控制器的結(jié)構(gòu)和主要功能1）控制器的結(jié)構(gòu)新型的變頻式模糊控制空調(diào)器實際上是一個多CPU控制系統(tǒng)，它主要包括三個部分：紅外遙控發(fā)射系統(tǒng)、室內(nèi)機組控制系統(tǒng)、室外機組控制系統(tǒng)。china_54@圖9-8室內(nèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖china_54@圖9-9室外系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖china_54@2）控制器的主要功能溫度控制定時控制制冷控制除濕控制制熱控制風向控制風速控制遙控／應急控制狀態(tài)指示延時保護china_54@3）室內(nèi)紅外遙控系統(tǒng)設計紅外遙控發(fā)射器設有LCD指示和若干功能鍵，其中LCD可顯示設定溫度、定時方式和定時時間、風機風速指示、風門工作方式、制冷／制熱方式、超靜／快速工作等，其中功能鍵有：電源開關溫度設置鍵定時方式鍵定時時間鍵工作方式鍵超靜／快速鍵風門控制鍵風速設定鍵china_54@4）室內(nèi)機組控制系統(tǒng)設計圖9-10模糊控制空詞器室內(nèi)控制系統(tǒng)框圖china_54@圖9-11風機移相控制電路圖9-12風機的移相控制電壓波形(陰形部分)china_54@圖9-13過零檢測電路china_54@（2）室內(nèi)機組軟件系統(tǒng)設計空調(diào)器室內(nèi)機組軟件控制系統(tǒng)的子程序包括三個層次高層次有制冷子程序、除濕子程序、快速／超靜子程序、應急控制子程序中間層次有風機速度控制子程序、風門步進電機控制子程序、紅外遙控指令輸入捕捉中斷服務于程序、實時時鐘中斷服務子程序、IRQ外部中斷服務子程序最低層次有串行通信子程序、數(shù)據(jù)采集及濾波子程序、延時子程序、報警提示于程序、模糊推理機等。china_54@5）空調(diào)器室外機控制系統(tǒng)設計1）變頻式熱泵型空調(diào)路的制冷系統(tǒng)空調(diào)器制冷運行時，是根據(jù)蒸汽壓縮式制冷原理，來自室內(nèi)機蒸發(fā)器中的低壓氣體被壓縮機吸入并壓縮成高溫高壓氣體，經(jīng)室外熱交換器和軸流風扇的作用下，被外界空氣冷凝成高壓液體．再經(jīng)電子膨脹閥節(jié)流后成為氣液購相共存物，并在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱蒸發(fā)成低壓蒸氣，然后再被吸入壓縮機。

china_54@圖9-14變頻式熱泵型空調(diào)器制冷原理圖china_54@2）空調(diào)器室外機控制系統(tǒng)設計要求空調(diào)器壓縮機對控制系統(tǒng)的要求是，空調(diào)器開始運行時，壓縮機緩慢提高轉(zhuǎn)速，避免大電流對電網(wǎng)的沖擊。若室溫與設置溫度相差過大，壓縮機在較高轉(zhuǎn)速下工作，空調(diào)器對壓縮機頻率要求是20Hz～l20Hz?？照{(diào)器的主要基本技術參數(shù)如下：(1)最大制冷量：2500W。(2)最大制熱量：2500W。(3)最大消耗功率：900W。(4)最大能效比：＞3.0。(5)變頻范同：20Hz～120Hz。china_54@3）室外機控制系統(tǒng)硬件設計室外機主要完成以下功能：

綜合室內(nèi)制冷數(shù)據(jù)，從串行通信口接收數(shù)據(jù)，對壓縮機進行變頻調(diào)速。

根據(jù)室內(nèi)機傳送的數(shù)據(jù)控制電于膨脹閥。

檢測室外環(huán)境溫度、冷凝器溫度、壓縮機溫度和壓縮機工作是否正常，并將數(shù)據(jù)回送給室內(nèi)機。

控制室外機雙速風扇電機。china_54@圖9-15主電路原理圖china_54@圖9-16控制電路原理圖china_54@4）室外機控制系統(tǒng)軟件設計室外機控制系統(tǒng)軟件可分為壓縮機變頻控制模塊，與室內(nèi)機的通信模塊和信號采集、控制輸出三大模塊。其中變頻控制軟件是室外機控制系統(tǒng)的核心。china_54@圖9-17室外機控制軟件的主程序流程圖圖9-18PWM中斷服務程序流程圖china_54@圖9-19脈沖寬度計算子程序流程圖china_54@9.3基于GPS的交通管理系統(tǒng)1)GPS系統(tǒng)組成GPS系統(tǒng)包括三大部分：地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)；空間部分——GPS衛(wèi)星星座；用戶設備部分——GPS信號接收機。GPS衛(wèi)星星座GPS工作衛(wèi)星圖9-20GPS衛(wèi)星星座和工作衛(wèi)星china_54@（1）GPS工作衛(wèi)星及其星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座，記作(21+3)GPS星座。（2）地面監(jiān)控系統(tǒng)GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站。（3）GPS信號接收機GPS信號接收機的任務是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理china_54@2）GPS在空中交通管制(ATC)中的應用（1）GPS輔助ATC系統(tǒng)概述在20世紀的最后10年中，世界空中交通平均年增長6.6％，2000年歐洲的航空客運量比1986年增加了1倍?？罩薪煌ü芾硐到y(tǒng)(ATC)的目的，就是要采用高度自動化的指揮和管制系統(tǒng)，保證飛機安全、有序地飛行，進而增強民航營運能力、提高民航效益。china_54@（2）GPS輔助ATC的性能與類型為了實現(xiàn)ATC系統(tǒng)所需要達到的性能指標，ATC系統(tǒng)對導航、監(jiān)視和數(shù)據(jù)通信三部分有相應的要求。GPS和通信衛(wèi)星構(gòu)成的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)具有全球覆蓋、全天候的定位和通信能力。這是采用衛(wèi)星系統(tǒng)輔助ATC系統(tǒng)諸多優(yōu)點的主要方面。china_54@圖9-21GPS輔助ATC空間基系統(tǒng)原理圖china_54@(3)GPS／ATC的導航、監(jiān)視和數(shù)據(jù)通信圖9-22GPS輔助的空管系統(tǒng)原理圖china_54@圖9-23數(shù)據(jù)通信格式示意圖china_54@(4)GPS/ATC的機載系統(tǒng)圖9-24ATC機載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖china_54@(5)ATC的地面系統(tǒng)圖9-25ATC地面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖china_54@9.4工程機械遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計9.4.1系統(tǒng)的總體設計1.系統(tǒng)的組成china_54@2．系統(tǒng)設計china_54@9.4.2硬件設計1.硬件的選擇本系統(tǒng)的PLC選用的是SIEMENS公司生產(chǎn)的S7200系列的CPU224由于GPRS無線通訊是一種新型的通訊系統(tǒng)，將該技術應用于工程機械的遠程監(jiān)控具有十分重要的意義。采用德國西門子原裝GSM/GPRS數(shù)據(jù)通信終端，其核心模塊是Siemens開發(fā)的MC35I，china_54@2．硬件連接china_54@2）RS-485與RS-232接口電路的設計

china_54@9.4.3軟性系統(tǒng)設計1．軟件功能的實現(xiàn)本系統(tǒng)主要是實現(xiàn)PLC與GPRS模塊的通訊，所以系統(tǒng)的主要功能可以分為以下幾個部分：數(shù)據(jù)遠程通信和數(shù)據(jù)處理的功能。china_54@2.軟件設計系統(tǒng)上電以后，系統(tǒng)軟件首先完成以下四步：(1)通過特殊存儲器，檢測系統(tǒng)硬件狀況，包括模塊類型、數(shù)量、供電情況、輸入端子、模塊連接等方面。(2)軟件初始化，包括通訊模式的選擇、標志位的設置、中斷事件的定義、采樣常數(shù)的設置、傳感器零點的配置以及目標地址的設定等。(3)時鐘信號的處理，目的是滿足隨時調(diào)用數(shù)據(jù)的需要，將時間數(shù)據(jù)處理成UNICODE碼，保證時間與模擬信號的實時匹配性。(4)因為S7-200不能做到同時對多通道的采集，所以要進行巡檢，在每一路的采集中，將模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)化，處理成數(shù)字信號，對其進行