第2章 家用電器控制系統(tǒng)

1、第2章 家用電器的控制系統(tǒng) 本章要點 控制系統(tǒng)的概念與控制的基本原理 家用電器的程序控制 單片機與家用電器的智能控制 單片機與家用電器之間的接口電路2.1.1控制系統(tǒng)的幾個概念控制系統(tǒng)的幾個概念1.控制系統(tǒng)與控制對象 完成控制任務需要由若干分工明確的單元協(xié)同工作，其中任完成控制任務需要由若干分工明確的單元協(xié)同工作，其中任何部分都不能獨立完成何部分都不能獨立完成工作工作，這些為完成某項控制任務而相互聯(lián)，這些為完成某項控制任務而相互聯(lián)系在一起的單元構成一個控制系統(tǒng)，簡稱為系統(tǒng)。系在一起的單元構成一個控制系統(tǒng)，簡稱為系統(tǒng)。 2.輸入量與輸出量輸入量與輸出量 能夠進入系統(tǒng)對控制對象有影響的作用稱為輸入

2、量。在控制能夠進入系統(tǒng)對控制對象有影響的作用稱為輸入量。在控制系統(tǒng)中，隨輸入量發(fā)生變化的物理量稱為被控制量或輸出量。系統(tǒng)中，隨輸入量發(fā)生變化的物理量稱為被控制量或輸出量。在實際條件下，一臺設備或一個過程，可能受許多外部作用，但在實際條件下，一臺設備或一個過程，可能受許多外部作用，但是不可能考慮所有的外部作用，一般只考慮對輸出量有重大影響是不可能考慮所有的外部作用，一般只考慮對輸出量有重大影響的有限數目的外部作用。在實際分析系統(tǒng)時，只把這些主要的外的有限數目的外部作用。在實際分析系統(tǒng)時，只把這些主要的外部作用，作為輸入量。部作用，作為輸入量。 從對控制對象和輸出的影響來看，輸入量可分為兩種不同的

3、類從對控制對象和輸出的影響來看，輸入量可分為兩種不同的類型。一種類型的輸入量是保證控制對象的運行達到所要求的目標，型。一種類型的輸入量是保證控制對象的運行達到所要求的目標，這一類輸入量稱為控制量或基準量。另一類輸入量則相反，它妨這一類輸入量稱為控制量或基準量。另一類輸入量則相反，它妨礙達到目標，這類作用稱為擾動作用或擾動量?？刂茖嶋H上就是礙達到目標，這類作用稱為擾動作用或擾動量?？刂茖嶋H上就是在控制系統(tǒng)中令輸出量按照輸入量的要求變化。在控制系統(tǒng)中令輸出量按照輸入量的要求變化。2.1.2控制系統(tǒng)的基本結構控制系統(tǒng)的基本結構 控制系統(tǒng)按其結構可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。還控制系統(tǒng)按其結構可分

4、為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。還可以將兩者結合起來，組成復合控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的結構與功能是可以將兩者結合起來，組成復合控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的結構與功能是統(tǒng)一的，不同的結構對應著不同的功能。同樣，要具有某種功能，統(tǒng)一的，不同的結構對應著不同的功能。同樣，要具有某種功能，也必須有相應的結構。也必須有相應的結構。1.開環(huán)控制系統(tǒng)的結構和特點開環(huán)控制系統(tǒng)的結構和特點 如果控制系統(tǒng)中，輸出量不影響輸入量，這種系統(tǒng)被稱為開如果控制系統(tǒng)中，輸出量不影響輸入量，這種系統(tǒng)被稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。環(huán)控制系統(tǒng)。 2.閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本結構特點閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本結構特點 這一類系統(tǒng)把輸出量直接或間接地反饋到比較環(huán)節(jié)形成閉環(huán)這一類

5、系統(tǒng)把輸出量直接或間接地反饋到比較環(huán)節(jié)形成閉環(huán)結構，參與系統(tǒng)對輸出量的控制，所以稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于結構，參與系統(tǒng)對輸出量的控制，所以稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于系統(tǒng)是根據負反饋原理按偏差進行控制的，因此，也叫做反饋控系統(tǒng)是根據負反饋原理按偏差進行控制的，因此，也叫做反饋控制系統(tǒng)或偏差控制系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，通過系統(tǒng)的采樣環(huán)制系統(tǒng)或偏差控制系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，通過系統(tǒng)的采樣環(huán)節(jié)，提取出與輸出量的變化規(guī)律相同的采樣信號，由反饋通道送節(jié)，提取出與輸出量的變化規(guī)律相同的采樣信號，由反饋通道送入比較環(huán)節(jié)入比較環(huán)節(jié)(反饋反饋)，在比較環(huán)節(jié)中采樣信號與基準輸入量進行比，在比較環(huán)節(jié)中采樣信號與基準輸入量

6、進行比較較(相減相減)，再利用比較之后得到的偏差信號控制驅動環(huán)節(jié)，改變，再利用比較之后得到的偏差信號控制驅動環(huán)節(jié)，改變輸出給控制對象輸出給控制對象(執(zhí)行機構執(zhí)行機構)的能量大小，從而抑制內部或外部擾的能量大小，從而抑制內部或外部擾動對輸出量的影響，維持輸出量的穩(wěn)定。動對輸出量的影響，維持輸出量的穩(wěn)定。 單片機與家用電器的接口電路 單片機要接受來自家用電器的各種狀單片機要接受來自家用電器的各種狀態(tài)信號，同時又將控制信號送出，以驅動態(tài)信號，同時又將控制信號送出，以驅動有關部件工作，因此接口非常重要。本節(jié)有關部件工作，因此接口非常重要。本節(jié)重點介紹單片機與家用電器之間的輸入、重點介紹單片機與家用電器

7、之間的輸入、輸出接口，顯示接口，功率驅動接口和磁輸出接口，顯示接口，功率驅動接口和磁控管接口電路的工作原理?？毓芙涌陔娐返墓ぷ髟怼?.5.1輸入信號接口輸入信號接口 1.開關信號接口 (1) 門或蓋開關接口門或蓋開關接口 開關信號主要來自電冰開關信號主要來自電冰箱、洗衣機、微波爐、電烤箱、洗衣機、微波爐、電烤箱等的門開關或蓋開關，其箱等的門開關或蓋開關，其接口電路較為簡單（如圖所接口電路較為簡單（如圖所示）。當單片機示）。當單片機PD7566內內部有上拉電阻時，外部電阻部有上拉電阻時，外部電阻R可以不接。當單片機檢測到可以不接。當單片機檢測到門開關或蓋開關閉合時門開關或蓋開關閉合時,輸入輸入

8、電平為電平為0，控制家用電器工作。，控制家用電器工作。否則，輸入電平為否則，輸入電平為1，家用電，家用電器停止工作。器停止工作。(2)過壓、過流信號接口過壓、過流信號接口 在家電產品在家電產品中，有時需對負中，有時需對負載能力和輸出控載能力和輸出控制電路的電壓進制電路的電壓進行控制，以免引行控制，以免引起家電產品的損起家電產品的損壞。過壓信號接壞。過壓信號接口的原理圖如圖，口的原理圖如圖，過流信號接口與過流信號接口與過壓信號接口的過壓信號接口的差別是過流信號差別是過流信號接口電路用電流接口電路用電流互感器互感器TB代替了代替了過壓信號接口的過壓信號接口的變壓器變壓器T。2.模擬信號接口 (1)

9、溫度信號接口溫度信號接口 在電熱器具、制冷空調等家電產品中，一般采用在電熱器具、制冷空調等家電產品中，一般采用熱敏三極管對溫度進行檢測。溫度信號為模擬信號，熱敏三極管對溫度進行檢測。溫度信號為模擬信號，需要轉換為數字信號才能用單片機進行處理，因此通需要轉換為數字信號才能用單片機進行處理，因此通常要選用含有常要選用含有AD轉換器的單片機。某些單片機中，轉換器的單片機。某些單片機中，用比較器的輸入端接收檢測到的模擬信號，若單片機用比較器的輸入端接收檢測到的模擬信號，若單片機中無中無AD轉換和比較器時，可用定時計數器接收模擬轉換和比較器時，可用定時計數器接收模擬溫度信號，但溫度檢測電路需有模擬頻率轉

10、換功能。溫度信號，但溫度檢測電路需有模擬頻率轉換功能。1) 溫度信號的模擬接口電路溫度信號的模擬接口電路 溫度信號的模擬接口電路如圖溫度信號的模擬接口電路如圖2-30所示，所示，MTSl02為測溫三極管，比較器為測溫三極管，比較器A1為阻抗匹配器，比較器為阻抗匹配器，比較器A2為一反相為一反相放大器，這樣放大器，這樣A2輸出端輸出端UOUT就可接到單片機的就可接到單片機的AD輸入端，利用單輸入端，利用單片機內部的片機內部的AD轉換器將模擬信號轉換為數字信號。對于常用的單轉換器將模擬信號轉換為數字信號。對于常用的單片機片機pPD7566，其接口如左圖所示。對于電冰箱、空調器的控制，可，其接口如左

11、圖所示。對于電冰箱、空調器的控制，可利用熱敏電阻進行測溫，熱敏電阻直接連接在利用熱敏電阻進行測溫，熱敏電阻直接連接在pPD7566的比較器的比較器Cin0Cin3輸入端輸入端,如右圖所示。如右圖所示。 2) 溫度信號的頻率接口溫度信號的頻率接口 溫度信號的頻率接口電路如圖溫度信號的頻率接口電路如圖2-33所示，在該電路中，所示，在該電路中，R4為為限流電阻，可使限流電阻，可使VT2(MTSl02)集電極電流為集電極電流為0.1mA，以保證，以保證VT2(MTSl02)處于較好的測溫狀態(tài)，脈沖發(fā)生器由電阻處于較好的測溫狀態(tài)，脈沖發(fā)生器由電阻R2、R3、電位器電位器RP1、RP2、電容、電容C1和

12、單結晶體管和單結晶體管VT1組成組成,脈沖頻率與脈沖頻率與RC回路和單結晶體管回路和單結晶體管VT1的峰值電壓有關，的峰值電壓有關，MTSl02對溫度檢測后，對溫度檢測后，將溫度值轉換成一定頻率的脈沖，再送入單片機的將溫度值轉換成一定頻率的脈沖，再送入單片機的IO接口或定接口或定時計數器。此種接口電路可在電冰箱、空調器中得到應用。時計數器。此種接口電路可在電冰箱、空調器中得到應用。 (2) (2)給定信號模擬接口給定信號模擬接口 用電位器用電位器RPRP選定給定值選定給定值, ,直接送入單片機直接送入單片機的的A/DA/D輸入端輸入端, ,如左圖所示。如左圖所示。 (3)(3)過流信號模擬接口

13、過流信號模擬接口 此接口與開關信號輸入接口中的過流信此接口與開關信號輸入接口中的過流信號接口相似號接口相似, ,如右圖所示如右圖所示, ,圖中圖中OPOP為運算放大器。為運算放大器。 2.5.2 輸出信號接口輸出信號接口 1.開關信號輸出接口開關信號接口可直開關信號接口可直接驅動發(fā)光二極管、接驅動發(fā)光二極管、繼電器、晶體管或繼電器、晶體管或晶閘管等，如圖所晶閘管等，如圖所示 。 當 單 片 機示 。 當 單 片 機PD7566的的IO線線P90輸出高電平時，輸出高電平時，流經發(fā)光二極管流經發(fā)光二極管VD的電流極小，不能的電流極小，不能發(fā)光，當發(fā)光，當P90輸出低輸出低電平時，流經電平時，流經V

14、D的的電流達電流達10mA，故，故VD發(fā)光。此端口灌入發(fā)光。此端口灌入電流可達電流可達15mA，輸，輸出電壓出電壓9V，具有較，具有較強的負載能力。強的負載能力。2.數字信號輸出接口數字信號輸出接口 (1)數字顯示碼的數字顯示碼的輸出接口輸出接口 單片機單片機IO線直線直接到接到LED顯示器顯示器的陰極，的陰極，LED顯顯示器采用共陽極示器采用共陽極方式，如圖所示。方式，如圖所示。這是由于單片機這是由于單片機的的IO線可允許線可允許10mA的灌入電的灌入電流，而拉出電流流，而拉出電流僅僅5mA。(2)鍵盤掃描碼的輸出接口鍵盤掃描碼的輸出接口在鍵盤掃描碼的輸出接口電路中，在鍵盤掃描碼的輸出接口電

15、路中，Pl00P102 I/O線是掃描碼的輸出端，線是掃描碼的輸出端，P10P13IO線用線用于接收鍵盤的按鍵信號，如左圖所示。于接收鍵盤的按鍵信號，如左圖所示。 (3)DA轉換的數字輸出接口轉換的數字輸出接口 在單片機在單片機控制的家用電器中，為進行數字模擬信號控制的家用電器中，為進行數字模擬信號的轉換，一般將數字送到的轉換，一般將數字送到 IO接口，而在端接口，而在端口外加電阻解碼網絡口外加電阻解碼網絡(T型網絡型網絡)來產生模擬信來產生模擬信號。在號。在DA轉換的數字輸出接口中，轉換的數字輸出接口中，Pl00用用于輸出數字的最高位，于輸出數字的最高位，P103用于輸出數字的最用于輸出數字

16、的最低位。如右圖所示。低位。如右圖所示。2.5.3功率驅動接口功率驅動接口 單片機是微電子器件，輸出的信號功率很小，要單片機是微電子器件，輸出的信號功率很小，要驅動大功率的加熱元件驅動大功率的加熱元件(如電飯鍋中的加熱元件等如電飯鍋中的加熱元件等)和電和電動機動機(如洗衣機中的洗滌與脫水電動機，電冰箱與空調如洗衣機中的洗滌與脫水電動機，電冰箱與空調器的壓縮機電動機等器的壓縮機電動機等)，就需要兩者相互匹配的中間電，就需要兩者相互匹配的中間電路，此種電路就是功率驅動接口。路，此種電路就是功率驅動接口。1.電動機驅動接口 (1)開關控制方式開關控制方式 在電冰箱與空在電冰箱與空調器中，壓縮機的調器

17、中，壓縮機的工作是由電動機帶工作是由電動機帶動的，因負載較大，動的，因負載較大，在低速運行時易燒在低速運行時易燒壞電動機。因而壓壞電動機。因而壓縮機電動機的控制縮機電動機的控制采用開關方式。采用開關方式。 在壓縮機電動在壓縮機電動機的控制接口電路機的控制接口電路中，有兩種控制接中，有兩種控制接口電路；直接邏輯口電路；直接邏輯電平耦合電路和光電平耦合電路和光電耦合電路，如圖電耦合電路，如圖所示所示。(2)調壓控制方式調壓控制方式 空調器中的風扇電動機、空調器中的風扇電動機、落地扇等，可以利用調落地扇等，可以利用調壓控制方式調節(jié)電動機壓控制方式調節(jié)電動機轉速。此方式的接口電轉速。此方式的接口電路如

18、圖所示。圖中，上路如圖所示。圖中，上面面種是典型的電容運種是典型的電容運轉電動機調速電路。主轉電動機調速電路。主要由光電耦合器要由光電耦合器OC1、雙、雙向晶閘管向晶閘管VS，和電動機，和電動機M1組成。下面一種接口組成。下面一種接口同上面一種基本相同，同上面一種基本相同，但電動機啟動電路不一但電動機啟動電路不一樣：當樣：當VS2導通后，流經導通后，流經電動機主繞組電流較大，電動機主繞組電流較大，在在R7上產生較大的壓降，上產生較大的壓降，使使VS2導通，副繞組得電，導通，副繞組得電，這時電機啟動運行。電這時電機啟動運行。電動機啟動完成后，主繞動機啟動完成后，主繞組電流趨于穩(wěn)定組電流趨于穩(wěn)定(

19、比啟動比啟動電流小電流小)，VS2截止，這時截止，這時只有主繞組參與運行。只有主繞組參與運行。2.加熱器件驅動接口加熱器件驅動接口 在加熱器件的驅動接口中，如圖所示，有以下三種接口形在加熱器件的驅動接口中，如圖所示，有以下三種接口形式：式： (1)最上面一種接口形式最上面一種接口形式 當當IO輸出低電平輸出低電平“0”時，雙向晶時，雙向晶閘管閘管VS1導通，加熱絲通電加熱，當單片機輸出高電平導通，加熱絲通電加熱，當單片機輸出高電平“1”時，時，雙向晶閘雙向晶閘VS1截止，加熱絲停止加熱。截止，加熱絲停止加熱。 (2)中間一種接口形式中間一種接口形式 當單片機輸出高電平時，晶體管當單片機輸出高電平時，晶體管VT1導導通，觸發(fā)通，觸發(fā)VS2導通，加熱絲加熱，當單片機輸出低電平時，導通，加熱絲加熱，當單片機輸出低電平時，VT1、VS2均截止，加熱絲停止加熱。均截止，加熱絲停止加熱。 (3)最下面一種接口形式最下面一種接口形式 單片機輸出高電平時，發(fā)光二極管單片機輸出高電平時，發(fā)光二極管VD2無電流通過，不發(fā)光，光敏三極管無電流通過，不發(fā)光，光敏三極管 VT2截止，雙向晶閘管截止，雙向晶閘管VS3導通，加熱絲進行加熱，單片機輸出低電平時，導通，加熱絲進行加熱，單片機輸出低電平時，VT2導通，導通，VS3截截止，加熱絲停止加熱。止，加熱絲停止加熱。加熱器件的驅動接口電路加熱器