常用计算机控制技术

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1、第4章 常用控制程序设计主要内容1、报警程序设计 2、开关量输出接口技术 3、电动机控制接口技术 4、步进电机控制接口技术4.1 报警程序设计报警程序是计算机控制程序中必不可少的一部分。在控制过 程中，有一些参数被限定在某一范围，超出之后轻则会造成次品、 浪费等，重则造成设备损坏、人员伤亡等。报警程序就是提醒操作 人员注意或采取紧急处理措施。本节主要内容常用报警方式 简单报警程序设计 越限报警程序设计4.1 报警程序设计（2）4.1.1 常用报警方式一、发光报警在设备中常用发光二极管（LED）发光报警，其电路如下。 LED驱动电流一般为5-30mA， 74LS373（273、377， 或825

2、5等）为 数据锁存，74LS06（或74LS07 ） 为驱动器，R为限流电阻。 R=（V-0.5）/ I 0.5为LED的结电压。 R：2004501000 I ：22.5104.5（mA） 若用白炽灯报警，则需用继电器 进行控制，只需将电路中的LED换成 继电器、电阻换小一些的即可。为高时 LED亮4.1 报警程序设计（3）二、发声报警在设备中，发声报警的方法有多种，可用报警喇叭发声、发 声芯片发声、编程发声、可编程语音芯片发声等。 1、报警喇叭发声 有一种压电式蜂鸣器，加上324V直流电压，便发出“嘟、嘟 、嘟”的报警声，电压越高，声音越大。 2、编程发声 用计算机，或者利用设备中单片机，

3、编程发声程序，使喇叭 发出各种各样的报警声，甚至音乐。 3、可编程语音芯片发声 使用时先录制声音，然后编写程序，可根据不同的情况，发 出不同的语音提示。如ZY1420A语音模块，分为160段，每段可录 制0.125s，录音总长度为20s。4.1 报警程序设计（4）4、发声芯片发声 用发声芯片发声报警，是常用的方法，如汽车倒车、汽车洒 水、门铃、玩具发声等，都是使用的发声芯片发声。如下表所示 的KD-956X系列报警声音芯片（见表4-1）。 型 号声 光 性 能KD-9561机枪枪、警笛、救护车护车、消防车车声KD-9561B嘟嘟嘟嘟嘟嘟 声KD-9562机枪枪、炮弹弹等八种声音KD-9562B

4、光控报报警声KD-9562C单键单键八音KD-9563三声二闪闪光KD-9565六声五闪闪光4.1 报警程序设计（5）KD-956X系列声音芯片主要特性： 1）工作电压范围宽（3-4.5V） 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； （R1发生频率， R1：180k -290k） 4）外接一只小功率三极管便可驱动扬声器。KD 956X系列声音芯片的内部结构：包含有振荡器、节拍器 、音色发生器、地址计数器、控制和输出等部分。下面为KD 9561声音芯片的外形图、应用电路图和接线图。4.1 报警程序设计（6）4.1.2 简单报警程序设计简单报警程序设计方法可以分两种全软件报警程

5、序： 对测量的参数（温度、压力、流量、速度、成分等）与规定 的上、下限进行比较，根据比较结果做报警（声、光）和处理。 硬件申请、软件处理报警程序： 这种方法的报警判断不是程序完成的，而是直接由电路或设 备完成的，超过限定值时向CPU发出中断请求，CPU响应中断后 进行报警（声、光）和处理。4.1 报警程序设计（7）一、软件报警程序设计如锅炉水位自动调节系统，主要参数：水位、进水流量、蒸 汽流量。 根据锅炉中的水位、进水流量和蒸汽流量，调节进水阀门， 以保持锅炉中的水位。4.1 报警程序设计（8）锅炉报警参数： X1：水位（高、低）；X2：炉膛温度；（高、低）X3：蒸汽压力（低）为高时 LED亮

6、4.1 报警程序设计（9）软件报警子程序流程图。 X1：水位（高、低） X2：炉膛温度（高、低） X3：蒸汽压力（低）4.1 报警程序设计（10）二、硬件直接报警程序设计对于某些根据开关量 状态进行报警的系统，为 了使系统简化，可以不用 上面所说的软件编程判断 报警方法，而是采用硬件 申请 中断的方法，进行报 警设计。 右图为硬件直接报警 系统原理图。04为反相器。 有参数超限便向CPU 产生中断请求，从C口输入、 高低4位交换、再从C口输 出。为低时 LED亮超限时 闭合4.1 报警程序设计（11）4.1.3 越限报警程序设计前面讲的报警程序比较简单，实际中测量值在某一个范围上 下摆动，为了

7、避免测量值在极限值附近摆动造成频繁的报警，因此 在上下限附近设定一个回差带，如下图所示。4.1 报警程序设计（12）程序基本思想： （1）比较判断： 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 否复限。 （2）处理： 如越限，则分 别置上、下限标志，并 输出相应的声光报警信 号；如复限，则清除 相应标志。并行接口芯片82554.2 开关量输出接口技术接口 在工业上，被控制的对象中的执行机构的动力部分，一般都是强电，但计算机系统是弱电，要弱电去控制强电，就需要接口。对于只进行通断控制的机构，如电机的启停，照明的开

8、关，报警的控制等，只需要开关量来进行控制，接口常用的器件是继电器或可控硅。在实际应用中，因为执行机构中的强电在开、关过程中会产生很强的电磁干扰，若在强电和弱电之间不加隔离，就会对计算机系统造成误动 作和损坏。因此在接口电路中，一是要放大（驱动），二是要隔离。本节主要内容1、光电隔离技术2、继电器输出接口技术3、固态继电器输出接口技术4、大功率场效应管开关接口技术5、可控硅接口技术6、电磁阀接口技术4.2 开关量输出接口技术（2）4.2.1 光电隔离技术常用的光电隔离器的种类有：发光二极管/光敏三极管（光敏复合 晶体管、光敏电阻、光触发可控硅）等，其工作原理如下图所示。工作原理：隔离电压：塑料封

9、装一般为2500V左右陶瓷封装一般为5000-10000V左右输入驱动电流：一般为10mA左右，常用7404、7406、7407等芯片驱动。常用的光电隔离器有4N25等，隔离电压为2500V，驱动电流为10mA-15mAout三极管4.2 开关量输出接口技术（3）常用的光电隔离电路（左图正确，右图错误）图中工作状态：PC0=1，Vo=0； PC0=0，Vo=1作 业4.1 4.34.2 开关量输出接口技术（4）4.2.2 继电器输出接口技术电磁式继电器的工作原理和应用电路如下图所示。驱动电流一般为100mA左右，直流电压5V、9V、12V、24V等选用时应考虑：1、额定工作电压、电流2、接点负

10、荷3、接点的数量与种类（动断或动开）4、体积、封装、工作环境、延迟时间等为高时继 电器闭合保护 二极管继电器 线圈光电 隔离器4.2 开关量输出接口技术（5）4.2.3 固态继电器输出接口技术电磁式继电器在通断过程中会产生电磁干扰，并且触点容易氧 化而影响可靠性。固态继电器（Solid State Relay）SSR是用晶体管或可控硅代替 电磁式继电器，SSR无触点，响应快，并且将光电隔离集成到一 起。 SSR分为直流型的和交流型的。一、直流型SSR 结构与工作原理如下图三极管光电 隔离器保护 二极管闭合时 负载工作4.2 开关量输出接口技术（6）直流SSR主要用于直流负载的场合输出工作电压3

11、0-180V（5V开始工作）SSR控制步进电机（下图）。PCx=1时导通，对应绕组通电。保护 二极管步进电机 绕组C4.2 开关量输出接口技术（7）二、交流型SSR用可控硅作开关器件。分为过零型和移相型两类。用于控制交 流大功率设备，如控制交流电动机、交流电磁阀等。SSR结构与工作原理如下图晶闸管（ 可控硅）4.2 开关量输出接口技术（8）交流SSR输出波形如下图所示非过零型 导通时间 立即导通过零型导 通时间过零型导 通时间关断时间 相同，在 过零时交流电源 波形控制信号SSR两端的 电压在导通 时为0。非过零型SSR，加上控制信号便导通4.2 开关量输出接口技术（9）交流SSR控制交流电机

12、原理图如下图所示。RP、CP组成浪涌电压保护电路（对50Hz的阻抗约为32K），RM 为压敏电阻，用作过压保护（保护SSR）。PC0=0，A绕组通电电机正转；PC0=1，B绕组通电电机反转交流固态 继电器4.2 开关量输出接口技术（10）4.2.4 大功率场效应管开关接口技术场效应管特点：输入阻抗高、关断漏电流小、响应快，体积小 、价格低。IRF系列场效应管特性：电流从几毫安-几十安；耐压从几十伏-几百伏。使用时注意加光电保护，如用4N25等光电隔离器。G：栅极，控制端；D：漏极，接电源正极S：源极，接电源负极主要用于直流设备4.2 开关量输出接口技术（11）大功率场效应管控制步进电机原理图

13、场效应管型号为IRF640，PCx为1时对应绕组导通，为0时对应绕组关闭。三个绕组按规律交替导通，步进电机才会旋转。场效应管 开关光电 隔离器浪涌电压保 护电路，保 护场效应管步进电机 绕组A保护 二极管4.2 开关量输出接口技术（12）4.2.5 可控硅接口技术可控硅（Silicon Controlled Rectifier(整流器)）SCR，也叫晶闸 管，是一种大功率器件。特点：效率高、寿命长、体积小。应用：作大功率驱动器件，实现以小功率控制大功率。在直流电 机调速系统、调功系统、随动系统应用广泛。分类：分为单向可控硅和双向可控硅。一、单向可控硅 A阳极、K阴极、G控制极e2e1b1b2c

14、1c24.2 开关量输出接口技术（13）几个参量：触发电流IT：Ig IT时导通；控制角；导通角；Ig为栅极电流截止：UAUK。单向可控硅的单向导通功能，多用于直流大电流场合的开关。 在交流系统中用做大功率整流。IT导通4.2 开关量输出接口技术（14）二、双向可控硅 又叫三端双向可控硅，简称TRIAC。工作原理：控制极G加正向脉冲则正向导通，加反向脉冲则反 向导通。也会截止。特点与应用：控制简单，无耐压问题，作交流无触点开关。G4.2 开关量输出接口技术（15）用双向可控硅控制交流电加热炉的原理图： 上半部分为可控硅控制电路，下半部分为交流电过零探测电 路，每过一次零便产生一个脉冲的下降沿，

15、向CPU发出中断请求， CPU响应后，向D0发出同步触发脉冲，使可控硅导通。 注意：每半个周期给可控硅一个同步脉冲，电压不小于4V， 脉冲宽度不小于20s。D0为低时导通。此电路复杂，采用图4-26电路简单。光电 隔离器产生中断请 求信号此电路复杂，采用图4-26 电路简单。VbVctt4.2 开关量输出接口技术（16）4.2.6 电磁阀接口技术电磁是受通电线圈电磁力控制开闭的阀体。广泛应用于气体、液 体开关阀门。结构原理图如下图所示。4.2 开关量输出接口技术（17）电磁阀的种类：有交流和直流两种。交流电磁阀使用方便，但容易震动、启动电流大；直流电磁阀 需专门电源，如12V、24V、48V等

16、。交流电磁阀的接口电路如下图所示。双向可控硅的选择：对中小型的交流电磁阀，可选3A、600V的 。为过零触发光电 耦合双向可控硅 驱动芯片为低时可 控硅导通作 业4.1 4.3 4.54.3 电动机控制接口技术电动机控制技术概述电动机是被广泛应用的原动机电动机的控制要求越来越高：启、停、逆转快速，调速快、准。电动机控制器的发展：电机控制元件经历了从交流放大器到磁放大器、可控离子变 速器、可控硅、计算机控制。计算机控制又分为微机控制系统、单片机控制装置和专用控制 板卡等，并且采用了复杂的控制算法。脉冲宽度调制技术，在直流小功率电动机调速中已经成熟，在 直流中、小功率方面正在迅速取代可控硅SCR直流调速系统，但在 交流和大功率电动机调速方面尚属研究中。电动机调速的发展趋势：微型化、智能化、一体化，即将以微 型计算机（单片机）为核心的控制器做到电动机上。4.3 电动机控制接口技术（1）本节主要内容1、小功率直流电动机调速原理 2、开环脉冲宽度调速系统 3、脉冲宽度调速系统设计 4