基于單片機的直流電機遠程智能監控系統設計

摘要：本文深入研究了電機調速系統，以單片機為控制器設計了直流電機遠程智能監控系統.該系統由電機驅動(dòng)模塊、按鍵控制模塊、光電測速模塊、顯示模塊、報警模塊以及GPRS模塊等組成。該系統能夠實(shí)現對直流電機的開(kāi)關(guān)控制、調速控制、正反轉控制、報警、實(shí)時(shí)顯示以及通過(guò)GPRS模塊遠程實(shí)時(shí)監控等功能。

關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機;脈沖寬度調制;單片機;GPRS

隨著(zhù)現代化步伐的邁進(jìn)，人們對自動(dòng)化的需求越來(lái)越高，使電動(dòng)機的復雜控制變成主流;直流電動(dòng)機由其具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)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(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。隨著(zhù)電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展;特別是單片機技術(shù)的應用以及無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的發(fā)展，使直流電機調速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、遠程監控以及高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。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(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機的轉速為依據，實(shí)現對直流電動(dòng)機的平滑調速;通過(guò)單片機控制直流電機加速、減速、正轉以及反轉的變化;通過(guò)單片機來(lái)看控制液晶顯示器顯示電機的實(shí)時(shí)工況信息;通過(guò)利用GPRS模塊來(lái)實(shí)現度直流電機的遠程實(shí)時(shí)監控。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(dòng)模塊、速度采集模塊、LCD液晶顯示模塊、報警模塊、鍵盤(pán)控制模塊以及CPRS無(wú)線(xiàn)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(dòng)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(wú)線(xiàn)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(gè)系統的運行，利用其各個(gè)口分別控制其他模塊，使其他模塊能夠成為一個(gè)整體，實(shí)現所需的功能。鍵盤(pán)控制模塊用四個(gè)獨立按鍵實(shí)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(lái)采集直流電機的實(shí)時(shí)轉速;利用1602來(lái)實(shí)時(shí)顯示直流電機的工作狀態(tài);報警模塊主要指當監測到直流電機轉速超過(guò)正常閾值范圍時(shí)實(shí)現越限報警。電機驅動(dòng)模塊負責按單片機控制直接驅動(dòng)電機工作。無(wú)線(xiàn)傳輸模塊中采用GPRS技術(shù)，實(shí)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(guān)元器件構成的單片機最簡(jiǎn)系統，本文對電機的相關(guān)控制是通過(guò)單片機控制模塊來(lái)實(shí)現的，對于單片機來(lái)說(shuō)，通過(guò)編程設置其方式寄存器TMOD可設定定時(shí)器工作于所需的定時(shí)方式，設定好定時(shí)時(shí)間，在時(shí)間到達時(shí)就會(huì )產(chǎn)生定時(shí)中斷，單片機響應定時(shí)中斷，在定時(shí)中斷中根據所需的時(shí)間控制相應輸出端口的電平，即可實(shí)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。

2.2 速度采集模塊電路設計

本系統采用光電開(kāi)關(guān)測量裝置來(lái)實(shí)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(wú)干擾信號產(chǎn)生。本文測速電路如圖所示2所示。R6用來(lái)限制發(fā)射二極管的電流。發(fā)射管的電流大則發(fā)射功率大，但不能超過(guò)它的極限電流，它的極限輸入正向電流為50 mA。

2.3 鍵盤(pán)模塊設計

文中設計的鍵盤(pán)模塊是由4個(gè)按鈕組成的開(kāi)關(guān)矩陣，用戶(hù)能通過(guò)鍵盤(pán)向計算機輸入指令，通過(guò)I/O口連接，將每個(gè)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(gè)為“加速按鍵”，一個(gè)為“減速按鍵”，一個(gè)為“正轉按鍵”、最后一個(gè)為“反轉按鍵”。按鍵電路圖如圖3所示。

2.4 電機驅動(dòng)模塊設計

通過(guò)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(lái)實(shí)現調速。一般用軟件模擬可以有延時(shí)和定時(shí)兩種方法，文中采用定時(shí)方法來(lái)產(chǎn)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(chǎn)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(lái)實(shí)現續流;利用H橋電路來(lái)實(shí)現直流電機相關(guān)控制。電機驅動(dòng)電路模塊如圖4所示。

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(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，近幾年來(lái)被廣泛用于單片機控制的智能儀器、儀表和低功耗電子產(chǎn)品中。單片機可以通過(guò)數據總線(xiàn)與控制信號直接采用存儲器訪(fǎng)問(wèn)形式、I/O設備訪(fǎng)問(wèn)形式控制該液晶顯示模塊。本設計根據1602引腳功能來(lái)與單片機進(jìn)行連接，其中液晶的D0-D7接單片機的P0端，是數據和命令的讀寫(xiě)端。RS、RW和EN端則用于初始化液晶和控制液晶功能的開(kāi)啟。其與單片機的硬件連接電路圖如圖5所示。

2.6 GPRS通訊模塊電路設計

目前市場(chǎng)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(chǎn)的MAX232接口芯片實(shí)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(fā)送數據和指令。設計電路如圖6所示。

3 系統軟件設計

針對上述硬件系統設計了相關(guān)的程序來(lái)實(shí)現對直流電機的相關(guān)控制、顯示相關(guān)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(dòng)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(guān)程序。由于篇幅關(guān)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(shí)現了對直流電機正轉、反轉、加速以及減速的平穩控制、實(shí)現了對電機工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示、超限報警以及利用GPRS模塊遠程智能控制等功能。