PWM调速在恒温控制中的应用

1 引言

　　众所周知, 要实现直流电机的远程调速控制及温度检测, 信号传输问题无疑是重要的, 传统的模拟控制法,不仅难以满足远程传输需求, 而且电路过于复杂。采用计算机技术、总线技术和通讯技术, 不仅可以使整个系统变得简单,而且有利于实现分布式集散控制,提高智能化控制水平。本文介绍一种以8051 系统为主控制器的远程恒温控制解决方案,它采用RS-485 总线解决直流电机PWM调速(制冷)、温度检测和PC 通讯等环节的信号传输问题。系统采用全数字设计方案, 结构简单。当该系统以单片机为主控制器单独工作时监控距离可以达到1.2km,如果与微机联网使用,则监控距离可以增加到2.4km。

　　2 控制原理及硬件结构

　　该系统硬件结构如图1 所示,它是一个8051 单片机控制系统,控制“对象”为直流电机,工作时根据现场温度调节直流电机转速, 直流电机转速影响制冷系统制冷量,从而达到温度自动调节目的。温度检测采用DB18B20数字温度传感器,直流电机采用PWM 调速。直流电机和温度传感器通过RS-485 总线与单片机系统实现信息交换,单片机系统通过RS-485 总线经USB 接口与PC 实现信息交换, 从而达到远程监控目的。

　　单片机系统是以8051 为核心的交互式测控系统,系统所有接口电路地址及数据总线由74LS373 和74LS138提供。单片机系统任务包括以下几个方面:

　　第一, 通过RS - 4 8 5 总线向直流电机驱动器输出PWM 调速信号;第二,通过RS-485 总线对数字温度传感器DB18B20写入初始化命令;第三,温度传感器所检测的现场温度经RS-485 总线反馈给单片机,并据此调节PWM 信号输出;第四, 实时显示现场温度;第五, 通过人机接口设置给定温度、电机调速范围等参数;第六,通过RS-485 总线向PC 机反馈温度等信息;第七,接受PC 系统控制指令,根据控制指令完成相应的处理。

　　下面对图1 所示系统各主要电路作如下说明:

图1 控制系统硬件结构

　　2.1 人机界面与人机系统

　　人机界面为矩阵式键盘和数码管,它以8279 为主要接口芯片(其它芯片如图所示),占用8051 一个外部中断源(INT0),人机系统的基本任务包括温度设置、电机调速范围设置、启停控制和温度显示等。根据图1 所示硬件,通过8051 外部中断(INT0)处理程序和定时器(T0)中断处理程序相互配合完成人机系统的基本功能。

　　2.2 输入输出(IO)通道

　　输入输出通道是以8255 为主要接口芯片的控制信号或反馈信息传输通道,PWM 调速信号输出、温度传感器初始化命令输出和现场温度读取等均通过8255 进行。

　　8255PA 口作为控制信号输出通道,PB 口作为反馈信息输入通道,PC 口作为输出/ 输入使能控制。三个端口每一位定义详情见后续软件部分。

　　为了实现IO 信号的远距离传输, 采用RS-4 8 5 总线,图2 所示是专门为此设计的电路原理图(仅画出其中一路,下同),其中,图2(a)是PWM 信号输出接口,由图可见, 计算机一侧和终端设备( 伺服驱动器) 各使用一片MAX488,计算机一侧MAX488 为发送器,终端设备一侧MAX488 为接收器。图中TLP-521 是计算机系统与外设进行电气隔离所必需的环节。图2(b)是专为温度传感器DS18B20 设计的远程传输接口,由于DS18B20 是一款单总线、可编程数字温度传感器,该传感器涉及初始化命令或参数写入和工作之中的温度读取问题, 因此,远程传输接口必须被设计成双向I O 口, 通过两片MAX485 和两片MAX488 实现信息的半双工传输要求,这里两片MAX488 用于终端MAX485(右侧)使能控制。

　　对DS18B20 的读写操作由8255PC 口相应的控制位作使能控制,即,当8051 执行对DS18B20 的写入操作时,首先使PC0=1、PC1=0,然后使数据从PA 口输出;当8051执行对DS18B20 的读操作时,首先使PC0=0、PC1=1,然后使数据从PB 口输入。

图2 远距离传输接口电路原理图

　　需要指出的是, 图2 所示的电路结构, 实现了信号的全硬件、远程、无条件传输目的,避免了终端使用微处理器,具有硬件软件简单、实时性好、系统扩展容易等特点。特别是温度检测通道,由于采用的是单总线温度传感器DS18B20,仅使用一条4 芯双绞线屏蔽电缆,就可以很好地满足在1.2km 范围之内的多点分布式温度测控需求。对于PWM 信号传输通道,可以根据实际需要选择屏蔽电缆,如4 台直流电机只需使用一条8 芯双绞线屏蔽电缆。对于控制对象数量较多时,可以通过扩展8255 芯片,解决IO 通道不足问题。