電氣畢業(yè)設(shè)計(jì)_電動(dòng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、電氣畢業(yè)設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān) 控系統(tǒng)設(shè)計(jì)電氣畢業(yè)設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目 電動(dòng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院專業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名指導(dǎo)教師成績2013年6月16日II摘要隨著工業(yè) 技術(shù)的快速發(fā)展，電氣設(shè)備遠(yuǎn)距離監(jiān)控也越來越具有廣泛的 應(yīng)用和發(fā)展前景。對(duì)于電動(dòng)機(jī)，作為自動(dòng)控制裝置中不可缺少的動(dòng)力執(zhí)行部 分，必須時(shí)時(shí)刻刻知 道其是否正常工作，是否正常運(yùn)行，以避免產(chǎn)生不必要的損失。由于工業(yè)現(xiàn)場的惡劣條 件，為了提高工作效率，使得電 機(jī)性能的遠(yuǎn)程精確測量顯得更為重要。本文根據(jù)電動(dòng) 機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，采集電動(dòng)機(jī)的電壓、電流、 轉(zhuǎn)速和溫度

2、四個(gè)基本參數(shù)數(shù)據(jù)，用以觀察電動(dòng)機(jī)是否在正常工作狀態(tài)中，如果由現(xiàn)工作異常，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并及時(shí) 停機(jī)提示處理。該系統(tǒng)先將采集的實(shí)時(shí)參數(shù)顯示在現(xiàn)場液晶上，并將數(shù)據(jù) 通過GPRS傳送到互 聯(lián)網(wǎng)上，即傳入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理和 操作以便觀察和保存。實(shí)現(xiàn)了用戶不在現(xiàn)場也能知道現(xiàn)場情況。在設(shè)計(jì)方面，單片機(jī)編程是采用C語言設(shè)計(jì)，其中單片機(jī)之間的通信 采用Modbus協(xié)議與 RS-485接口，使得子單片機(jī)與主單片機(jī)直接的通信變得更加穩(wěn)定可靠。PC機(jī)中上位機(jī)是在LabWindows/CVI開發(fā)平臺(tái)中用C語言設(shè)計(jì)，其中包括每個(gè)電機(jī)是否正常運(yùn)行的顯示、單個(gè)電機(jī)參數(shù)的圖形顯示、增添刪減電氣設(shè)備、歷史數(shù)據(jù) 保存 和數(shù)據(jù)的保

3、存。軟件的界面友好，顯示直觀，操作簡單。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；參數(shù)采集；GPRS; LabWindows/CVI III Abstract With the development of science and technology industry, remote monitoring device is also increasingly wide range of applications.For the motor, automatic control device as an indispensable part of the dynamic execution must always k

4、now that it is working, whether the normal operation, in order to avoid unnecessary losses.Because of the harsh conditions of industrial field, in order to improve work efficiency, making precise measurements of the remote motor performance is even more important.Based on the characteristics of the

5、motor running, collecting the motor voltage, current, speed and temperature four basic parameters of the data, to observe whether the motor in normal working condition, if there is not working properly, you can discover and promptly shut downprompt treatment.First acquisition time of the system para

6、meters are displayed on the LCD field, and data transmitted to the Internet by GPRS, which are processed into the computer and operate in order to observe and saved.Achieve the user off-site, to know the situation. In terms of design, microcontroller programming using C language design, in which com

7、munication between the microcontroller using Modbus protocol and RS-485 interface, so that the sub MCU and host microcontroller direct communication becomes more stable and reliable.PC, position machine is in the LabWindows / CVI development platform using C language design, including whether the no

8、rmal operation of each motor show, a single graphical display of motor parameters, historical dataretention and datapreservation.Software is user-friendly, intuitive display, easy to operate. Keyword :MCU; Parameter collection ; GPRS; LabWindows/CVI IV 目 錄摘要摘要I AbstractII第第1 1章章緒論緒論1 1.1課 題研究的背景和意義1

9、 1.2本系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢1 1.3本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)2第第2 2章章總體框架的設(shè)計(jì)總體框架 的設(shè)計(jì)4 2.1電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 2.1.1主控制器設(shè)計(jì)4 2.1.2檢測模塊方案設(shè)計(jì)6 2.2數(shù)據(jù)通信方案設(shè)計(jì)9第第3 3章章 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì).12 3.1核心控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).12 3.1.1 STC12C5A60S2 單片機(jī)簡介 12 3.1.2 STC12C5A60S2單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)12 3.2系統(tǒng)供電電源設(shè)計(jì).13 3.3光電隔離模塊.15 3.4參數(shù)采集模塊.16 3.4.1 電壓檢測采集模塊.16 3.4.2電流檢測采集模塊.16 3.4.3溫 度檢測采集模塊.17

10、 3.4.4轉(zhuǎn)速檢測采集模塊.17 3.5 GPRS 通信設(shè)計(jì)18 3.6 LED12864顯示部分18第第4 4章章 參 數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì).20 4.1主控制器程序設(shè)計(jì).20 4.2參數(shù)采集模塊程序設(shè)計(jì).21 4.2.1電 壓檢測程序設(shè)計(jì).21 4.2.2脈沖檢測程序設(shè)計(jì).21 4.3數(shù)據(jù)傳 輸協(xié)議程序設(shè)計(jì).22 4.3.1 RS485網(wǎng)絡(luò).22 4.3.2 CRC 校驗(yàn).23第第5 5章章上位機(jī)程序設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)效果上位機(jī) 程序設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)效果.24 5.1 LABWINDOWS/CVI 簡介24V 5.2 WINDOWS 窗體設(shè)計(jì)及操作說明.24 5.3上位機(jī)程序設(shè)

11、計(jì).28 5.4實(shí)驗(yàn)效果顯示圖.29結(jié)論結(jié)論.32參考文獻(xiàn)參考 文獻(xiàn).33附錄附錄1 1主控制器參考程序代碼主控制器參 考程序代碼34附錄附錄2 2測量模塊程序代碼測量模塊程 序代碼46附錄附錄 3 3上位機(jī)程序代碼上位機(jī)程序代碼 53致謝致謝.67 1第1章緒論1.1課題研究的背景和意 義 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制裝置具有越來越深入各 種應(yīng)用領(lǐng)域。由于電能環(huán) 保方便等優(yōu)點(diǎn)，使電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域非常眾多,覆蓋人們生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，人們對(duì)電機(jī)的依賴也越來越大，電機(jī)已是當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)生活中最主要的原始動(dòng)力裝 置。因此，由于原始動(dòng)力裝置的故障、損壞所影響人們的生 活問題甚至導(dǎo)致工廠停工所造成的經(jīng)濟(jì)損

12、失非常巨大。盡可能的減少電機(jī)故障所造成經(jīng)濟(jì)損失，提高經(jīng)濟(jì)效益，所以對(duì)電 機(jī)現(xiàn)場的一些參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控是非常必要的。在生產(chǎn)實(shí)踐中，要得到需要的數(shù)據(jù)，通常將由傳感器產(chǎn) 生輸生的模擬電壓信號(hào)或者電流信號(hào)通過相關(guān)處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過相關(guān)應(yīng)用的系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的處理過程稱為數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集裝置已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用，目前己進(jìn) 入到了 現(xiàn)代化工廠、地質(zhì)勘測、醫(yī)藥檢測器械、電子信息 通信、載人航空航天等各個(gè)行業(yè)，給人類提供了獲得各種各樣信息的便利條件。原始的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)雖然穩(wěn)定但應(yīng)用的范圍比較窄，對(duì)于各種各樣需求，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要重新改造設(shè)計(jì)，浪費(fèi)了 大量人力物力和時(shí)間。而且對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度要求也越

13、來越高，在各種各樣的領(lǐng) 域都需要運(yùn)用到高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。所以設(shè)計(jì)一種適用強(qiáng)應(yīng)用范圍廣高精度遠(yuǎn)程傳輸?shù)臄?shù)據(jù) 采集系統(tǒng)是顯得尤為重要的隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，被測量對(duì)象的位置分散，現(xiàn) 場環(huán)境惡劣，要求測試測 量和處理分析的信息也越來越大， 越來越多，而且測量的任務(wù)繁雜，測試測量的系統(tǒng)巨大，測量的單元眾多，各個(gè)測量單元與主控器的數(shù)據(jù)交換量也越 來越大。而且由于 工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境條件惡劣，同時(shí)為了有效提高 工作效率，所以遠(yuǎn)距離監(jiān)控非常重要。因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)距離化越來越重要。綜上而言，研究一套適用性強(qiáng)、運(yùn)用范圍廣的高精度的遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)是非常必要的，也是迫在眉睫 的，它不僅可以有

14、效節(jié)省人力物力的投入和提高工業(yè)生產(chǎn) 的自動(dòng)化水平，還對(duì)于提高我國實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化水平和推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展具有非常深刻的意義。1.2 本系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢電動(dòng)機(jī)測量技術(shù)的發(fā)展與工業(yè)的發(fā)展是息息相關(guān)的，電動(dòng)機(jī)的測量從最開始采用 原 始的測量方法（即使用指針式儀表進(jìn)行手工測量）到現(xiàn)在的 微型計(jì)算機(jī)自動(dòng)化測量。從而使測量的工作簡單化、高效化和準(zhǔn)確化，而且能夠 完成原始的測量無法完成的測量和實(shí)驗(yàn)工作。2對(duì)于目前的儀器儀表來說，微處理器的引用也使它們 的結(jié)構(gòu)體積和性能都有很大的提升，使儀器儀表更偏向智能化，在精度、性能與功能上都有了很大的進(jìn)步，而目 前儀器儀表中經(jīng)常用的微處理器大部分是單片機(jī)，因?yàn)閱纹瑱C(jī)發(fā)展

15、非常快，從普通的51型單片機(jī)到avr到后來的增強(qiáng)型8051單片機(jī)，運(yùn)算速度越來越快，功能越來越多，外配電路越來越少，操作也越來越簡單方便了，解決了原始的儀器 儀表不能解決的問題。但是這只是在儀器儀表方面的發(fā)展，只是提高了儀器儀表的精確度和更加方便使 用，沒有實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化。在硬件方面，納米技術(shù)的高速發(fā)展和應(yīng)用，也使得硬件集 成電路更新迅猛，集成電路芯片的功能也日益強(qiáng)大，應(yīng)用領(lǐng) 域也越來越廣泛，開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)間也越來越短，更新越來越快。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，要求測試測量和處理分析的 信息量越來越大，對(duì)電動(dòng)機(jī)設(shè)備自動(dòng)化測量程度也越來越局。本系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控，無需人員在現(xiàn)場監(jiān)護(hù)，大 量減少 人力物力

16、的投入，而且在上位機(jī)上可以同時(shí)對(duì)多個(gè)電動(dòng)機(jī)設(shè) 備進(jìn)行操作，大大 提高了工作效率。使人們的生活更加智能化，更加簡單美好。1.3 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo) 電動(dòng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是研究一個(gè)遠(yuǎn)程的能夠較為精確的測量電機(jī)運(yùn)行中的電壓、電流、轉(zhuǎn)速和溫度等參數(shù)的功能，并能即 時(shí)的可靠的遠(yuǎn) 程數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y試方法和實(shí)現(xiàn)途徑。本課題設(shè)計(jì)的電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)要求能夠較精確的測量電機(jī)運(yùn)行中的電壓、電流、轉(zhuǎn)速和溫度等參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的即時(shí)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，并能夠在監(jiān)測到電機(jī)奧參數(shù)異常時(shí)能即時(shí)發(fā)生停機(jī)信號(hào)或者給由提示信息。同時(shí)，既要降低用戶的操作程序，又 要能對(duì)多個(gè)電機(jī)同 時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)行高度自動(dòng)化、智能化。該

17、監(jiān)測系統(tǒng)所需要實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)要求如下：(1)該監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)電壓、電流、轉(zhuǎn)速、溫度的 采集，并能夠時(shí)時(shí)保存 數(shù)據(jù)。(2)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)至少 12個(gè)電機(jī)的參數(shù)采集，并能夠?qū)?現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。只需 在電腦旁，便可知所有電機(jī)運(yùn)行參數(shù)和工作狀態(tài)。(3)該系統(tǒng)的電壓測量范圍為 0到450V,電流測量范圍 為0到50A,轉(zhuǎn)速測量范 圍為0到2000轉(zhuǎn)/分，溫度測 量范圍為0 c至U 200 C。測量精度為0.1%。(4)當(dāng)監(jiān)測到電機(jī)參數(shù)異常時(shí)， 能發(fā)生停止信號(hào)或者提示 信息。(5)該系統(tǒng)電源在電機(jī)正常工作的時(shí)候是用電機(jī)的電源 通過整流得到的，在電機(jī)非正常工作時(shí)候，電源要保證該電機(jī)系統(tǒng)模塊能繼續(xù)運(yùn)行一段

18、時(shí)間。(6)實(shí)現(xiàn)將該系統(tǒng)的參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上，工作人員在任何地方都可以觀察工3業(yè)現(xiàn)場電機(jī)是否運(yùn)行正常。(7)在計(jì)算機(jī)上建立個(gè)基于Windows系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)顯示平臺(tái)，能簡單明了的看由問題所在。(8)在計(jì)算機(jī)上，能查看所有電動(dòng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)圖 像，而且能夠?qū)﹄妱?dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)簡單控制。4第2章總體框架的設(shè)計(jì) 2.1電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的工作過程是由電機(jī)的各個(gè)參數(shù)采集模塊采集數(shù)據(jù)， 再通過RS-485協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器，主控制器將 各個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)通過LCD12864顯示并組合打包成一個(gè)數(shù)據(jù)串，通過 RS-232發(fā)送給 GPRS無線模塊，GPRS無線 模塊又將數(shù)據(jù)串和本身的地址數(shù)據(jù)組合打

19、包一起發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，然后PC機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)接受各個(gè)GPRS無線模塊 發(fā)送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理和顯示。如果莫個(gè)電機(jī)由現(xiàn)故障，PC機(jī)可以向各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令后根據(jù)命令再向參數(shù)采集模塊或執(zhí)行模塊發(fā)送停機(jī)命 令，總體結(jié)構(gòu)圖如下圖 2- 1。PC機(jī) 收集數(shù)據(jù)與繪制參數(shù)曲線電機(jī)電壓 采集模塊電機(jī)電流采集模塊電機(jī)溫度采集模塊電機(jī)轉(zhuǎn)速采集模 塊 主控制器 1用來中轉(zhuǎn)與顯示數(shù)據(jù)GPRS無線模塊 1電機(jī)電壓采集模塊。 Oo o電機(jī)轉(zhuǎn)速 采集模塊 主控制器 2用來中轉(zhuǎn)與顯示數(shù)據(jù) GPRS無線模塊n圖2-1總體結(jié)構(gòu)圖 2.1.1主控制器設(shè)計(jì) 主控制器作用是通過 RS-485接收電機(jī)參數(shù)采集模塊的發(fā) 上采集數(shù)據(jù)，校驗(yàn)確保數(shù)

20、據(jù)正確后，在將采集數(shù)據(jù)現(xiàn)場顯示由來并按照規(guī)定協(xié)議組合打包，再通過 RS-232發(fā)送給 GPRS無線發(fā)送模塊。要實(shí)現(xiàn)這些功能要用到兩個(gè)串口通信，其中一個(gè)是接收電 機(jī) 參數(shù)采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)的485串口，另一個(gè)是將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給 GPRS無線發(fā)送模塊的232串口；接收到采 集模塊的數(shù)據(jù)后能在LCD12864實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場顯示并且能給電機(jī)發(fā)送指令。為了滿足上述要求，所選控制核心芯片的引腳必須在24管腳以上，擁有兩 5個(gè)通信串口。主控制器功能圖如下圖2-2:主控制器單片機(jī)測量參數(shù)模塊 LED12864實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場顯示 測量參數(shù)模塊 RS-485 RS-485 RS-232 GPRS無線數(shù) 據(jù)收發(fā) 模塊 圖2-2

21、主控器 要實(shí)現(xiàn)以上功能，主控器用普通的增強(qiáng) 版51單片機(jī)就能實(shí)現(xiàn)。目前生產(chǎn)的普通單片機(jī)是集成在一個(gè)芯片上的微型計(jì)算機(jī)，是將微型的中央處理器CPU,數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器，程序儲(chǔ)存器和并行I/O 口等電路高度集成在一個(gè)小芯片上構(gòu)成的。因此向單片機(jī)內(nèi)寫 入相應(yīng)的程序和正確的外配電路相結(jié) 合，便可以設(shè)計(jì)由由單片機(jī)為主控制芯片的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所想實(shí)現(xiàn)的功能。在大學(xué)期間主要使用的單片機(jī)是8051系列的單片機(jī)，常用的 51系列單片機(jī)有ATMEL公司生產(chǎn)的 AT89S/C系列的單片機(jī)和臺(tái)灣宏晶公司的STC89C52單片機(jī)。臺(tái) 灣宏晶公司的 STC12C5A60S2（如圖 2-3）單片機(jī)是基 于MCS-51內(nèi)核的基礎(chǔ)開發(fā)的，

22、最 大的特點(diǎn)就是 STC具 有串口下載功能ISP和ASP,大大降低單片機(jī)的開發(fā)難度。圖2-3 STC12C5A60S2單片機(jī) STC單片機(jī)內(nèi)部有集成 模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的10位AD轉(zhuǎn)換器，在采集模擬信號(hào)時(shí)可以 不用外配 AD ,大大的簡化電路，節(jié)約成本。6 2.1.2檢測模塊方案設(shè)計(jì) 通過學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)采集，本系統(tǒng) 將采集電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、溫度四個(gè)基本參數(shù)，可以分為電壓檢測模塊，電流檢測模塊，轉(zhuǎn)速檢測模塊和溫度 檢測模塊。1.測量電壓的方案設(shè)計(jì)電壓檢測目前查到兩種通常測量方法，第一種最普遍簡單的方法是直接用電阻分壓，把高電壓分壓成低電壓，再整流測量，通常萬用表就是用的這 種方法。第二種方 法是采用

23、霍爾電壓傳感器，霍爾電壓傳感器運(yùn)用了霍爾效應(yīng)，感應(yīng)由相應(yīng)電動(dòng)勢，這樣電壓便被采集到了，這種方法的精確度比前兩種方法的精確度高由不少，所 以本 設(shè)計(jì)采用利用霍爾電壓傳感器采集電壓的模塊（如圖2-4）作為在線電壓采集的元件。圖2-4霍爾電壓傳感器 2.測量電流的方案設(shè)計(jì) 在測量 電流時(shí)，主要分為直接測量電流和非直接測量電流兩種方 法，主要是從安 全方面去考慮，當(dāng)測量電流比較大時(shí)，大 都會(huì)選擇非接觸式電流檢測法。對(duì)于非接觸 式電流檢測，電流越大它周邊的磁場就越強(qiáng)， 根據(jù)這一原理，霍爾電流檢測法通過霍爾元件把磁場的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，線圈檢測法是通過線圈吧磁場強(qiáng)度的變 化量轉(zhuǎn) 換成小的電流信號(hào)，再把小

24、電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。根據(jù)檢測精度的要求，本設(shè)計(jì)選擇了霍爾電流檢測方法，HBA50-TSAD（如圖2-5所示）用來作為電流信號(hào)的采集元件。7圖2-5 HBA50-TSAD 3 .測量轉(zhuǎn)速的方案設(shè)計(jì) 測量轉(zhuǎn) 速通常選用兩種傳感器進(jìn)行測量，一種為光電傳感器，一種 為霍爾傳感器。光電傳感器通常需要配合光電碼盤，碼盤上有小孔，也 可以是用自制的黑白相間的圈，每轉(zhuǎn)一圈記一個(gè)數(shù)。但是由于做實(shí)驗(yàn)過程中電機(jī)的變頻磁場干擾強(qiáng)，使測量誤 差很大。霍爾傳感器的方法需要的是金屬，這就要比采用光電傳 感器時(shí)的外圍方便許多。在霍爾傳感器檢測到金屬后便計(jì)數(shù)一次，這樣就可實(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)速的測量，誤差相對(duì)較小。根據(jù)記脈沖個(gè)數(shù)來測量轉(zhuǎn)速

25、有以下三種方法：（1）在單位的時(shí)間里去測量傳感器所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)來計(jì)算由速度，稱為 M法測速；（2）測量兩個(gè)相鄰脈沖的時(shí)間來 測量速度，稱為T法測速；（3）同時(shí)測量檢測時(shí)間和在此時(shí) 間內(nèi)傳感器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)來測量速度，稱為M/T法測速。比較以上三中測量方法，M法可以測量速度比較大的，因?yàn)樗俣嚷?，在單位時(shí)間內(nèi)可能沒有脈沖；T法可以用于測量速度較低的，如果速度快了，檢測的時(shí)間很小誤差也變得比較大了；而 M/T法可以適用于檢測高速和低速的 電機(jī)。本設(shè)計(jì)中電機(jī)的 轉(zhuǎn)速比較高，所以選擇的是 M法，如下 圖2-6所示。8圖2-6霍爾傳感器與三相交流電機(jī)4.測量溫度的方案設(shè)計(jì) 非接觸式測溫技術(shù)，這種技術(shù)測

26、溫理念超前，又是 非接觸式。雖然安全方面非常 可靠，但是，其制作成本較高，在本 設(shè)計(jì)中沒有采用。接觸式的測溫方法就比較通用，而且應(yīng)用比較廣泛，一般分為兩種。一種是埋置檢溫計(jì)法，就是把熱電阻或者熱電偶放進(jìn)電機(jī)內(nèi)部測量溫度，這種方法測量在工業(yè)應(yīng)用最為廣泛，對(duì)于 大型電機(jī)，這種方 法可以測由量多點(diǎn)的準(zhǔn)確溫度。最后一種是數(shù)字是溫度傳感器DS18B20,在芯片內(nèi)部 直接將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)直接按照特定協(xié)議讀取就 行，但是抗干擾能力差，容易由現(xiàn)誤差，數(shù)據(jù)變化大。本設(shè)計(jì)采用的是埋置檢溫計(jì)法，選擇的是Pt100粕電阻的溫度變送器（如圖2-7所示），這樣可以有效的排由電動(dòng)機(jī) 產(chǎn)生的磁場對(duì)測溫的干擾。圖2

27、-7溫度變送器 9 2.2數(shù)據(jù)通信方案設(shè)計(jì) 設(shè)備之間 的數(shù)據(jù)通信是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中常見的要求，數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)方法 較多，總體歸納為無線和有線兩種。無線通信主要有紅外、 藍(lán)牙、ZigBee等，有線通信主要有 RS-232、USB、M_BUS、CAN 等。在本系統(tǒng)中有兩個(gè)地方需要運(yùn)用到數(shù)據(jù)通信，參數(shù)檢測模塊與主控制器之間的通信和主控單片機(jī)與上位機(jī)之間的通信。參數(shù)檢測模塊與主控單片機(jī)通信可以說是現(xiàn)場數(shù)據(jù)通 信，及現(xiàn)場總線。選擇現(xiàn)場 總線，有幾個(gè)有名的現(xiàn)場總線值得提一提，首先就是基金會(huì)現(xiàn)場總線，它的英文名稱是:Fieldbus Foundation ,簡稱：FF。他的體系的結(jié)構(gòu)式參照了ISO/OSI模型。他

28、用到 了此模型的應(yīng)用層、數(shù)據(jù)連接層和物理層，并且 在此基礎(chǔ)上還專門為用戶添加了用戶層。最后一種總線是中國中小型工業(yè)企業(yè)用戶最多，并且在 全球最早用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。它最大的特點(diǎn)是 Free,它的名字叫 Modbus。Modbus已經(jīng)成為中國國家標(biāo) 準(zhǔn) GB/T19582-2008 ,他可 以支持多種電氣接口，可 硬用雙絞線、光纖、無線等多 種 傳輸介質(zhì)。通信接 口( communication interface ) 是指中央處理器和 標(biāo)準(zhǔn)通信子系統(tǒng)之間的接口。常用的串行通信接口有：RS-232 :串行數(shù)據(jù)通信接口的標(biāo)準(zhǔn)，RS是英文 推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識(shí)號(hào)，最初都是由電子工業(yè)協(xié)會(huì)

29、( EIA)制訂并 發(fā)布的，RS-232在1962年發(fā)布，命名為 EIA-232-E ,作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以保證不同廠家產(chǎn)品之間的兼容。RS-422由RS-232發(fā)展而來，它是為彌補(bǔ) RS-232之不 足而提由的。RS-232是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（即 只用一對(duì)收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè) 計(jì)的，其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為 37kQ。所以RS-232適 合本地設(shè)備之間的通信。RS-232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，制做的驅(qū)動(dòng)器可以添加2500pF的電容，但是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x將受到此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜線 時(shí)，最大傳輸距離為 15m；若將每 米電纜線的電容量減小，數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x可以 大大增加。RS232接口如下圖 2-8所示。

30、10 圖 2-8 RS232 接口 RS-485:遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)具有抑制共模干擾的能力，在要求數(shù)據(jù)傳輸距離為幾 十米到一千多米時(shí)，廣泛運(yùn)用的是RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485最大的通信距 離約為1219m,最大傳輸速率為 10Mbps。RS-485的工作方式是半雙工，所以在通信時(shí)，必須要控 制485芯片（如圖2-9所示）的使能端，AB線路上至多只能 有一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)為發(fā)送信號(hào)狀態(tài)，平時(shí)幾乎所有的通信節(jié)點(diǎn)都處于接收狀態(tài)。由于RS-485傳輸距離長，操作簡單，工作新能穩(wěn)定，人們多用RS-485來多點(diǎn)互聯(lián)。圖2-9 MAX485 芯片 GPRS-GPS模塊具有兩個(gè) RS232 接口，UART0為模

31、塊主接口，UART2為 GPS輸 由接口。模塊可工作在自動(dòng)定位模式和Modem模式。模塊工作自動(dòng)定位模式下時(shí)，模塊上電后將自動(dòng)連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，并定時(shí)向 GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送 GPS定位信息， UART0為透明數(shù)據(jù)接口，用戶通過此串口可以向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送 數(shù)據(jù)；模塊工作在 Modem 模式下時(shí)，11 UART0 為 GPRS 模塊接口，用戶可以通過此接口與GPRS模塊（MC37I）通信，模塊 默認(rèn)工作模式為自動(dòng)定位模式。在本系統(tǒng)中共用到一臺(tái) PC機(jī)，兩個(gè)GPRS無線模塊與 三個(gè)單片機(jī)，PC機(jī)面向用戶，其中一個(gè)單片機(jī)和 GPRS無 線模塊作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，剩下的兩個(gè)單片機(jī)作為檢測模塊來設(shè)計(jì)。PC機(jī)與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)

32、站通信是總體的通信，并且通信距離大 于10m,通過GPRS無線實(shí)現(xiàn)。GPRS無線模塊與單片機(jī)之間的通信接口是選擇全雙工 的 RS-232-C 接口。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站與參數(shù)檢測節(jié)點(diǎn)之間因?yàn)槭嵌帱c(diǎn)相互連接，且 通信距離在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可能會(huì)較長，所以選擇RS-485接口比較合適。12第3章 硬件電路設(shè)計(jì)3.1核心控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1.1 STC12C5A60S2 單片機(jī)簡介 STC12C5A60 系列單片 機(jī)是臺(tái)灣宏晶公司生產(chǎn)單片機(jī)，是一款具有非?？斓挠?jì)算 速度并且抗干擾能力不錯(cuò)的單片機(jī)系列。他的指令與引腳都符合51單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，在 普通51單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)上，它增加了一個(gè)十位的高速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器擁有八個(gè)

33、通道，復(fù)用的是單片機(jī)的P1弓I腳，內(nèi)部集成了典型復(fù)位電路，還有兩路可以調(diào)速的PWM輸 出,除此之外，他還增加了兩個(gè)可編程計(jì)數(shù)器陣列和根據(jù)型號(hào)不 同大小也不同的幾個(gè)EEPROM扇區(qū)，每一個(gè)扇區(qū)可以重復(fù)擦鞋一萬次。此系列了的單片機(jī)計(jì)算速度是普通51單片機(jī)計(jì)算速度的8-12倍，所以在做信號(hào)處理上也有很大的優(yōu)勢。3.1.2 STC12C5A60S2 單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) STC12C5A60S2單片機(jī)與普通的51單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路基本相同，需要+5V供 電，一個(gè)復(fù)位電路（如圖3-2所示） 和時(shí)鐘電路（如圖3-1所示）構(gòu)成了一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)（如圖3-3所示）。時(shí)鐘電路相當(dāng)于單片機(jī)的心臟，給單片機(jī)運(yùn)行

34、提供時(shí)鐘， 它的電路 由一個(gè)外部鐵殼晶振和兩個(gè)瓷片電容構(gòu)成如圖3-1;單片機(jī)復(fù)位電路由一個(gè)按鍵，一個(gè)10uF和一個(gè)1K電阻組成，當(dāng)按鍵 S1按下，單片機(jī)軟件復(fù)位。本設(shè)計(jì)中，通信傳輸波 特率為9600bps,為了使通信方便 外部晶振為11.0592MHz,設(shè)置波特率誤差比較小。圖 3-1時(shí)鐘電路圖 3-2復(fù)位電路 13圖 3-3 STC12C5260S2單片機(jī)最小系統(tǒng) 3.2系統(tǒng)供電電源設(shè)計(jì) 系 統(tǒng)供電電源有現(xiàn)場測量和上位機(jī)兩部分?，F(xiàn)場測量部分電壓傳感器和電流互感器需要24V供電，溫度傳感器 Pt100需要12V供電，測速接近開關(guān)需要5V供電；主 控芯片和顯示需要 5V供電；上位機(jī)為 PC機(jī)。在

35、現(xiàn)場它們的電源來自變頻柜，由變頻柜引由接線端子，再由開關(guān)電源（如圖3-4所示）穩(wěn)壓成24V電源與12V電 源。有提供24V的電源，只需將 24V轉(zhuǎn)換成5VO而傳統(tǒng)的7805穩(wěn)壓芯片要求輸入電壓在6V到12V,無法滿足要求，所以選擇了LM2576系列開關(guān)穩(wěn)壓集成器件。14圖3-4 12V與24V開關(guān)電源 隨著科技的發(fā)展， LM2576開關(guān)穩(wěn)壓積塵電路系列，將慢慢替代三端穩(wěn)壓器件 （如78xx系列三端集成電路），LM2576系列具有較高的工 作性能和能輸由較大工作的電流。從而為MCU的可靠、穩(wěn)定工作提供了強(qiáng)有力的保證。LM2576系列能輸由 3A電流的 降壓穩(wěn)壓電路，它內(nèi)部 含穩(wěn)定晶振振蕩器（52

36、kHz）和基本標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓芯片（1.23V）,并 具有相當(dāng)完善的電路保護(hù)。LM2576系列（如圖3-5所示）包括LM2576（最高輸入電 壓40V）及LM2576HV（最高輸入電壓 60V）二個(gè)系列，各系 列產(chǎn)品均提供有 3.3V（-3.3）、5V（-5.0）、 12V（-12）、15V（-15） 及可調(diào)（-ADJ）等多個(gè)電壓檔次產(chǎn)品。LM2576 的外配電路如圖 3-6。圖3-5 LM2576 15圖3-6 LM2576 外配電路 3.3光電 隔離模塊電動(dòng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是研究一個(gè)遠(yuǎn) 程的能夠較為精確的測量電機(jī)運(yùn)行中的電壓、電流、轉(zhuǎn)速和溫度等參數(shù)并能即時(shí)的可靠的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。電?dòng)機(jī)設(shè)

37、 備運(yùn)行環(huán)境中存在著很多不為人知的變化脈沖，這些變化脈沖很有可能直接改變了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤嚴(yán)重導(dǎo)致誤操作，更有甚者損壞與之相連設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確無誤的傳輸，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須要對(duì)這些干擾進(jìn)行消除，使用光電隔離來維持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性并保護(hù)與之相連設(shè)備。必須保證該系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)可靠和性能穩(wěn)定。不能因?yàn)殡姍C(jī)開啟運(yùn)行停止由現(xiàn)故障時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)磁或者對(duì)電源電壓影響從 而影響數(shù)據(jù)正確傳輸，所以在 485數(shù)據(jù)通信時(shí)加了光電隔離模塊使受影響的部分不會(huì)傳遞給另一部分。從而可以保證區(qū)部或主要部分能正常工作。光電隔離的作用從設(shè)備裝置中把容易受到影響的部分跟干擾源從電氣上分離開，使測量控制設(shè)備與現(xiàn)場設(shè)備

38、只保持光信號(hào)的聯(lián)系，而不直接通過電器的聯(lián)系。這種隔 離的本質(zhì)是把引進(jìn)影響部分設(shè)備的電氣通道切斷，從而使測量控制設(shè)備從現(xiàn)場的干擾中隔離開。另外，在布線上也應(yīng)該注意隔離。件和受光元件封本系統(tǒng)中用到了光電耦合器即將發(fā)光元裝在一起，通過電-光-電這種模式轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)所以的光耦 外配電路如 圖3-7所示也是利用這個(gè)原理，充分利用光”這個(gè)非帶電子粒子，完成設(shè)備間的隔離功能，從而使輸入信號(hào)和輸由信號(hào)在電氣上是完全隔離開的。根據(jù)受光元件的不同可分為晶體管輸由型和晶閘管輸由型兩類。A 1 K 2 A 3 K 4 C 5 E 6 C 7 E 8 U6 光光 2 VC CVC C 2 R 3 1K R 6 1K R

39、 4 1K R 7 1K 圖 3-7 光耦電路 16 3.4 參數(shù) 采集模塊3.4.1電壓檢測采集模塊電壓檢測模塊電路（如圖3-8所示）的霍爾電壓傳感器模塊所采集的是三項(xiàng)電機(jī)的線 電壓，它的采集量程為 0-380V,轉(zhuǎn)換由0-5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓 信號(hào)。這個(gè)電壓標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)被 單片機(jī)的P1_2引腳連接，此引腳 是單片機(jī)內(nèi)置十位 AD轉(zhuǎn)換器的第三路通道。圖3-8檢測電壓電流模塊電路 3.4.2電流檢測采集模塊 電流檢測模塊電路中的霍爾電流檢測模塊的量程是0-10A ,對(duì)應(yīng)的電壓輸由信號(hào) 是0-5V,由單片機(jī)內(nèi)置 AD轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再發(fā)送給通信節(jié)點(diǎn)。在圖3-12中， 電源線是從電路圖右側(cè)引由，為 5

40、V電源，電流檢測霍爾傳感器是由24V供電，當(dāng)電 機(jī)的線電流流過，傳感器會(huì)將電流等比轉(zhuǎn)換成0-5V的電壓信號(hào)。使用說明：(1)當(dāng)待測電流從變送器穿過，即可在輸由端測得電流大 小。(汪息：錯(cuò)誤的接線 可能導(dǎo)致變送器損壞)；(2 )變送器的輸由加 幅度可根據(jù)用戶需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)；(3 )可按用戶需求定制不同額定輸入電流和輸由電壓的變送器。3.4.3溫度檢測采集模塊金屬粕具有電阻溫度系數(shù)大，感應(yīng)靈敏；電阻率高，元件尺寸??；電阻值隨溫度 變化而 變化基本呈線性關(guān)系。利用粕此種特有性質(zhì)制成的傳感器稱為粕電阻溫度傳感器,通常使用的粕電阻溫度傳感器有PT100,應(yīng)用溫度范圍廣，最常用的一種溫度檢測器。17溫度

41、檢測采集模塊所用的傳感器元件是溫度變送器 與粕電阻pt100,溫度變送器的 量程是-50250攝氏度，對(duì) 應(yīng)輸由0-5V的電壓信號(hào)，以便單片機(jī)直接采集，溫度變送 器與pt100都需要12V電源供電。采集的溫度信號(hào)由10位AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換可精確到 0.01攝氏度，其電路圖如圖3-9所示。圖3-9測速溫度測量模塊 3.4.4轉(zhuǎn)速檢測采集模塊本系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速在1400轉(zhuǎn)/min左右，平均每秒二三十轉(zhuǎn)。而且電動(dòng)機(jī)的磁場干擾強(qiáng)，所以轉(zhuǎn)速檢測采集模塊所用 的傳感器元件是霍爾傳感器，又叫霍爾開關(guān)，接近開關(guān)。在電機(jī)轉(zhuǎn)子上有用來固定的金屬元件，當(dāng)霍爾傳靠近金屬 元件，會(huì)改 變霍爾開關(guān)的輸由電平，通過計(jì)算電

42、平變換的 次數(shù)來計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速 測量方式原理為 M/T法。Tc為給定時(shí)間間隔，m為Tc時(shí)間內(nèi)電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生 的脈沖個(gè)數(shù)。則轉(zhuǎn)速為：n=60m/Tc式中m, Tc越大整量化誤差越小， 使得測量精度 越局O3.5 GPRS通信設(shè)計(jì) GPRS模塊（如圖3-10所示）具有兩 個(gè) RS232接口，UART0 為模塊主接口，UART2為 GPS輸 由接口。模塊可工作在自動(dòng)定位模式和Modem模式。模塊工作自動(dòng)定位模式下時(shí)，模塊上電后將自動(dòng)連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，并定時(shí)向 GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送 GPS數(shù)據(jù)信息， UART0為透明數(shù)據(jù)接口，用戶通過此串口可以向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送 數(shù)據(jù)；模塊工作在 Modem 模式

43、下時(shí)，UART0為GPRS模 塊接口，用戶可以通過此接口與GPRS模塊（MC37I ） 通信，模塊默認(rèn)工作模式為自動(dòng)收發(fā)模式。本系統(tǒng)將 GPRS模塊設(shè)置為自動(dòng)收發(fā)模式， 通過RS-232收發(fā)數(shù)據(jù)。18圖3-10 GPRS 無線模塊 3.6 LED12864顯示部分 在 本課題中，需要顯示參數(shù)、參數(shù)名稱和參數(shù)的符號(hào)，這是最 基本的顯示要求，而LED數(shù)碼管并不能達(dá)到本課題的要求，所以采用能夠顯示漢子與字符的LCM作為 顯示電路元件。LCM顯示模組：LCM (LCD Module)即液晶模塊，是將 LCD器件配 置一 個(gè)專門的控制器，再根據(jù)控制器組裝上接口電路，用戶就可 以按照接口要求進(jìn)行 操作來控制LCD正確顯示了。LCD可以比較方便地與各種微控制器連接，所以下圖3-1