基于單片機(jī)的直流電機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文深入研究了電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，以單片機(jī)為控制器設(shè)計(jì)了直流電機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵控制模塊、光電測(cè)速模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊以及GPRS模塊等組成。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的開關(guān)控制、調(diào)速控制、正反轉(zhuǎn)控制、報(bào)警、實(shí)時(shí)顯示以及通過GPRS模塊遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。

關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī);脈沖寬度調(diào)制;單片機(jī);GPRS

隨著現(xiàn)代化步伐的邁進(jìn)，人們對(duì)自動(dòng)化的需求越來越高，使電動(dòng)機(jī)的復(fù)雜控制變成主流;直流電動(dòng)機(jī)由其具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速性能，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著電力電子技術(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(jī)技術(shù)的應(yīng)用以及無線通訊技術(shù)的發(fā)展，使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、遠(yuǎn)程監(jiān)控以及高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢(shì)。因此文中設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的直流電機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

本文直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以單片機(jī)系統(tǒng)為依托，根據(jù)PWM調(diào)速的基本原理，以直流電機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速;通過單片機(jī)控制直流電機(jī)加速、減速、正轉(zhuǎn)以及反轉(zhuǎn)的變化;通過單片機(jī)來看控制液晶顯示器顯示電機(jī)的實(shí)時(shí)工況信息;通過利用GPRS模塊來實(shí)現(xiàn)度直流電機(jī)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。文中所研究的基于單片機(jī)的直流電機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件系統(tǒng)由單片機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度采集模塊、LCD液晶顯示模塊、報(bào)警模塊、鍵盤控制模塊以及CPRS無線傳輸模塊等組成。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

文中硬件部分單片機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度采集模塊、LCD液晶顯示模塊、報(bào)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(jī)模塊是本文的核心模塊，它控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)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(xiàn)所需的功能。鍵盤控制模塊用四個(gè)獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)控制直流電機(jī)的加速、減速、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn);利用速度采集模塊來采集直流電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速;利用1602來實(shí)時(shí)顯示直流電機(jī)的工作狀態(tài);報(bào)警模塊主要指當(dāng)監(jiān)測(cè)到直流電機(jī)轉(zhuǎn)速超過正常閾值范圍時(shí)實(shí)現(xiàn)越限報(bào)警。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)按單片機(jī)控制直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。無線傳輸模塊中采用GPRS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.1 單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制模塊主要由單片機(jī)和相關(guān)元器件構(gòu)成的單片機(jī)最簡(jiǎn)系統(tǒng)，本文對(duì)電機(jī)的相關(guān)控制是通過單片機(jī)控制模塊來實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于單片機(jī)來說，通過編程設(shè)置其方式寄存器TMOD可設(shè)定定時(shí)器工作于所需的定時(shí)方式，設(shè)定好定時(shí)時(shí)間，在時(shí)間到達(dá)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生定時(shí)中斷，單片機(jī)響應(yīng)定時(shí)中斷，在定時(shí)中斷中根據(jù)所需的時(shí)間控制相應(yīng)輸出端口的電平，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出控制端口信號(hào)的頻率、占空比的控制，從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。單片機(jī)模塊如圖1所示由單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成。

2.2 速度采集模塊電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用光電開關(guān)測(cè)量裝置來實(shí)對(duì)電機(jī)速度和轉(zhuǎn)向的測(cè)量。光電式測(cè)速傳感器的工作原理是基于光電變換原理，將被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。光電式測(cè)速傳感器輸出信號(hào)的波形比較規(guī)整，接近標(biāo)準(zhǔn)方波，幾乎無干擾信號(hào)產(chǎn)生。本文測(cè)速電路如圖所示2所示。R6用來限制發(fā)射二極管的電流。發(fā)射管的電流大則發(fā)射功率大，但不能超過它的極限電流，它的極限輸入正向電流為50 mA。

2.3 鍵盤模塊設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的鍵盤模塊是由4個(gè)按鈕組成的開關(guān)矩陣，用戶能通過鍵盤向計(jì)算機(jī)輸入指令，通過I/O口連接，將每個(gè)按鈕的一端接到單片機(jī)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(zhuǎn)按鍵”、最后一個(gè)為“反轉(zhuǎn)按鍵”。按鍵電路圖如圖3所示。

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

通過調(diào)節(jié)直流電機(jī)的電壓可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，文中用脈寬調(diào)制(PWM)來實(shí)現(xiàn)調(diào)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)方法來產(chǎn)生PWM信號(hào);由于電機(jī)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(hù)芯片而加上續(xù)流電路，文中利用二極管的單向?qū)ㄐ詠韺?shí)現(xiàn)續(xù)流;利用H橋電路來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)相關(guān)控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊如圖4所示。

2.5 顯示模塊電路設(shè)計(jì)

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(yōu)點(diǎn)，近幾年來被廣泛用于單片機(jī)控制的智能儀器、儀表和低功耗電子產(chǎn)品中。單片機(jī)可以通過數(shù)據(jù)總線與控制信號(hào)直接采用存儲(chǔ)器訪問形式、I/O設(shè)備訪問形式控制該液晶顯示模塊。本設(shè)計(jì)根據(jù)1602引腳功能來與單片機(jī)進(jìn)行連接，其中液晶的D0-D7接單片機(jī)的P0端，是數(shù)據(jù)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(jī)的硬件連接電路圖如圖5所示。

2.6 GPRS通訊模塊電路設(shè)計(jì)

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(xiàn)單片機(jī)與 GPRS模塊的通信，利用單片機(jī)的RXD、TXD接口連接到MAX232串行口接收或發(fā)送數(shù)據(jù)和指令。設(shè)計(jì)電路如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)上述硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相關(guān)的程序來實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)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(jù)系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)了主程序、系統(tǒng)初始化程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、速度采集程序、按鍵處理程序、報(bào)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(jié)論

文中設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的直流電機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、功能完善，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速以及減速的平穩(wěn)控制、實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示、超限報(bào)警以及利用GPRS模塊遠(yuǎn)程智能控制等功能。