PWM調速在恒溫控制中的應用

1 引言

　　眾所周知, 要實(shí)現直流電機的遠程調速控制及溫度檢測, 信號傳輸問(wèn)題無(wú)疑是重要的, 傳統的模擬控制法,不僅難以滿(mǎn)足遠程傳輸需求, 而且電路過(guò)于復雜。采用計算機技術(shù)、總線(xiàn)技術(shù)和通訊技術(shù), 不僅可以使整個(gè)系統變得簡(jiǎn)單,而且有利于實(shí)現分布式集散控制,提高智能化控制水平。本文介紹一種以8051 系統為主控制器的遠程恒溫控制解決方案,它采用RS-485 總線(xiàn)解決直流電機PWM調速(制冷)、溫度檢測和PC 通訊等環(huán)節的信號傳輸問(wèn)題。系統采用全數字設計方案, 結構簡(jiǎn)單。當該系統以單片機為主控制器單獨工作時(shí)監控距離可以達到1.2km,如果與微機聯(lián)網(wǎng)使用,則監控距離可以增加到2.4km。

　　2 控制原理及硬件結構

　　該系統硬件結構如圖1 所示,它是一個(gè)8051 單片機控制系統,控制“對象”為直流電機,工作時(shí)根據現場(chǎng)溫度調節直流電機轉速, 直流電機轉速影響制冷系統制冷量,從而達到溫度自動(dòng)調節目的。溫度檢測采用DB18B20數字溫度傳感器,直流電機采用PWM 調速。直流電機和溫度傳感器通過(guò)RS-485 總線(xiàn)與單片機系統實(shí)現信息交換,單片機系統通過(guò)RS-485 總線(xiàn)經(jīng)USB 接口與PC 實(shí)現信息交換, 從而達到遠程監控目的。

　　單片機系統是以8051 為核心的交互式測控系統,系統所有接口電路地址及數據總線(xiàn)由74LS373 和74LS138提供。單片機系統任務(wù)包括以下幾個(gè)方面:

　　第一, 通過(guò)RS - 4 8 5 總線(xiàn)向直流電機驅動(dòng)器輸出PWM 調速信號;第二,通過(guò)RS-485 總線(xiàn)對數字溫度傳感器DB18B20寫(xiě)入初始化命令;第三,溫度傳感器所檢測的現場(chǎng)溫度經(jīng)RS-485 總線(xiàn)反饋給單片機,并據此調節PWM 信號輸出;第四, 實(shí)時(shí)顯示現場(chǎng)溫度;第五, 通過(guò)人機接口設置給定溫度、電機調速范圍等參數;第六,通過(guò)RS-485 總線(xiàn)向PC 機反饋溫度等信息;第七,接受PC 系統控制指令,根據控制指令完成相應的處理。

　　下面對圖1 所示系統各主要電路作如下說(shuō)明:

圖1 控制系統硬件結構

　　2.1 人機界面與人機系統

　　人機界面為矩陣式鍵盤(pán)和數碼管,它以8279 為主要接口芯片(其它芯片如圖所示),占用8051 一個(gè)外部中斷源(INT0),人機系統的基本任務(wù)包括溫度設置、電機調速范圍設置、啟?？刂坪蜏囟蕊@示等。根據圖1 所示硬件,通過(guò)8051 外部中斷(INT0)處理程序和定時(shí)器(T0)中斷處理程序相互配合完成人機系統的基本功能。

　　2.2 輸入輸出(IO)通道

　　輸入輸出通道是以8255 為主要接口芯片的控制信號或反饋信息傳輸通道,PWM 調速信號輸出、溫度傳感器初始化命令輸出和現場(chǎng)溫度讀取等均通過(guò)8255 進(jìn)行。

　　8255PA 口作為控制信號輸出通道,PB 口作為反饋信息輸入通道,PC 口作為輸出/ 輸入使能控制。三個(gè)端口每一位定義詳情見(jiàn)后續軟件部分。

　　為了實(shí)現IO 信號的遠距離傳輸, 采用RS-4 8 5 總線(xiàn),圖2 所示是專(zhuān)門(mén)為此設計的電路原理圖(僅畫(huà)出其中一路,下同),其中,圖2(a)是PWM 信號輸出接口,由圖可見(jiàn), 計算機一側和終端設備( 伺服驅動(dòng)器) 各使用一片MAX488,計算機一側MAX488 為發(fā)送器,終端設備一側MAX488 為接收器。圖中TLP-521 是計算機系統與外設進(jìn)行電氣隔離所必需的環(huán)節。圖2(b)是專(zhuān)為溫度傳感器DS18B20 設計的遠程傳輸接口,由于DS18B20 是一款單總線(xiàn)、可編程數字溫度傳感器,該傳感器涉及初始化命令或參數寫(xiě)入和工作之中的溫度讀取問(wèn)題, 因此,遠程傳輸接口必須被設計成雙向I O 口, 通過(guò)兩片MAX485 和兩片MAX488 實(shí)現信息的半雙工傳輸要求,這里兩片MAX488 用于終端MAX485(右側)使能控制。

　　對DS18B20 的讀寫(xiě)操作由8255PC 口相應的控制位作使能控制,即,當8051 執行對DS18B20 的寫(xiě)入操作時(shí),首先使PC0=1、PC1=0,然后使數據從PA 口輸出;當8051執行對DS18B20 的讀操作時(shí),首先使PC0=0、PC1=1,然后使數據從PB 口輸入。

圖2 遠距離傳輸接口電路原理圖

　　需要指出的是, 圖2 所示的電路結構, 實(shí)現了信號的全硬件、遠程、無(wú)條件傳輸目的,避免了終端使用微處理器,具有硬件軟件簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好、系統擴展容易等特點(diǎn)。特別是溫度檢測通道,由于采用的是單總線(xiàn)溫度傳感器DS18B20,僅使用一條4 芯雙絞線(xiàn)屏蔽電纜,就可以很好地滿(mǎn)足在1.2km 范圍之內的多點(diǎn)分布式溫度測控需求。對于PWM 信號傳輸通道,可以根據實(shí)際需要選擇屏蔽電纜,如4 臺直流電機只需使用一條8 芯雙絞線(xiàn)屏蔽電纜。對于控制對象數量較多時(shí),可以通過(guò)擴展8255 芯片,解決IO 通道不足問(wèn)題。