基于單片機的直流電機遠程智能監控系統設計

王冬梅，侯春輝，路敬祎，翟 穎，安佳軒

（1．東北石油大學 電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318；2．中國石油 大慶油田有限責任公司，黑龍江 大慶 163000）

隨著現代化步伐的邁進，人們對自動化的需求越來越高，使電動機的復雜控制變成主流；直流電動機由其具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速性能，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用[1-2]。隨著電力電子技術、微電子技術和自動控制技術的發展以及各種新的理論方法，PWM控制技術獲得了空前的發展；特別是單片機技術的應用以及無線通訊技術的發展，使直流電機調速技術又進入到一個新的階段，智能化、遠程監控以及高可靠性已成為它發展的趨勢[3-4]。因此文中設計了基于單片機的直流電機遠程智能監控系統。

1 系統設計思路

本文直流電機調速系統以單片機系統為依托，根據PWM調速的基本原理，以直流電機電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速為依據，實現對直流電動機的平滑調速[5]；通過單片機控制直流電機加速、減速、正轉以及反轉的變化；通過單片機來看控制液晶顯示器顯示電機的實時工況信息；通過利用GPRS模塊來實現度直流電機的遠程實時監控[6]。文中所研究的基于單片機的直流電機遠程智能監控系統主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件系統由單片機模塊、電機驅動模塊、速度采集模塊、LCD液晶顯示模塊、報警模塊、鍵盤控制模塊以及GPRS無線傳輸模塊等組成。

2 硬件電路設計

文中硬件部分單片機模塊、電機驅動模塊、速度采集模塊、LCD液晶顯示模塊、報警模塊、按鍵控制模塊以及GPRS無線傳輸模塊等組成。其中單片機模塊是本文的核心模塊，它控制整個系統的運行，利用其各個口分別控制其他模塊，使其他模塊能夠成為一個整體，實現所需的功能。鍵盤控制模塊用四個獨立按鍵實現控制直流電機的加速、減速、正轉和反轉；利用速度采集模塊來采集直流電機的實時轉速；利用1602來實時顯示直流電機的工作狀態；報警模塊主要指當監測到直流電機轉速超過正常閾值范圍時實現越限報警。電機驅動模塊負責按單片機控制直接驅動電機工作。無線傳輸模塊中采用GPRS技術，實現了對直流電機的遠程監控。

2.1 單片機模塊設計

單片機控制模塊主要由單片機和相關元器件構成的單片機最簡系統，本文對電機的相關控制是通過單片機控制模塊來實現的，對于單片機來說，通過編程設置其方式寄存器TMOD可設定定時器工作于所需的定時方式，設定好定時時間，在時間到達時就會產生定時中斷，單片機響應定時中斷，在定時中斷中根據所需的時間控制相應輸出端口的電平，即可實現對輸出控制端口信號的頻率、占空比的控制，從而達到控制要求的一種電壓調整方法。單片機模塊如圖1所示由單片機、晶振電路和復位電路構成。

圖1 單片機模塊及報警電路Fig.1 MCUmodule and Alarm circuit

2.2 速度采集模塊電路設計

本系統采用光電開關測量裝置來實對電機速度和轉向的測量。光電式測速傳感器的工作原理是基于光電變換原理，將被測軸的轉速轉換為電脈沖信號。光電式測速傳感器輸出信號的波形比較規整，接近標準方波，幾乎無干擾信號產生。本文測速電路如圖所示2所示。 R6用來限制發射二極管的電流。發射管的電流大則發射功率大，但不能超過它的極限電流，它的極限輸入正向電流為50mA。

圖2 速度采集電路Fig.2 Speed acquisition circuit

2.3 鍵盤模塊設計

文中設計的鍵盤模塊是由4個按鈕組成的開關矩陣，用戶能通過鍵盤向計算機輸入指令，通過I/O口連接，將每個按鈕的一端接到單片機的I/O口，另一端接地，按鍵具體功能為：一個為“加速按鍵”，一個為“減速按鍵”，一個為“正轉按鍵”、最后一個為“反轉按鍵”。按鍵電路圖如圖3所示。

圖3 鍵盤模塊電路Fig.3 Keyboardmodule circuit

2.4 電機驅動模塊設計

通過調節直流電機的電壓可以改變電機的轉速，文中用脈寬調制（PWM）來實現調速。一般用軟件模擬可以有延時和定時兩種方法，文中采用定時方法來產生PWM信號；由于電機具有較大的感性，電流不能突變，若忽然將電流切斷將在功率管兩端產生巨大的電壓，容易損壞器件。為保護芯片而加上續流電路，文中利用二極管的單向導通性來實現續流；利用H橋電路來實現直流電機相關控制。電機驅動電路模塊如圖4所示。

圖4 電機驅動電路Fig.4 Motor drive circuit

2.5 顯示模塊電路設計

液晶顯示器（LCD）具有功耗低、體積小、重量輕、超薄等許多其它顯示器無法比擬的優點，近幾年來被廣泛用于單片機控制的智能儀器、儀表和低功耗電子產品中。單片機可以通過數據總線與控制信號直接采用存儲器訪問形式、I/O設備訪問形式控制該液晶顯示模塊。本設計根據1602引腳功能來與單片機進行連接，其中液晶的DO-D7接單片機的 P0端，是數據和命令的讀寫端。RS、RW 和 EN端則用于初始化液晶和控制液晶功能的開啟。其與單片機的硬件連接電路圖如圖5所示。

圖5 顯示模塊電路Fig.5 Displaymodule circuit

2.6 GPRS通訊模塊電路設計

目前市場上的主流GSM/GPRS模塊有以下幾種：BENQ公司的M22/M23模塊、SI-EMENS公司的 MC 35/M C39模塊、索尼公司的GR47/GR48模塊。本文選擇BenQ公司的M23通訊模塊。本文利于MAXIM公司生產的MAX232接口芯片實現單片機與GPRS模塊的通信，利用單片機的RXD、TXD接口連接到MAX232串行口接收或發送數據和指令。設計電路如圖6所示。

圖6 GPRS模塊電路Fig.6 GPRSmodule circuit

3 系統軟件設計

針對上述硬件系統設計了相關的程序來實現對直流電機的相關控制、顯示相關信息以及與GPRS模塊通信等功能。依據系統需要設計了主程序、系統初始化程序、電機驅動程序、速度采集程序、按鍵處理程序、報警程序、顯示模塊程序以及GPRS模塊程序等相關程序。由于篇幅關系本文就不給出具體程序。

4 結 論

文中設計了基于單片機的直流電機遠程智能監控系統，該系統的硬件和軟件設計結構合理、功能完善，實現了對直流電機正轉、反轉、加速以及減速的平穩控制、實現了對電機工作狀態的實時顯示、超限報警以及利用GPRS模塊遠程智能控制等功能。

[1]吳炯洋，謝劍英.無刷直流電動機控制器設計[J].控制工程，2008（6）:720-723 WU Jiong-xiang，XIE Jian-ying.Controller design of brushless DCMotor[J].Control Engineering ofChina，2008（6）:720-723.

[2]紀梁洲，楊向宇，龔晟.多功能無刷直流電機驅動控制器的研制[J].微電機，2011（4）:64-66.JI Liang-zhou，YANG Xiang-yu，GONG Sheng.Research on multiple functionsofbrushlessDCmotordrive[J].Micromotors，2011（4）:64-66.

[3]李維軍.基于單片機用軟件實現直流電機PWM調速系統[J].機電一體化，2004（5）:49-51.LIWei-jun.The realization of DC motor speed control by software using PWM theory based on the SCM[J].Mechatronics，2004（5）:49-51.

[4]喬敏娟，韓文波，劉瑩瑩.基于DSP的無刷直流電機閉環控制系統的設計[J].計算機與現代化，2014（1）:206-210.QIAO Min-juan，HANWen-bo，LIU Ying-ying.Brushless DC motor closed loop control system based on DSP[J].Computer and Modern，2014（1）:206-210.

[5]王之道，周靖，劉旭.一種基于AT89C2051單片機的直流電機調速裝置[J].機械工程與自動化，2009（5）:151-154.WANG Zhi-dao，ZHOU Jing，LIU Xu.Akind of DC motor speed regulating system basedon AT89C2051 single-chip computer[J].Mechanical Engineering& Automation，2009（5）:151-154

[6]孫學宏，車進，張成.基于GPRS的水利數據采集及遠程監控系統研究[J].安徽農業科學，2009（36）:18057-18059.SUN Xue-hong，CHE Jin，ZHANG Cheng.Research on the water conservancy data-collecting and remotemonitor system based on GPRS[J].Journal of Anhui Agri.Sci，2009（36）:18057-18059.