家用电器控制系统

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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• 能能够够进进入入系系统统对对控控制制对对象象有有影影响响的的作作用用称称为为输输入入量量在在控控制制系统中，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•在在实实际际条条件件下下，，一一台台设设备备或或一一个个过过程程，，可可能能受受许许多多外外部部作作用用，，但但是是不不可可能能考考虑虑所所有有的的外外部部作作用用，，一一般般只只考考虑虑对对输输出出量量有有重重大大影影响响的的有有限限数数目目的的外外部部作作用用。

在在实实际际分分析析系系统统时时，，只只把把这这些些主主要要的的外外部作用，作为输入量部作用，作为输入量• 从从对对控控制制对对象象和和输输出出的的影影响响来来看看，，输输入入量量可可分分为为两两种种不不同同的的类类型型一一种种类类型型的的输输入入量量是是保保证证控控制制对对象象的的运运行行达达到到所所要要求求的的目目标标，，这这一一类类输输入入量量称称为为控控制制量量或或基基准准量量另另一一类类输输入入量量则则相相反反，，它它妨妨碍碍达达到到目目标标，，这这类类作作用用称称为为扰扰动动作作用用或或扰扰动动量量控控制制实实际际上上就就是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 •        控控制制系系统统按按其其结结构构可可分分为为开开环环控控制制系系统统和和闭闭环环控控制制系系统统还还可可以以将将两两者者结结合合起起来来，，组组成成复复合合控控制制系系统统系系统统的的结结构构与与功功能能是是统统一一的的，，不不同同的的结结构构对对应应着着不不同同的的功功能能同同样样，，要要具具有有某某种种功功能能，，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• 如如果果控控制制系系统统中中，，输输出出量量不不影影响响输输入入量量，，这这种种系系统统被被称称为为开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 •        单单片片机机要要接接受受来来自自家家用用电电器器的的各各种种状状态态信信号号，，同同时时又又将将控控制制信信号号送送出出，，以以驱驱动动有有关关部部件件工工作作，，因因此此接接口口非非常常重重要要本本节节重重点点介介绍绍单单片片机机与与家家用用电电器器之之间间的的输输入入、、输输出出接接口口，，显显示示接接口口，，功功率率驱驱动动接接口口和和磁磁控控管管接接口口电路的工作原理电路的工作原理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 • 开开关关信信号号主主要要来来自自电电冰冰箱箱、、洗洗衣衣机机、、微微波波炉炉、、电电烤烤箱箱等等的的门门开开关关或或盖盖开开关关，，其其接接口口电电路路较较为为简简单单（（如如图图所所示示））当当单单片片机机μPD7566内内部部有有上上拉拉电电阻阻时时，，外外部部电电阻阻R可可以以不不接接当当单单片片机机检检测测到到门门开开关关或或盖盖开开关关闭闭合合时时,输输入入电电平平为为0，，控控制制家家用用电电器器工工作作。

否否则则，，输输入入电电平平为为1，，家家用用电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•      在在家家电电产产品品中中，，有有时时需需对对负负载载能能力力和和输输出出控控制制电电路路的的电电压压进进行行控控制制，，以以免免引引起起家家电电产产品品的的损损坏坏过过压压信信号号接接口口的的原原理理图图如如图图，，过过流流信信号号接接口口与与过过压压信信号号接接口口的的差差别别是是过过流流信信号号接接口口电电路路用用电电流流互互感感器器TB代代替替了了过过压压信信号号接接口口的的变压器变压器T2.模拟信号接口•      (1)温度信号接口温度信号接口 • 在在电电热热器器具具、、制制冷冷空空调调等等家家电电产产品品中中，，一一般般采采用用热热敏敏三三极极管管对对温温度度进进行行检检测测温温度度信信号号为为模模拟拟信信号号，，需需要要转转换换为为数数字字信信号号才才能能用用单单片片机机进进行行处处理理，，因因此此通通常常要要选选用用含含有有A／／D转转换换器器的的单单片片机机某某些些单单片片机机中中，，用用比比较较器器的的输输入入端端接接收收检检测测到到的的模模拟拟信信号号，，若若单单片片机机中中无无A／／D转转换换和和比比较较器器时时，，可可用用定定时时计计数数器器接接收收模模拟拟温度信号，但温度检测电路需有模拟／频率转换功能。

温度信号，但温度检测电路需有模拟／频率转换功能1) 温温度度信信号号的的模模拟拟接接口口电电路路 温温度度信信号号的的模模拟拟接接口口电电路路如如图图2-30所所示示，，MTSl02为为测测温温三三极极管管，，比比较较器器A1为为阻阻抗抗匹匹配配器器，，比比较较器器A2为为一一反反相相放放大大器器，，这这样样A2输输出出端端UOUT就就可可接接到到单单片片机机的的A／／D输输入入端端，，利利用用单单片片机机内内部部的的A／／D转转换换器器将将模模拟拟信信号号转转换换为为数数字字信信号号对对于于常常用用的的单单片片机机pPD7566，，其其接接口口如如左左图图所所示示对对于于电电冰冰箱箱、、空空调调器器的的控控制制，，可可利利用用热热敏敏电电阻阻进进行行测测温温，，热热敏敏电电阻阻直直接接连连接接在在pPD7566的的比比较较器器Cin0～～Cin3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I／／O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)给给定定信信号号模模拟拟接接口口 用用电电位位器器RPRP选选定定给给定定值值, ,直直接接送送入入单单片片机机的的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•开开关关信信号号接接口口可可直直接接驱驱动动发发光光二二极极管管、、继继电电器器、、晶晶体体管管或或晶晶闸闸管管等等，，如如图图所所示示当当单单片片机机μPD7566的的I／／O线线P90输输出出高高电电平平时时，，流流经经发发光光二二极极管管VD的的电电流流极极小小，，不不能能发发光光，，当当P90输输出出低低电电平平时时，，流流经经VD的的电电流流达达10mA，，故故VD发发光光此此端端口口灌灌入入电电流流可可达达15mA，，输输出出电电压压9V，，具具有较强的负载能力。

有较强的负载能力2.数字信号输出接口数字信号输出接口 •(1)数数字字显显示示码码的输出接口的输出接口 •单单片片机机I／／O线线直直接接到到LED显显示示器器的的阴阴极极，，LED显显示示器器采采用用共共阳阳极极方方式式，，如如图图所所示示这这是是由由于于单单片片机机的的I／／O线线可可允允许许10mA的的灌灌入入电电流流，，而而拉拉出出电电流流仅仅5mA(2)键盘扫描码的输出接口键盘扫描码的输出接口•在在键键盘盘扫扫描描码码的的输输出出接接口口电电路路中中，，Pl00～～P102 I/O线线是是扫扫描描码码的的输输出出端端，，P10～～P13I／／O线线用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)D／／A转转换换的的数数字字输输出出接接口口 在在单单片片机机控控制制的的家家用用电电器器中中，，为为进进行行数数字字／／模模拟拟信信号号的的转转换换，，一一般般将将数数字字送送到到 I／／O接接口口，，而而在在端端口口外外加加电电阻阻解解码码网网络络(T型型网网络络)来来产产生生模模拟拟信信号号在在D／／A转转换换的的数数字字输输出出接接口口中中，，Pl00用用于于输输出出数数字字的的最最高高位位，，P103用用于于输输出出数数字字的的最最低位。

如右图所示如右图所示2.5.3功率驱动接口功率驱动接口 •        单单片片机机是是微微电电子子器器件件，，输输出出的的信信号号功功率率很很小小，，要要驱驱动动大大功功率率的的加加热热元元件件(如如电电饭饭锅锅中中的的加加热热元元件件等等)和和电电动动机机(如如洗洗衣衣机机中中的的洗洗涤涤与与脱脱水水电电动动机机，，电电冰冰箱箱与与空空调调器器的的压压缩缩机机电电动动机机等等)，，就就需需要要两两者者相相互互匹匹配配的的中中间间电路，此种电路就是功率驱动接口电路，此种电路就是功率驱动接口1.电动机驱动接口•      (1)开开关关控控制制方方式式 • 在在电电冰冰箱箱与与空空调调器器中中，，压压缩缩机机的的工工作作是是由由电电动动机机带带动动的的，，因因负负载载较较大大，，在在低低速速运运行行时时易易烧烧坏坏电电动动机机因因而而压压缩缩机机电电动动机机的的控控制制采用开关方式采用开关方式• 在在压压缩缩机机电电动动机机的的控控制制接接口口电电路路中中，，有有两两种种控控制制接接口口电电路路；；直直接接逻逻辑辑电电平平耦耦合合电电路路和和光光电电耦耦合合电电路路，，如如图图所示所示。

(2)调压控制方式调压控制方式 •空空调调器器中中的的风风扇扇电电动动机机、、落落地地扇扇等等，，可可以以利利用用调调压压控控制制方方式式调调节节电电动动机机转转速速此此方方式式的的接接口口电电路路如如图图所所示示图图中中，，上上面面—种种是是典典型型的的电电容容运运转转电电动动机机调调速速电电路路主主要要由由光光电电耦耦合合器器OC1、、双双向向晶晶闸闸管管VS，，和和电电动动机机M1组组成成下下面面一一种种接接口口同同上上面面一一种种基基本本相相同同，，但但电电动动机机启启动动电电路路不不一一样样：：当当VS2导导通通后后，，流流经经电电动动机机主主绕绕组组电电流流较较大大，，在在R7上上产产生生较较大大的的压压降降，，使使VS2导导通通，，副副绕绕组组得得电电，，这这时时电电机机启启动动运运行行电电动动机机启启动动完完成成后后，，主主绕绕组组电电流流趋趋于于稳稳定定(比比启启动动电电流流小小)，，VS2截截止止，，这这时只有主绕组参与运行时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，有以下三种接口形式：在加热器件的驱动接口中，如图所示，有以下三种接口形式：• (1)最最上上面面一一种种接接口口形形式式 当当I／／O输输出出低低电电平平“0”时时，，双双向向晶晶闸闸管管VS1导导通通，，加加热热丝丝通通电电加加热热，，当当单单片片机机输输出出高高电电平平“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)中中间间一一种种接接口口形形式式 当当单单片片机机输输出出高高电电平平时时，，晶晶体体管管VT1导导通通，，触触发发VS2导导通通，，加加热热丝丝加加热热，，当当单单片片机机输输出出低低电电平平时时，，VT1、、VS2均截止，加热丝停止加热均截止，加热丝停止加热• (3)最最下下面面一一种种接接口口形形式式 单单片片机机输输出出高高电电平平时时，，发发光光二二极极管管VD2无无电电流流通通过过，，不不发发光光，，光光敏敏三三极极管管 VT2截截止止，，双双向向晶晶闸闸管管VS3导导通通，，加加热热丝丝进进行行加加热热，，单单片片机机输输出出低低电电平平时时，，VT2导导通通，，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件的驱动接口电路     2.5.4 显示器接口显示器接口•在在家家电电产产品品(如如洗洗衣衣机机、、空空调调器器等等)中中，，有有时时需需显显示示有有关关状状态态，，如如温温度度、、时时间间等等现现在在广广泛泛应应用用的的是是发发光光二二极极管管显显示示器器(发发光光二二极极管管七七段段显显示示器器)。

• 发光二极管显示器有发光二极管显示器有共阴极和共阳极两种结共阴极和共阳极两种结构，如图构，如图2-43所示在不同的场合可以选择相不同的场合可以选择相应的结构，以组成较好应的结构，以组成较好的逻辑系统当显示字的逻辑系统当显示字形时，形时，a～～g各段相应段各段相应段应通过电流，如显示应通过电流，如显示““0””时，时，LED的的a、、b、、d、、e、、f段均应通过电段均应通过电流，而流，而g段不能通过电段不能通过电流2.5.5 磁控管接口磁控管接口 •磁磁控控管管是是微微波波炉炉的的心心脏脏，，因因工工作作电电压压较较高高，，单单片片机机不不可可能能直直接接进进行行控控制制，，而而是是采采用用对对磁磁控控管管的的高高压压变变压压器器一次侧进行开关控制一次侧进行开关控制• 磁磁控控管管的的接接口口电电路路如如图图所所示示当当I／／O线线输输出出低低电电子子时时，，固固态态继继电电器器接接通通变变压压器器初初级级线线圈圈，，次次级级产产生生高高压压，，磁磁控控管管工工作作；；当当单单片片机机I／／O线线输输出出高高电电平平时时，，高高压压变变压压器器初初级级断断开开，，磁磁控控管管因因不得电而停止工作不得电而停止工作。

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