矿大 机电一体化课件 第四章 机电控制系统电路设计1

第四章机电控制系统电路设计4.1概述4.2模拟信号调理电路4.2.1滤波和限幅电路4.2.2运算放大器4.2.3隔离技术4.3单片机外围接口电路4.3.1并行总线接口4.3.2SPI总线接口4.3.3SMBUS（I2C）总线接口4.4通信接口电路设计4.4.1RS-232协议接口设计4.4.2RS-485/RS422协议接口设计4.5继电接触控制系统设计4.5.1常用低压电器4.5.2电器控制线路设计的基本要求4.5.3电动机控制电路设计4.5.4常用控制电器的选用4.6开关量输入输出电路4.6.1开关量信号输入电路及开关量处理方法4.6.2开关量输出电路4.7人机接口设计4.7.1键盘接口驱动程序设计4.7.2显示接口电路及驱动程序设计4.1概述各种电路及接口是机电控制系统的基本组成模块，实现机电控制系统的信号检测、数据传输、功率驱动以及人机之间信息交换等功能。随着微电子技术和电子计算机技术的发展和普及，工业PC机和单片机已经被广泛地应用于机电控制系统中。正是由于单片机技术、片上系统技术、嵌入式系统技术和计算机控制技术的广泛应用，使机电控制系统产品向着智能、低功耗和高性价比的方向飞速发展。一般来说，一个数字化的机电控制系统的电路及接口的结构包括：①模拟信号调理电路及模拟开关；②A／D转换机接口电路；③微处理器(单片机)；④D／A转换及接口电路；⑤模拟量功率驱动电路；⑥人机接口电路；⑦开关量输入、输出电路；⑧通信接口电路；⑨供电电源电路，共计九个部分，原理框图如图4—1所示。本章将对模拟信号调理电路、单片机外围接口电路、通信接口电路、开关量输入／输出电路、人机接口电路等设计方法进行详细介绍。4.2模拟信号调理电路模拟信号调理电路包括滤波和限幅电路以及运算放大电路。一般模拟信号调理电路包含以下几个方面的功能。①信号中往往会包含干扰和噪声，为了降低干扰和噪声的强度，在模拟信号调理电路中要对信号进行滤波处理，为了保护系统电路的安全，要对输入信号进行限幅处理。②传感和检测元件输出的电信号和系统中A／D的输入信号可能不匹配时，将传感和检测元件输出的电信号转变成A／D转换器能接受的信号。③检测某些机械量的传感器输出信号可能是非电压信号(如应变式力传感器输出量是桥臂电阻)，需要将这些非电压信号变换为符合A／D转换器输入要求的电压信号。④在某些恶劣环境下，共模电压干扰很强，甚至高达几百伏，不采用隔离的办法就无法完成数据采集的任务。因此，必须根据现场环境，考虑共模干扰的抑制，甚至采用隔离措施等。4.2.1滤波和限幅电路为了保护系统电路的安全，防止干扰和噪声信号的影响，从传感器来的各种模拟信号首先要进行限幅和滤波，下面是限幅和滤波的几种常用电路。(1)单端输入的限幅滤波电路(a)单端输入(b)双端输入图4—2限幅滤波电路图4—2(a)所示电路适用于单端输入放大电路的限幅与滤波，这里采用稳压管V对输入大信号限幅，稳压管的稳压值应比输入信号大2V左右。注意选择漏电流小的稳压管，对于小信号(如热电偶或其他毫伏级的小电压信号)，可以把稳压管V换成两个反向并联的硅二极管。(2)双端输入的限幅滤波电路图4—2(b)所示电路运用于双端输入放大电路的限幅与滤波。这里既要考虑信号本身(两个信号线之间)的限幅、滤波，又要考虑每根线对系统地的限幅、滤波，因此电路比单端输入时复杂。4.2.2运算放大电路运算放大电路的核心是运算放大器，运算放大器又有理想运算放大器和实际运算放大器的说法。所谓理想运放，即指其参数为理想化的运算放大器。如开环放大倍数A＝∞，开环输入电阻Ri＝∞，失调电压Vos＝0，失调电流Ios＝0，共模抑制比KCM＝∞，共模输入电压范围、输出幅度和电源范围相同等。然而实际生产出的运算放大器达不到绝对理想，参数不理想的运算放大器称为实际运放。实际运放A∞，Ri∞，Vos≠0，Ios≠o，KCM∞，共模输入电压范围，输出幅度通常比电源电压范围小等。理想运放和实际运放是一对相辅相成的概念，两者不可偏废。要灵活、准确地掌握在哪种情况下应用理想运放的概念，又在什么情况下应用实际运放的概念去进行设计与分析。甚至于有时在对同一电路的设计中，对有些参数完全可以近似为理想参数，按照理想运放来进行分析，而对另外某些参数，则不能认为其是理想的，必须按实际运放来分析。(1)运算放大器的主要参数①电源电压范围是指电源电压的极限值。运放电源电压实际取值可以有很大的不同，例如LM324的电源电压范围为32V，有时人们选择较低的电压，如5V，在选择高电压时应留有充分的余地，如选30V显得余地太小，选24V时留有8V余地是较合适的。电源电压范围参数值大的运放，其实际电源电压容许选得高，这是测量较大信号(如。0～10V)所需要的，另外电源电压高，则输入电压范围宽，有利于抗干扰。电源电压选用5V时，可以和TTL。电路共用一个电源，较方便。另外多数运放需要双电源工作，也有些运放只需单电源即可工作(如LM324、LM358、CA3140等)。②共模抑制比运放的共模抑制比为60～130dB，这个数值范围具有广泛的代表性。如果运放的共模抑制比为60dB、80dB、100dB、120dB，则1V的共模干扰将产生1000μV(0．1％)、100μV(0．0l％)、10μV(0．001％)和lμV(0．0001％)的误差。③输入偏置电流是运放正常工作的前提，因此要求运放的输入端必须有直流通路，否则不能正常工作。④输出电流它标志运放驱动负载的能力，CMOS运放的输出电流能力较小，双极型运放输出电流能力较大，因此应注意选择运放的负载电阻，使得运放的实际输出电流小于该参数值。例如ICL7650要求负载电阻RL15kΩ有时需要较大的输出电流，而运放的输出能力又不够，可以在运放的输出端加一个三极管(或复合三极管)，并将该三极管放在运放的闭环电路之内。⑤电压转换率它描述运放的反应速度。当多路切换开关切换到新一路信号时，运放需要很短的一段时间之后，才能输出正确的数值。因此要求延迟一段时间后再进行A／D转换。如果要求加快路数切换的速度，则应选择电压转换率较高的运放。⑥共模电压范围一定要保证运放输入端的共模信号在该运放的共模电压范围，否则无法正常工作。对于能够单电源工作的运放，其共模电压范围的下限可以达到0V。⑦输出电压幅度通常运放输出最高正电压低于正电源电压某个数值V+一ΔV1，输出的最低电压高于负电源电压某个数值V-+ΔV2，显然输出电压幅度受电源电压数值(V+，V-)的影响，在电源电压确定之后，ΔV1，ΔV2越小，输出电压幅度越大。在设计运算电路时一定要注意运放的输出电压幅度是否满足要求。(2)运算放大器构成的典型应用电路①基本运算放大电路如图4—3所示，基本的运算放大器电路有反相放大、同相放大和差动放大三种形式，运放的所有其他复杂应用都是由这三种方式组合而来。图4—3基本运算放大器电路图4—3(a)是基本的反相放大器，输入输出关系这种电路的特点是输出与输入反相，输入阻抗较低(R2∥R1)。这里的R3是输入电流平衡电阻，原则上取R3＝R1∥R2。如果放大器本身输入阻抗足够高，输入偏置电流极小，可以不使用R3。图4—3(b)是基本的同相单端信号放大器，输入输出关系这种电路的特点是输入阻抗高，它经常直接作为小信号放大器。这里如果取消R2，它就是一个典型的电压跟随器。由于运放失调电压的存在，在实际使用中建议使用带调零的运放器件，如OP-07、CA3140等，通过失调调零电路，可以调整运算的零点。图4—3(c)是基本的差动信号放大器，这里：R1=R4，R2＝R3，它的输入输出关系:这种电路的特点是能够提供较好的共模抑制能力，但输入阻抗不高。它经常在单电源供电的场合使用，同时很容易用它设计零点迁移或者调零电路。②由运算放大器构成的电流—电压转换电路图4-54～20mA到0～1V信号运算转换放大器电路这个电路在机电控制系统输入电路中经常应用。运放采用一片TI的TLC2252，U1：A设计成增益为0．25的反相放大器，为尽量减小对信号源分流，降低采样误差，信号输入电阻R1可以取得比较大，这里为2MΩ。③由运算放大器构成的电压—电流转换电路图4—6是一个典型的V-I转换电路，功能是将输入的电压信号转换成电流信号输出，输出电流与输入电压之间关系为Rl＝lkΩ，R2＝lkΩ，R3＝250Ω，则Vi在l～5V范围内变化时，输出电流将在4～20mA范围内。改变R3的阻值可以调整输出电流I和输入电压Vi之间的比例关系。图4-6由运算放大器构成的V-I④高输入阻抗差动输入放大电路在许多实际应用的电路中，考虑到剔除信号的共模于扰问题，经常要采用差动输入形式。图4-7高输入阻抗差动放大电器图4—7(a)是一种设计方案，它采用了两只高输入阻抗运算放大器设计了一个高阻差动放大器。在图4—7(a)中，设R2／R1＝R4／R3，容易求得这里共模电压干扰Vcom已经消除。此电路的优点是设计简捷，并有足够高的输入阻抗及共模抑制能力；缺点是要求电阻具有0．1％以上的匹配精度，同时无法灵活调整放大倍数。图4—7(b)是高阻抗差动运算放大电路的另一种设计方案，它是典型的三运放形式，输出和输入关系为⑤精密整流放大电路对于交流信号测量，实际上是要获得它的有效值，如果采用二极管整流后来检测，则会有二极管压降带来的误差，这时可以使用运算放大器来设计精密整流电路。图4—8精密半波反相整流放大电路图4-9绝对值放大电路⑥直流恒流源电路在机电控制系统的信号测量中，经常要使用恒流源电路。精密稳定的恒流源都是使用高稳定的基准源配合运算放大器设计实现的。图4—10是一种实用的恒流源电路。这个电路可以作为电阻—电压转换用测量电阻。4.2.3隔离技术由日常经验可知，一个正在工作的电气设备，假如外壳没有良好接地，用手碰壳体常会有触电的反应；如果用表去量内部某条信号线对大地的电压，常可量出直流或工频的高电压值，这就是共模干扰电压。共模电压是相对于一对或多根信号线而言，这些传输线对参考点电压的相等部分为共模电压，相差部分即为差模电压。这是对于运算放大器中关于共模、差模电压的概念的进一步扩展。工业设备的用电装置由于绝缘不良，分布电容以及静电感应等因素，会使传感器电气开关或信号传输线上耦合一定的共模电压，特别是在这些部位浮地或对地有高阻抗的情况下，将产生高共模干扰，通过传输线加到计算机的各I／O口上。当用电设备负荷急剧变化时，共模电压值也随之急剧变化。它将严重影响数据采集系统的正常运行。采用隔离技术是克服强共模干扰的有效方法。(1)光电隔离(光电耦合器件)图4-13模拟信号光电隔离工作原理(2)隔离放大器这里隔离放大器是所谓三端口隔离式，即通过变压器将输入信号、输出信号、电源三者相互都隔离开。在测量微小信号时，或者被测对象需要严格保护的情况，如医疗应用时，被测对象与测量仪器主机之间严格的电器隔离能够提供足够的抗干扰能力和安全保障，选择使用隔离运算放大器是一个不错的解决方案。隔离放大器一般分变压器隔离和光电隔离两类，大多数高性能的隔离运算放大器都是内置输入端隔离电源，具有较高的电气隔离性能。D202是ADI公司的变压器耦合、微型封装的精密隔离放大器，采用PDIP38脚的模块封装。它通过片内变压器耦合，对信号的输入和输出进行电气隔离。片内的直流电压变换电路能为输入级、外部传感器和信号处理电路提供±7．5V／2mA的隔离电源，从而优化了外围电路的设计，提高了芯片的性价比。图4—14AD202功能方框原理图4.3单片机外围接口电路单片机是机电控制系统智能化发展趋势不可缺少的核心部件，单片机配以各种外围模块构成了机电控制系统的电控单元。目前单片机的发展趋势为低功耗CMOS化、功能单片化和体积微型化。所谓低功耗CMOS化就是各个单片机基本都采用了具备高速和低功耗特点的CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体)工艺制造。所谓功能单片化是指现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储器(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口、中断系统、定时电路、时钟电路集成