第2章 家用电器控制系统

1、第2章 家用电器的控制系统 本章要点 控制系统的概念与控制的基本原理 家用电器的程序控制 单片机与家用电器的智能控制 单片机与家用电器之间的接口电路2.1.1控制系统的几个概念控制系统的几个概念1.控制系统与控制对象 完成控制任务需要由若干分工明确的单元协同工作，其中任完成控制任务需要由若干分工明确的单元协同工作，其中任何部分都不能独立完成何部分都不能独立完成工作工作，这些为完成某项控制任务而相互联，这些为完成某项控制任务而相互联系在一起的单元构成一个控制系统，简称为系统。系在一起的单元构成一个控制系统，简称为系统。 2.输入量与输出量输入量与输出量 能够进入系统对控制对象有影响的作用称为输入

2、量。在控制能够进入系统对控制对象有影响的作用称为输入量。在控制系统中，随输入量发生变化的物理量称为被控制量或输出量。系统中，随输入量发生变化的物理量称为被控制量或输出量。在实际条件下，一台设备或一个过程，可能受许多外部作用，但在实际条件下，一台设备或一个过程，可能受许多外部作用，但是不可能考虑所有的外部作用，一般只考虑对输出量有重大影响是不可能考虑所有的外部作用，一般只考虑对输出量有重大影响的有限数目的外部作用。在实际分析系统时，只把这些主要的外的有限数目的外部作用。在实际分析系统时，只把这些主要的外部作用，作为输入量。部作用，作为输入量。 从对控制对象和输出的影响来看，输入量可分为两种不同的

3、类从对控制对象和输出的影响来看，输入量可分为两种不同的类型。一种类型的输入量是保证控制对象的运行达到所要求的目标，型。一种类型的输入量是保证控制对象的运行达到所要求的目标，这一类输入量称为控制量或基准量。另一类输入量则相反，它妨这一类输入量称为控制量或基准量。另一类输入量则相反，它妨碍达到目标，这类作用称为扰动作用或扰动量。控制实际上就是碍达到目标，这类作用称为扰动作用或扰动量。控制实际上就是在控制系统中令输出量按照输入量的要求变化。在控制系统中令输出量按照输入量的要求变化。2.1.2控制系统的基本结构控制系统的基本结构 控制系统按其结构可分为开环控制系统和闭环控制系统。还控制系统按其结构可分

4、为开环控制系统和闭环控制系统。还可以将两者结合起来，组成复合控制系统。系统的结构与功能是可以将两者结合起来，组成复合控制系统。系统的结构与功能是统一的，不同的结构对应着不同的功能。同样，要具有某种功能，统一的，不同的结构对应着不同的功能。同样，要具有某种功能，也必须有相应的结构。也必须有相应的结构。1.开环控制系统的结构和特点开环控制系统的结构和特点 如果控制系统中，输出量不影响输入量，这种系统被称为开如果控制系统中，输出量不影响输入量，这种系统被称为开环控制系统。环控制系统。 2.闭环控制系统的基本结构特点闭环控制系统的基本结构特点 这一类系统把输出量直接或间接地反馈到比较环节形成闭环这一类

5、系统把输出量直接或间接地反馈到比较环节形成闭环结构，参与系统对输出量的控制，所以称为闭环控制系统。由于结构，参与系统对输出量的控制，所以称为闭环控制系统。由于系统是根据负反馈原理按偏差进行控制的，因此，也叫做反馈控系统是根据负反馈原理按偏差进行控制的，因此，也叫做反馈控制系统或偏差控制系统。在闭环控制系统中，通过系统的采样环制系统或偏差控制系统。在闭环控制系统中，通过系统的采样环节，提取出与输出量的变化规律相同的采样信号，由反馈通道送节，提取出与输出量的变化规律相同的采样信号，由反馈通道送入比较环节入比较环节(反馈反馈)，在比较环节中采样信号与基准输入量进行比，在比较环节中采样信号与基准输入量

6、进行比较较(相减相减)，再利用比较之后得到的偏差信号控制驱动环节，改变，再利用比较之后得到的偏差信号控制驱动环节，改变输出给控制对象输出给控制对象(执行机构执行机构)的能量大小，从而抑制内部或外部扰的能量大小，从而抑制内部或外部扰动对输出量的影响，维持输出量的稳定。动对输出量的影响，维持输出量的稳定。 单片机与家用电器的接口电路 单片机要接受来自家用电器的各种状单片机要接受来自家用电器的各种状态信号，同时又将控制信号送出，以驱动态信号，同时又将控制信号送出，以驱动有关部件工作，因此接口非常重要。本节有关部件工作，因此接口非常重要。本节重点介绍单片机与家用电器之间的输入、重点介绍单片机与家用电器

7、之间的输入、输出接口，显示接口，功率驱动接口和磁输出接口，显示接口，功率驱动接口和磁控管接口电路的工作原理。控管接口电路的工作原理。2.5.1输入信号接口输入信号接口 1.开关信号接口 (1) 门或盖开关接口门或盖开关接口 开关信号主要来自电冰开关信号主要来自电冰箱、洗衣机、微波炉、电烤箱、洗衣机、微波炉、电烤箱等的门开关或盖开关，其箱等的门开关或盖开关，其接口电路较为简单（如图所接口电路较为简单（如图所示）。当单片机示）。当单片机PD7566内内部有上拉电阻时，外部电阻部有上拉电阻时，外部电阻R可以不接。当单片机检测到可以不接。当单片机检测到门开关或盖开关闭合时门开关或盖开关闭合时,输入输入

8、电平为电平为0，控制家用电器工作。，控制家用电器工作。否则，输入电平为否则，输入电平为1，家用电，家用电器停止工作。器停止工作。(2)过压、过流信号接口过压、过流信号接口 在家电产品在家电产品中，有时需对负中，有时需对负载能力和输出控载能力和输出控制电路的电压进制电路的电压进行控制，以免引行控制，以免引起家电产品的损起家电产品的损坏。过压信号接坏。过压信号接口的原理图如图，口的原理图如图，过流信号接口与过流信号接口与过压信号接口的过压信号接口的差别是过流信号差别是过流信号接口电路用电流接口电路用电流互感器互感器TB代替了代替了过压信号接口的过压信号接口的变压器变压器T。2.模拟信号接口 (1)

9、温度信号接口温度信号接口 在电热器具、制冷空调等家电产品中，一般采用在电热器具、制冷空调等家电产品中，一般采用热敏三极管对温度进行检测。温度信号为模拟信号，热敏三极管对温度进行检测。温度信号为模拟信号，需要转换为数字信号才能用单片机进行处理，因此通需要转换为数字信号才能用单片机进行处理，因此通常要选用含有常要选用含有AD转换器的单片机。某些单片机中，转换器的单片机。某些单片机中，用比较器的输入端接收检测到的模拟信号，若单片机用比较器的输入端接收检测到的模拟信号，若单片机中无中无AD转换和比较器时，可用定时计数器接收模拟转换和比较器时，可用定时计数器接收模拟温度信号，但温度检测电路需有模拟频率转

10、换功能。温度信号，但温度检测电路需有模拟频率转换功能。1) 温度信号的模拟接口电路温度信号的模拟接口电路 温度信号的模拟接口电路如图温度信号的模拟接口电路如图2-30所示，所示，MTSl02为测温三极管，比较器为测温三极管，比较器A1为阻抗匹配器，比较器为阻抗匹配器，比较器A2为一反相为一反相放大器，这样放大器，这样A2输出端输出端UOUT就可接到单片机的就可接到单片机的AD输入端，利用单输入端，利用单片机内部的片机内部的AD转换器将模拟信号转换为数字信号。对于常用的单转换器将模拟信号转换为数字信号。对于常用的单片机片机pPD7566，其接口如左图所示。对于电冰箱、空调器的控制，可，其接口如左

11、图所示。对于电冰箱、空调器的控制，可利用热敏电阻进行测温，热敏电阻直接连接在利用热敏电阻进行测温，热敏电阻直接连接在pPD7566的比较器的比较器Cin0Cin3输入端输入端,如右图所示。如右图所示。 2) 温度信号的频率接口温度信号的频率接口 温度信号的频率接口电路如图温度信号的频率接口电路如图2-33所示，在该电路中，所示，在该电路中，R4为为限流电阻，可使限流电阻，可使VT2(MTSl02)集电极电流为集电极电流为0.1mA，以保证，以保证VT2(MTSl02)处于较好的测温状态，脉冲发生器由电阻处于较好的测温状态，脉冲发生器由电阻R2、R3、电位器电位器RP1、RP2、电容、电容C1和

12、单结晶体管和单结晶体管VT1组成组成,脉冲频率与脉冲频率与RC回路和单结晶体管回路和单结晶体管VT1的峰值电压有关，的峰值电压有关，MTSl02对温度检测后，对温度检测后，将温度值转换成一定频率的脉冲，再送入单片机的将温度值转换成一定频率的脉冲，再送入单片机的IO接口或定接口或定时计数器。此种接口电路可在电冰箱、空调器中得到应用。时计数器。此种接口电路可在电冰箱、空调器中得到应用。 (2) (2)给定信号模拟接口给定信号模拟接口 用电位器用电位器RPRP选定给定值选定给定值, ,直接送入单片机直接送入单片机的的A/DA/D输入端输入端, ,如左图所示。如左图所示。 (3)(3)过流信号模拟接口

13、过流信号模拟接口 此接口与开关信号输入接口中的过流信此接口与开关信号输入接口中的过流信号接口相似号接口相似, ,如右图所示如右图所示, ,图中图中OPOP为运算放大器。为运算放大器。 2.5.2 输出信号接口输出信号接口 1.开关信号输出接口开关信号接口可直开关信号接口可直接驱动发光二极管、接驱动发光二极管、继电器、晶体管或继电器、晶体管或晶闸管等，如图所晶闸管等，如图所示 。 当 单 片 机示 。 当 单 片 机PD7566的的IO线线P90输出高电平时，输出高电平时，流经发光二极管流经发光二极管VD的电流极小，不能的电流极小，不能发光，当发光，当P90输出低输出低电平时，流经电平时，流经V

14、D的的电流达电流达10mA，故，故VD发光。此端口灌入发光。此端口灌入电流可达电流可达15mA，输，输出电压出电压9V，具有较，具有较强的负载能力。强的负载能力。2.数字信号输出接口数字信号输出接口 (1)数字显示码的数字显示码的输出接口输出接口 单片机单片机IO线直线直接到接到LED显示器显示器的阴极，的阴极，LED显显示器采用共阳极示器采用共阳极方式，如图所示。方式，如图所示。这是由于单片机这是由于单片机的的IO线可允许线可允许10mA的灌入电的灌入电流，而拉出电流流，而拉出电流仅仅5mA。(2)键盘扫描码的输出接口键盘扫描码的输出接口在键盘扫描码的输出接口电路中，在键盘扫描码的输出接口电

15、路中，Pl00P102 I/O线是扫描码的输出端，线是扫描码的输出端，P10P13IO线用线用于接收键盘的按键信号，如左图所示。于接收键盘的按键信号，如左图所示。 (3)DA转换的数字输出接口转换的数字输出接口 在单片机在单片机控制的家用电器中，为进行数字模拟信号控制的家用电器中，为进行数字模拟信号的转换，一般将数字送到的转换，一般将数字送到 IO接口，而在端接口，而在端口外加电阻解码网络口外加电阻解码网络(T型网络型网络)来产生模拟信来产生模拟信号。在号。在DA转换的数字输出接口中，转换的数字输出接口中，Pl00用用于输出数字的最高位，于输出数字的最高位，P103用于输出数字的最用于输出数字

16、的最低位。如右图所示。低位。如右图所示。2.5.3功率驱动接口功率驱动接口 单片机是微电子器件，输出的信号功率很小，要单片机是微电子器件，输出的信号功率很小，要驱动大功率的加热元件驱动大功率的加热元件(如电饭锅中的加热元件等如电饭锅中的加热元件等)和电和电动机动机(如洗衣机中的洗涤与脱水电动机，电冰箱与空调如洗衣机中的洗涤与脱水电动机，电冰箱与空调器的压缩机电动机等器的压缩机电动机等)，就需要两者相互匹配的中间电，就需要两者相互匹配的中间电路，此种电路就是功率驱动接口。路，此种电路就是功率驱动接口。1.电动机驱动接口 (1)开关控制方式开关控制方式 在电冰箱与空在电冰箱与空调器中，压缩机的调器

17、中，压缩机的工作是由电动机带工作是由电动机带动的，因负载较大，动的，因负载较大，在低速运行时易烧在低速运行时易烧坏电动机。因而压坏电动机。因而压缩机电动机的控制缩机电动机的控制采用开关方式。采用开关方式。 在压缩机电动在压缩机电动机的控制接口电路机的控制接口电路中，有两种控制接中，有两种控制接口电路；直接逻辑口电路；直接逻辑电平耦合电路和光电平耦合电路和光电耦合电路，如图电耦合电路，如图所示所示。(2)调压控制方式调压控制方式 空调器中的风扇电动机、空调器中的风扇电动机、落地扇等，可以利用调落地扇等，可以利用调压控制方式调节电动机压控制方式调节电动机转速。此方式的接口电转速。此方式的接口电路如

18、图所示。图中，上路如图所示。图中，上面面种是典型的电容运种是典型的电容运转电动机调速电路。主转电动机调速电路。主要由光电耦合器要由光电耦合器OC1、双、双向晶闸管向晶闸管VS，和电动机，和电动机M1组成。下面一种接口组成。下面一种接口同上面一种基本相同，同上面一种基本相同，但电动机启动电路不一但电动机启动电路不一样：当样：当VS2导通后，流经导通后，流经电动机主绕组电流较大，电动机主绕组电流较大，在在R7上产生较大的压降，上产生较大的压降，使使VS2导通，副绕组得电，导通，副绕组得电，这时电机启动运行。电这时电机启动运行。电动机启动完成后，主绕动机启动完成后，主绕组电流趋于稳定组电流趋于稳定(

19、比启动比启动电流小电流小)，VS2截止，这时截止，这时只有主绕组参与运行。只有主绕组参与运行。2.加热器件驱动接口加热器件驱动接口 在加热器件的驱动接口中，如图所示，有以下三种接口形在加热器件的驱动接口中，如图所示，有以下三种接口形式：式： (1)最上面一种接口形式最上面一种接口形式 当当IO输出低电平输出低电平“0”时，双向晶时，双向晶闸管闸管VS1导通，加热丝通电加热，当单片机输出高电平导通，加热丝通电加热，当单片机输出高电平“1”时，时，双向晶闸双向晶闸VS1截止，加热丝停止加热。截止，加热丝停止加热。 (2)中间一种接口形式中间一种接口形式 当单片机输出高电平时，晶体管当单片机输出高电平时，晶体管VT1导导通，触发通，触发VS2导通，加热丝加热，当单片机输出低电平时，导通，加热丝加热，当单片机输出低电平时，VT1、VS2均截止，加热丝停止加热。均截止，加热丝停止加热。 (3)最下面一种接口形式最下面一种接口形式 单片机输出高电平时，发光二极管单片机输出高电平时，发光二极管VD2无电流通过，不发光，光敏三极管无电流通过，不发光，光敏三极管 VT2截止，双向晶闸管截止，双向晶闸管VS3导通，加热丝进行加热，单片机输出低电平时，导通，加热丝进行加热，单片机输出低电平时，VT2导通，导通，VS3截截止，加热丝停止加热。止，加热丝停止加热。加热器件的驱动接口电路加热器