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
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，其中任何部分都不能独立完成工作，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。
2.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 。
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 。
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,
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
控制系统按其结构可分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 。
1.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,这种系统被称为开环控制系统 。
2.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，由反馈通道送入比较环节 (反馈 )，在比较环节中采样信号与基准输入量进行比较 (相减 )，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 (执行机构 )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。
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 。 本节重点介绍单片机与家用电器之间的输入,
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 。
2.5.1输入信号接口
1.开关信号接口
(1) 门或盖开关接口
开关信号主要来自电冰箱,洗衣机,微波炉,电烤箱等的门开关或盖开关,其接口电路较为简单 （ 如图所示 ） 。 当单片机 μPD7566内部有上拉电阻时,外部电阻 R
可以不接 。 当单片机检测到门开关或盖开关闭合时,输入电平为 0,控制家用电器工作 。
否则,输入电平为 1,家用电器停止工作 。
(2)过压、过流信号接口
在家电产品中,有时需对负载能力和输出控制电路的电压进行控制,以免引起家电产品的损坏 。 过压信号接口的原理图如图,
过流信号接口与过压信号接口的差别是过流信号接口电路用电流互感器 TB代替了过压信号接口的变压器 T。
2.模拟信号接口
(1)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,因此通常要选用含有 A／ D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,若单片机中无 A／ D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如图 2-30所示,
MTSl02为测温三极管,比较器 A1为阻抗匹配器,比较器 A2为一反相放大器,这样 A2输出端 UOUT就可接到单片机的 A／ D输入端,利用单片机内部的 A／ D转换器将模拟信号转换为数字信号 。 对于常用的单片机 pPD7566,其接口如左图所示 。 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 pPD7566的比较器
Cin0～ Cin3输入端,如右图所示 。
2) 温度信号的频率接口
温度信号的频率接口电路如图 2-33所示，在该电路中,R4为限流电阻，可使 VT2(MTSl02)集电极电流为 0.1mA，以保证
VT2(MTSl02)处于较好的测温状态，脉冲发生器由电阻 R2,R3、
电位器 RP1,RP2、电容 C1和单结晶体管 VT1组成,脉冲频率与 RC
回路和单结晶体管 VT1的峰值电压有关,MTSl02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 I／ O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。
(2)给定信号模拟接口 用电位器 RP选定给定值,直接送入单片机的 A/D输入端,如左图所示 。
(3)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号接口相似,如右图所示,图中 OP为运算放大器。
2.5.2 输出信号接口
1.开关信号输出接口
开关信号接口可直接驱动发光二极管,
继电器,晶体管或晶闸管等,如图所示 。 当单片机
μPD7566 的 I／ O线
P90输出高电平时,
流经发光二极管 VD
的电流极小,不能发光,当 P90输出低电平时,流经 VD的电 流 达 10mA,故
VD发光 。 此端口灌入电流可达 15mA，
输出电压 9V,具有较强的负载能力 。
2.数字信号输出接口
(1)数字显示码的输出接口
单片机 I／ O线直接到 LED显示器的阴极,LED显示器采用共阳极方式,如图所示 。
这是由于单片机的 I／ O线可允许
10mA的灌入电流,而拉出电流仅 5mA。
(2)键盘扫描码的输出接口
在键盘扫描码的输出接口电路中,Pl00～ P102
I/O线是扫描码的输出端,P10～ P13I／ O线用于接收键盘的按键信号,如左图所示 。
(3)D／ A转换的数字输出接口 在单片机控制的家用电器中,为进行数字／模拟信号的转换,一般将数字送到 I／ O接口,而在端口外加电阻解码网络 (T型网络 )来产生模拟信号 。 在 D／ A转换的数字输出接口中,Pl00用于输出数字的最高位,P103用于输出数字的最低位 。 如右图所示 。
2.5.3功率驱动接口
单片机是微电子器件,输出的信号功率很小,要驱动大功率的加热元件 (如电饭锅中的加热元件等 )和电动机 (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 ),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 。
1.电动机驱动接口
(1) 开关控制方式
在 电冰 箱与 空调器中,压缩机的工作是由电动机带动的,因负载较大,
在低速运行时易烧坏电动机 。 因而压缩机电动机的控制采用开关方式 。
在 压缩 机电 动机的控制接口电路中,有两种控制接口电路；直接逻辑电平耦合电路和光电耦合电路,如图所示 。
(2)调压控制方式
空调器中的风扇电动机,
落地扇等,可以利用调压控制方式调节电动机转速 。 此方式的接口电路如图所示 。 图中,上面 — 种是典型的电容运转电动机调速电路 。 主要由光电耦合器 OC1,双向晶闸管 VS,和电动机
M1组成 。 下面一种接口同上面一种基本相同,
但电动机启动电路不一样：当 VS2导通后,流经电动机主绕组电流较大,
在 R7上产生较大的压降,
使 VS2导通,副绕组得电,
这时电机启动运行 。 电动机启动完成后,主绕组电流趋于稳定 (比启动电流小 ),VS2截止,这时只有主绕组参与运行 。
2.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：
(1)最上面一种接口形式 当 I／ O输出低电平,0”时,双向晶闸管 VS1导通,加热丝通电加热,当单片机输出高电平,1”时,
双向晶闸 VS1截止,加热丝停止加热 。
(2)中间一种接口形式 当单片机输出高电平时,晶体管 VT1导通,触发 VS2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 。
(3)最下面一种接口形式 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 VT2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,VT2导通,VS3截止,加热丝停止加热 。
加热器件的驱动接口电路
2.5.4 显示器接口
在家电产品 (如洗衣机,
空调器等 )中,有时需显示有关状态,如温度,
时间等 。 现在广泛应用的是发光二极管显示器
(发光二极管七段显示器 )。
发光二极管显示器有共阴极和共阳极两种结构，如图 2-43所示。在不同的场合可以选择相应的结构，以组成较好的逻辑系统。当显示字形时,a～ g各段相应段应通过电流，如显示
,0”时,LED的 a,b、
d,e,f段均应通过电流，而 g段不能通过电流。
2.5.5 磁控管接口
磁控管是微波炉的心脏,因工作电压较高,
单片机不可能直接进行控制,而是采用对磁控管的高压变压器一次侧进行开关控制 。
磁控管的接口电路如图所示 。 当 I／ O线输出低电子时,固态继电器接通变压器初级线圈,次级产生高压,磁控管工作；当单片机 I／ O线输出高电平时,高压变压器初级断开,磁控管因不得电而停止工作 。
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
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，其中任何部分都不能独立完成工作，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。
2.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 。
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 。
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,
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
控制系统按其结构可分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 。
1.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,这种系统被称为开环控制系统 。
2.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，由反馈通道送入比较环节 (反馈 )，在比较环节中采样信号与基准输入量进行比较 (相减 )，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 (执行机构 )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。
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 。 本节重点介绍单片机与家用电器之间的输入,
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 。
2.5.1输入信号接口
1.开关信号接口
(1) 门或盖开关接口
开关信号主要来自电冰箱,洗衣机,微波炉,电烤箱等的门开关或盖开关,其接口电路较为简单 （ 如图所示 ） 。 当单片机 μPD7566内部有上拉电阻时,外部电阻 R
可以不接 。 当单片机检测到门开关或盖开关闭合时,输入电平为 0,控制家用电器工作 。
否则,输入电平为 1,家用电器停止工作 。
(2)过压、过流信号接口
在家电产品中,有时需对负载能力和输出控制电路的电压进行控制,以免引起家电产品的损坏 。 过压信号接口的原理图如图,
过流信号接口与过压信号接口的差别是过流信号接口电路用电流互感器 TB代替了过压信号接口的变压器 T。
2.模拟信号接口
(1)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,因此通常要选用含有 A／ D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,若单片机中无 A／ D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如图 2-30所示,
MTSl02为测温三极管,比较器 A1为阻抗匹配器,比较器 A2为一反相放大器,这样 A2输出端 UOUT就可接到单片机的 A／ D输入端,利用单片机内部的 A／ D转换器将模拟信号转换为数字信号 。 对于常用的单片机 pPD7566,其接口如左图所示 。 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 pPD7566的比较器
Cin0～ Cin3输入端,如右图所示 。
2) 温度信号的频率接口
温度信号的频率接口电路如图 2-33所示，在该电路中,R4为限流电阻，可使 VT2(MTSl02)集电极电流为 0.1mA，以保证
VT2(MTSl02)处于较好的测温状态，脉冲发生器由电阻 R2,R3、
电位器 RP1,RP2、电容 C1和单结晶体管 VT1组成,脉冲频率与 RC
回路和单结晶体管 VT1的峰值电压有关,MTSl02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 I／ O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。
(2)给定信号模拟接口 用电位器 RP选定给定值,直接送入单片机的 A/D输入端,如左图所示 。
(3)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号接口相似,如右图所示,图中 OP为运算放大器。
2.5.2 输出信号接口
1.开关信号输出接口
开关信号接口可直接驱动发光二极管,
继电器,晶体管或晶闸管等,如图所示 。 当单片机
μPD7566 的 I／ O线
P90输出高电平时,
流经发光二极管 VD
的电流极小,不能发光,当 P90输出低电平时,流经 VD的电 流 达 10mA,故
VD发光 。 此端口灌入电流可达 15mA，
输出电压 9V,具有较强的负载能力 。
2.数字信号输出接口
(1)数字显示码的输出接口
单片机 I／ O线直接到 LED显示器的阴极,LED显示器采用共阳极方式,如图所示 。
这是由于单片机的 I／ O线可允许
10mA的灌入电流,而拉出电流仅 5mA。
(2)键盘扫描码的输出接口
在键盘扫描码的输出接口电路中,Pl00～ P102
I/O线是扫描码的输出端,P10～ P13I／ O线用于接收键盘的按键信号,如左图所示 。
(3)D／ A转换的数字输出接口 在单片机控制的家用电器中,为进行数字／模拟信号的转换,一般将数字送到 I／ O接口,而在端口外加电阻解码网络 (T型网络 )来产生模拟信号 。 在 D／ A转换的数字输出接口中,Pl00用于输出数字的最高位,P103用于输出数字的最低位 。 如右图所示 。
2.5.3功率驱动接口
单片机是微电子器件,输出的信号功率很小,要驱动大功率的加热元件 (如电饭锅中的加热元件等 )和电动机 (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 ),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 。
1.电动机驱动接口
(1) 开关控制方式
在 电冰 箱与 空调器中,压缩机的工作是由电动机带动的,因负载较大,
在低速运行时易烧坏电动机 。 因而压缩机电动机的控制采用开关方式 。
在 压缩 机电 动机的控制接口电路中,有两种控制接口电路；直接逻辑电平耦合电路和光电耦合电路,如图所示 。
(2)调压控制方式
空调器中的风扇电动机,
落地扇等,可以利用调压控制方式调节电动机转速 。 此方式的接口电路如图所示 。 图中,上面 — 种是典型的电容运转电动机调速电路 。 主要由光电耦合器 OC1,双向晶闸管 VS,和电动机
M1组成 。 下面一种接口同上面一种基本相同,
但电动机启动电路不一样：当 VS2导通后,流经电动机主绕组电流较大,
在 R7上产生较大的压降,
使 VS2导通,副绕组得电,
这时电机启动运行 。 电动机启动完成后,主绕组电流趋于稳定 (比启动电流小 ),VS2截止,这时只有主绕组参与运行 。
2.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：
(1)最上面一种接口形式 当 I／ O输出低电平,0”时,双向晶闸管 VS1导通,加热丝通电加热,当单片机输出高电平,1”时,
双向晶闸 VS1截止,加热丝停止加热 。
(2)中间一种接口形式 当单片机输出高电平时,晶体管 VT1导通,触发 VS2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 。
(3)最下面一种接口形式 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 VT2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,VT2导通,VS3截止,加热丝停止加热 。
加热器件的驱动接口电路
2.5.4 显示器接口
在家电产品 (如洗衣机,
空调器等 )中,有时需显示有关状态,如温度,
时间等 。 现在广泛应用的是发光二极管显示器
(发光二极管七段显示器 )。
发光二极管显示器有共阴极和共阳极两种结构，如图 2-43所示。在不同的场合可以选择相应的结构，以组成较好的逻辑系统。当显示字形时,a～ g各段相应段应通过电流，如显示
,0”时,LED的 a,b、
d,e,f段均应通过电流，而 g段不能通过电流。
2.5.5 磁控管接口
磁控管是微波炉的心脏,因工作电压较高,
单片机不可能直接进行控制,而是采用对磁控管的高压变压器一次侧进行开关控制 。
磁控管的接口电路如图所示 。 当 I／ O线输出低电子时,固态继电器接通变压器初级线圈,次级产生高压,磁控管工作；当单片机 I／ O线输出高电平时,高压变压器初级断开,磁控管因不得电而停止工作 。
