基于单片机的直流电机远程智能监控系统设计

王冬梅，侯春辉，路敬祎，翟 颖，安佳轩

（1．东北石油大学 电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318；2．中国石油 大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163000）

随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机的复杂控制变成主流；直流电动机由其具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速性能，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用[1-2]。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，PWM控制技术获得了空前的发展；特别是单片机技术的应用以及无线通讯技术的发展，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、远程监控以及高可靠性已成为它发展的趋势[3-4]。因此文中设计了基于单片机的直流电机远程智能监控系统。

1 系统设计思路

本文直流电机调速系统以单片机系统为依托，根据PWM调速的基本原理，以直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速为依据，实现对直流电动机的平滑调速[5]；通过单片机控制直流电机加速、减速、正转以及反转的变化；通过单片机来看控制液晶显示器显示电机的实时工况信息；通过利用GPRS模块来实现度直流电机的远程实时监控[6]。文中所研究的基于单片机的直流电机远程智能监控系统主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件系统由单片机模块、电机驱动模块、速度采集模块、LCD液晶显示模块、报警模块、键盘控制模块以及GPRS无线传输模块等组成。

2 硬件电路设计

文中硬件部分单片机模块、电机驱动模块、速度采集模块、LCD液晶显示模块、报警模块、按键控制模块以及GPRS无线传输模块等组成。其中单片机模块是本文的核心模块，它控制整个系统的运行，利用其各个口分别控制其他模块，使其他模块能够成为一个整体，实现所需的功能。键盘控制模块用四个独立按键实现控制直流电机的加速、减速、正转和反转；利用速度采集模块来采集直流电机的实时转速；利用1602来实时显示直流电机的工作状态；报警模块主要指当监测到直流电机转速超过正常阈值范围时实现越限报警。电机驱动模块负责按单片机控制直接驱动电机工作。无线传输模块中采用GPRS技术，实现了对直流电机的远程监控。

2.1 单片机模块设计

单片机控制模块主要由单片机和相关元器件构成的单片机最简系统，本文对电机的相关控制是通过单片机控制模块来实现的，对于单片机来说，通过编程设置其方式寄存器TMOD可设定定时器工作于所需的定时方式，设定好定时时间，在时间到达时就会产生定时中断，单片机响应定时中断，在定时中断中根据所需的时间控制相应输出端口的电平，即可实现对输出控制端口信号的频率、占空比的控制，从而达到控制要求的一种电压调整方法。单片机模块如图1所示由单片机、晶振电路和复位电路构成。

图1 单片机模块及报警电路Fig.1 MCUmodule and Alarm circuit

2.2 速度采集模块电路设计

本系统采用光电开关测量装置来实对电机速度和转向的测量。光电式测速传感器的工作原理是基于光电变换原理，将被测轴的转速转换为电脉冲信号。光电式测速传感器输出信号的波形比较规整，接近标准方波，几乎无干扰信号产生。本文测速电路如图所示2所示。 R6用来限制发射二极管的电流。发射管的电流大则发射功率大，但不能超过它的极限电流，它的极限输入正向电流为50mA。

图2 速度采集电路Fig.2 Speed acquisition circuit

2.3 键盘模块设计

文中设计的键盘模块是由4个按钮组成的开关矩阵，用户能通过键盘向计算机输入指令，通过I/O口连接，将每个按钮的一端接到单片机的I/O口，另一端接地，按键具体功能为：一个为“加速按键”，一个为“减速按键”，一个为“正转按键”、最后一个为“反转按键”。按键电路图如图3所示。

图3 键盘模块电路Fig.3 Keyboardmodule circuit

2.4 电机驱动模块设计

通过调节直流电机的电压可以改变电机的转速，文中用脉宽调制（PWM）来实现调速。一般用软件模拟可以有延时和定时两种方法，文中采用定时方法来产生PWM信号；由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若忽然将电流切断将在功率管两端产生巨大的电压，容易损坏器件。为保护芯片而加上续流电路，文中利用二极管的单向导通性来实现续流；利用H桥电路来实现直流电机相关控制。电机驱动电路模块如图4所示。

图4 电机驱动电路Fig.4 Motor drive circuit

2.5 显示模块电路设计

液晶显示器（LCD）具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其它显示器无法比拟的优点，近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。单片机可以通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式、I/O设备访问形式控制该液晶显示模块。本设计根据1602引脚功能来与单片机进行连接，其中液晶的DO-D7接单片机的 P0端，是数据和命令的读写端。RS、RW 和 EN端则用于初始化液晶和控制液晶功能的开启。其与单片机的硬件连接电路图如图5所示。

图5 显示模块电路Fig.5 Displaymodule circuit

2.6 GPRS通讯模块电路设计

目前市场上的主流GSM/GPRS模块有以下几种：BENQ公司的M22/M23模块、SI-EMENS公司的 MC 35/M C39模块、索尼公司的GR47/GR48模块。本文选择BenQ公司的M23通讯模块。本文利于MAXIM公司生产的MAX232接口芯片实现单片机与GPRS模块的通信，利用单片机的RXD、TXD接口连接到MAX232串行口接收或发送数据和指令。设计电路如图6所示。

图6 GPRS模块电路Fig.6 GPRSmodule circuit

3 系统软件设计

针对上述硬件系统设计了相关的程序来实现对直流电机的相关控制、显示相关信息以及与GPRS模块通信等功能。依据系统需要设计了主程序、系统初始化程序、电机驱动程序、速度采集程序、按键处理程序、报警程序、显示模块程序以及GPRS模块程序等相关程序。由于篇幅关系本文就不给出具体程序。

4 结 论

文中设计了基于单片机的直流电机远程智能监控系统，该系统的硬件和软件设计结构合理、功能完善，实现了对直流电机正转、反转、加速以及减速的平稳控制、实现了对电机工作状态的实时显示、超限报警以及利用GPRS模块远程智能控制等功能。

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