第四章 常用控制程序的设计

第四章常用控制程序的设计第1页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.1报警程序设计报警是微机控制系统的一项重要功能，主要用于保证生产过程的正常运行和操作者的生命安全。在生产过程中控制系统随时检测被控对象的一些重要参数，当超出允许范围时，控制系统便会发出报警信号。报警程序主要有以下几个步骤组成：（1）采样被测参数（2）比较采样值和给定的上下限（3）根据比较结果执行相应的处理程序采样值>上限值，则报警采样值<下限值，则报警采样值在[上限值下限值]区间内，则显示或控制第2页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.1.1常用的报警方式在控制系统中通常可采用声、光及语言进行报警。声：声音可由简单的电铃、电笛发出，也可通过频率可调的蜂鸣振荡音响提供光：常取自发光二极管或白炽灯语言：语音芯片第3页，共78页，2023年，2月20日，星期四1、发光二极管及白炽灯驱动电路当某一路需要报警时，只需使该路输出相应的电平即可。74LS373锁存器74LS06驱动器第4页，共78页，2023年，2月20日，星期四2、声音报警驱动电路最常用的方法是采用模拟声音集成电路芯片。第5页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.1.2简单的报警程序设计根据报警参数及传感器的具体情况，报警程序的设计方法可分为两种：全软件报警方式：整个过程由软件实现简单上、下限报警程序上下限报警处理程序硬件报警方式：硬件申请、软件处理的报警方式第6页，共78页，2023年，2月20日，星期四1、全软件报警方式被测参数经传感器、变送器、A/D转换器送到微型计算机，再与规定的上、下限值进行比较，根据比较结果进行报警或处理，整个过程都由软件实现。正常时，P1口输出全为0。只要有一个参数不正常，P1.7=1，电笛响，同时将相对应的位置1。X>MAXY报警NX<MINY报警NJNC无借位，则转移JC有借位，则转移110第7页，共78页，2023年，2月20日，星期四2、硬件报警方式：硬件申请，软件处理报警要求不通过程序比较法得到，而是直接由传感器产生，若要报警则向CPU申请中断，CPU响应中断后，转到中断服务程序进行报警处理。硬件申请：参数全部正常时，只要有一个参数不正常，对应的开关闭合。软件处理：CPU响应中断，读入报警状态P1.0~P1.3，然后从P1口的高四位输出，完成报警工作。11110110第8页，共78页，2023年，2月20日，星期四假设液位下限报警，P1.2=0报警程序：MOVA,#0FFHMOVP1,AMOVA,P1P1:11111011，则A中的内容为11111011BSWAPAA中的内容为10111111BMOVP1,AP1:10111111P1.6=00P1.0~P1.7=1，不报警硬件申请中断，CPU读入P1口状态A中高四位与低四位互换输出报警信号第9页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.1.3越限报警程序设计为了避免测量值在极限值附近摆动造成频繁地报警，可以在上、下限附近设定一个回差带。H——上限带，L——下限带BCD超过A点，则越过上限下降到B点以下，则复限在C点以下，越过下限上升到D点以上，则复限在H带区内摆动不做越上限处理在L带区内摆动不做越下限处理第10页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.1.3越限报警程序设计基本思路：设置越上限标志位和越下限标志位越上限，且越上限标志位置位越下限，且越下限标志位置位BCD报警第11页，共78页，2023年，2月20日，星期四B没有越上限，也没有复位上限，则返回主程序，让主程序做相应的处理。越上限，且越上限标志置位，则说明已经在进行报警处理若上一次采样的数据越上限报警，则越上限标志位一直是处于置位状态，没有复位的。D越下限，且越下限标志置位，则说明已经在进行报警处理没有越下限，也没有复位下限，则返回主程序，让主程序做相应的处理。若上一次采样的数据越下限报警，则越下限标志位一直是处于置位状态，没有复位的。第12页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.2开关量输出接口技术在工业过程控制系统中，控制主要有：模拟量控制：控制水位、温度、压力等。开关量控制：通过控制设备的“开”或“关”状态的时间来达到控制的目的。

第13页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.2开关量输出接口技术开关量的输出要解决的两大问题1、要放大输出设备需要大电压（电流）来控制，而微机系统输出的开关量大都为TTL电平，这种电平一般不能直接驱动外部设备开启或关闭。2、要隔离许多外部设备在开关过程中会产生很强的干扰信号，如果不隔离，可能会使微机控制系统造成误动作乃至损坏。

第14页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.2开关量输出接口技术光电隔离技术继电器输出接口技术固态继电器输出接口技术大功率场效应管开关接口技术可控硅接口技术电磁阀接口技术

第15页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.2.1光电隔离技术光电隔离器的种类：发光二极管/光敏三极管发光二极管/光敏复合晶体管发光二极管/光敏电阻发光二极管/光触发可控硅第16页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.2.1光电隔离技术1、光电隔离器的原理

导通放大：加驱动器，如7406或7407隔离：通过电—光—电的转换来实现对输出设备进行控制，之间没有电气连接。第17页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.2.1光电隔离技术注意：输入输出端两个电源必须单独供电，否则外部干扰信号可能会通过电源串到系统中来，失去隔离的意义。

第18页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.2.2继电器输出接口技术继电器是电气控制中常用的控制器件，一般由通电线圈和触点构成。线圈通电，常开触点闭合，常闭触点打开线圈断电，常开触点打开，常闭触点闭合

KMRSBRKMRKHKMFSB1KMFSBFKMRKMF第19页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.2.2继电器输出接口技术继电器本身具有一定的隔离作用，但在与微机接口连接时通常采用光电隔离器进行隔离。

10导通导通闭合通电第20页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.2.2继电器输出接口技术继电器本身具有一定的隔离作用，但在与微机接口连接时通常采用光电隔离器进行隔离。

第21页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.2.3固态继电器输出接口技术由于继电器采用电磁吸合方式，在开关瞬间，触点容易产生火花，从而引起干扰，在交流高压电等场合，触点容易氧化，影响可靠性，研制出一种新型的输出控制器件——固态继电器（SSR）。固态继电器是一种带光电隔离器的无触点开关，用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关，而在前级中与光电隔离器融为一体。根据结构形式可分为直流型固态继电器交流型固态继电器第22页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.2.3固态继电器输出接口技术1、直流型固态继电器第23页，共78页，2023年，2月20日，星期四步进电机控制原理图101010第24页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.2.3固态继电器输出接口技术2、交流型固态继电器采用双向可控硅作为开关器件。第25页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.2.3固态继电器输出接口技术交流型固态继电器可分为过零型交流SSR导通：输入控制信号有效，且负载电源电压接近零，输入端负载电源才导通关断：输入控制信号撤销后，流过双向可控硅负载电流为零时关断移相型交流SSR导通：输入控制信号有效，不管负载电流相位如何，负载端立即导通关断：输入控制信号撤销后，流过双向可控硅负载电流为零时关断第26页，共78页，2023年，2月20日，星期四用交流型SSR控制交流电机原理图0101导通截止电机正转1010截止导通电机反转第27页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.2.4大功率场效应管开关接口技术

场效应管是利用改变电场来控制固体材料导电能力的有源器件。G=1时，D和S导通，允许电流通过G=0时，D和S不导通，不允许电流通过控制栅极漏极源极第28页，共78页，2023年，2月20日，星期四

大功率场效应管本身没有隔离作用，通常在它的前面加一级关电隔离器。采用大功率场效应管的步进电机控制电路原理图10导通第29页，共78页，2023年，2月20日，星期四采用大功率场效应管的步进电机控制电路原理图1第30页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.2.5可控硅接口技术可控硅简称SCR，也称晶闸管，是一种大功率电器元件，在交直流电机调速系统、调功系统以及随动系统中得到广泛应用。可控硅分单向可控硅和双向可控硅两种。注意：可控硅与微机接口连接时也需要加光电隔离器。第31页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.2.5可控硅接口技术1、单向可控硅阳极阴极控制极SCR导通：VA>VK且Ig>触发电流导通后，Ig即使为0，SCR仍保持导通状态。SCR截止：VA<=VKIg——控制极电流第32页，共78页，2023年，2月20日，星期四2、双向可控硅正向导通：G上加正脉冲截止：VT1<=VT2反向导通：G上加负脉冲截止：VT2<=VT14.2.5可控硅接口技术第33页，共78页，2023年，2月20日，星期四电磁阀是在气体或液体流动的管路中受电磁力控制开闭的阀门。4.2.6电磁阀接口技术线圈不通电线圈通电第34页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.3电机控制接口技术对电机的控制主要是控制它的转向和转速。对转向的控制，可设定一个标志位来控制。若设标志位为1，电机正转，则标志位为0，电机反转。第35页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.3电机控制接口技术4.3.1小功率直流电机调速原理4.3.2开环脉冲宽度调速系统4.3.3PWM调速系统设计

第36页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.3.1小功率直流电机调速原理中小功率直流电机的调速多采用直流脉冲宽度调制（PWM）型调速系统。1、PWM调速：采用脉冲信号作为电机的控制信号，通过改变脉冲信号的占空比实现对电机速度的控制。占空比：电机电枢电压接通时间与通电周期的比值。电机通电，则转速增加电机断电，则转速降低以固定的占空比发送控制脉冲，则恒速旋转第37页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.3.1小功率直流电机调速原理2、转速和控制信号的关系设电机在恒定电压下的转速为Vmax，控制信号的占空比为D=t/τ（其中t代表通电时间，τ代表脉冲周期）则电机的的转速和控制信号的关系可用如下公式表示：

V=Vmax×D（3-10）平均转速第38页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.3.2开环脉冲宽度调速系统1、开环脉冲宽度调速系统的组成原理图如下所示：占空比由人工设定，一般通过开关给定，用每位开关的状态表示“1”或“0”组成8位二进制数。改变开关的状态，即可改变占空比的大小。脉冲宽度发生器：由计算机根据给定的平均速度，计算出占空比，用软件程序来实现。通过电力晶体管驱动器GD，进行功率放大电子开关：用来接通或断开电机定子电源。第39页，共78页，2023年，2月20日，星期四单片机控制的开环脉冲调速系统示意图。

占空比D的设定：由8个单刀双掷开关的状态决定，开关的状态N由PA口输入。

N=00H，即所有开关接地，则D=0

N=FFH，即所有开关接电源，则D=1电机转速V和开关状态的关系为其中Vmax为电机在恒压下的转速第40页，共78页，2023年，2月20日，星期四2.开环脉冲调速系统程序设计脉冲宽度的调制可通过软件延时法实现。软件延时法就是利用程序使控制电压保持t秒的时间，再关断τ-t秒的时间，则可实现占空比为τ/t的控制信号的输出。PC5第41页，共78页，2023年，2月20日，星期四3.电机控制接口直流电机与微机接口可采用以下4种方法实现连接。光电隔离器+大功率场效应管固态继电器专用接口芯片专用接口板采用固态继电器的直流电机接口连接方法10第42页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.3.3PWM调速系统设计根据V=Vmax×D，求出D，再求出脉冲宽度（通电时间）电机控制程序的设计方法：软件延时法和计数法软件延时法：Tt1t2通电，延时t1后，断电，延时t2后第43页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.3.3PWM调速系统设计计数法：电机通电N1个单位时间，断电N2个单位时间。通电单位时间的次数n1，断电单位时间的次数n2过程：输出控制脉冲（通电），n1开始计数（从0开始）n1<N1，继续输出控制脉冲n1=N1，电机断电，n2开始计数（从0开始）n2<N2，继续断电n2=N2第44页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.3.3PWM调速系统设计1、双向直流电机控制原理电机旋转方向控制原理图如下图所示。开关S1和S4闭合，电机正向旋转开关S2和S3闭合，电机反向旋转开关S3和S4闭合，电机绕组被短路，

处于刹车状态所有开关都打开，电机处于自由滑

行状态第45页，共78页，2023年，2月20日，星期四电机的工作状态真值表如表3-6所示。第46页，共78页，2023年，2月20日，星期四2、控制接口电路PB口为输入方式，控制8个开关提供脉冲宽度给定值PA口为输出方式，控制输出模型PC0=0，输出正传模型02HPC0=1，输出反传模型01HPC口为输入方式：PC0控制方向PC1控制电机启动和停止第47页，共78页，2023年，2月20日，星期四PC0=0，正传，输出02H02H=00000010BPA1=1，PA0=00101000101010√√××√√××第48页，共78页，2023年，2月20日，星期四10第49页，共78页，2023年，2月20日，星期四01输出01H01H=00000001BPA1=0，PA0=1反转第50页，共78页，2023年，2月20日，星期四从PB口从PC口03H02H01H电机通电00H电机断电第51页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.4步进电机的控制接口技术

步进电动机是纯粹的数字控制电动机。它将电脉冲信号转换成角位移，即给一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度，因此非常适合单片机控制。特点：输入信号为脉冲信号能够直接接受计算机的数字信号，而不需要进行数/模转换惯性很小，在允许的负荷范围内，可以实现立即启动和立即停止定位精度非常高，不会产生旋转量的误差积累第52页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.4.1步进电机的工作原理4.4.2步进电机控制系统的原理4.4.3步进电机与微型机的接口程序设计第53页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.4.1步进电机的工作原理1、步进电机的结构原理图如下图所示定子：有6个均匀分布的磁极相对的磁极构成一相相邻的两个磁极间的夹角为60°磁极的极身绕有控制绕组磁极的磁靴上均匀分布5个矩形小齿转子：没有绕组，均匀分布40个矩形小齿，相邻两齿夹角为9°。AA’BB’CC’第54页，共78页，2023年，2月20日，星期四2、步进电机的旋转：错齿是步进电机旋转的根本原因。当某相绕组通电时，该绕组对应的两个磁极产生磁场。如果此时定子的小齿和转子的小齿没对齐，则转子在磁场的作用下旋转一定的角度，使转子的小齿和定子的小齿对齐。第55页，共78页，2023年，2月20日，星期四举例：①假设A相通电，B、C相不通电，则在磁场的作用下，转子的某个小齿（假设为0号齿）和A相中间的小齿对齐。∵A相和B相相差120°，13×9°=117°∴第13号小齿靠近B相磁极的中心线，且与中心线相差3°②变为B相通电，A、C相不通电，则在磁场的作用下，转子的第13号小齿和B相中间的小齿对齐，即整个转子旋转了3°，步进电机走了一步。∵B相和C相相差120°，13×9°=117°∴第26号小齿靠近C相磁极的中心线，且与中心线相差3°③变为C相通电，A、B相不通电，则在磁场的作用下，转子的第26号小齿和C相中间的小齿对齐，即整个转子旋转了3°，步进电机走了一步。∴按照A→B→C→A的顺序轮流通电一周，则转子旋转9°第56页，共78页，2023年，2月20日，星期四磁阻式步进电机的步距角（Qs）的计算：第57页，共78页，2023年，2月20日，星期四例：第58页，共78页，2023年，2月20日，星期四4.4.2步进电机控制系统的原理1、典型的步进电机控制系统的组成典型的步进电机控制系统如下图所示：步进控制器：把输入的脉冲转换成环型脉冲，以便控制步进电机，并能进行正、反向控制。功率放大器：把环型脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。第59页，共78页，2023年，2月20日，星期四2、微机控制的步进电机控制系统如果用软件代替步进控制器，就可以根据系统需要通过编程的方法在一定的范围之内任意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制步进电机的运行状态。利用单片机控制步进电机可以大大简化控制电路，降低成本，提高系统的可靠性和灵活性。典型的微机控制步进电机的系统原理框图如下图所示。第60页，共78页，2023年，2月20日，星期四利用微机现对步进电机的控制，必须解决以下两个问题：

1、脉冲序列的形成

2、步进电机旋转方向控制

第61页，共78页，2023年，2月20日，星期四①脉冲序列的形成用计算机控制步进电机实际上是由计算机产生一系列脉冲波。实现方法：先输出一个高电平，延时一段时间后，再输出一个低电平，然后再延时。在微机控制系统中，延时可通过软件或定时器实现。第62页，共78页，2023年，2月20日，星期四利用软件形成脉冲序列的程序流程图如下图所示：第63页，共78页，2023年，2月20日，星期四②步进电机旋转方向控制：步进电机的旋转方向和内部绕组的通电顺序及通电方式有关。通电方式：三相单三拍方式：正向旋转，通电顺序为A→B→C→A

反向旋转，通电顺序为A→C→B→A三相双三拍方式：正向旋转，通电顺序为AB→BC→CA→AB

反向旋转，通电顺序为AB→CA→BC→AB三相六拍方式：正向旋转，通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A

反向旋转，通电顺序为A→CA→C→BC→B→AB→A第64页，共78页，2023年，2月20日，星期四旋转方向的控制步骤：（1）用单片机的一位输出口控制步进电机的一相绕组例如，可以用P1.0、P1.1、P1.2分别控制A相、B相和

C相绕组。（2）根据步进电机的类型和控制方式找出相应的控制模型（3）按照控制方式规定的顺序向步进电机发送脉冲序列，即

可控制步进电机的旋转方向。第65页，共78页，2023年，2月20日，星期四控制方式的数序模型：用P1.0、P1.1、P1.2分别控制A相、B相和C相绕组则P1口：（1）三相单三拍方式正转：A0000000101H反转：A0000000101HB0000001002HC0000010004H

C0000010004HB0000001002HA0000000101HA0000000101HCBAABC第66页，共78页，2023年，2月20日，星期四（2）三相双三拍方式正转：AB0000001103H反转：AB0000001103HBC0000011006HCA0000010105H

CA0000010105HBC0000011006HAB0000001103HAB0000001103HABC第67页，共78页，2023年，2月20日，星期四（3）三相六拍方式正转：A0000000101H反转：A0000000101HAB0000001103HCA0000010105H

B0000001002HC0000010004HBC0000011006HBC0000011006HC0000010004HB0000001002HCA0000010105HAB0000001103H

A0000000101HA0000000101HABCABBCCA第68页