基于單片機的直流電機遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)設計

摘要：本文深入研究了電機調速系統(tǒng)，以單片機為控制器設計了直流電機遠程智能監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)由電機驅動模塊、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(tǒng)能夠實現(xiàn)對直流電機的開關控制、調速控制、正反轉控制、報警、實時顯示以及通過GPRS模塊遠程實時監(jiān)控等功能。

關鍵詞：直流電動機;脈沖寬度調制;單片機;GPRS

隨著現(xiàn)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。隨著電力電子技術、微電子技術和自動控制技術的發(fā)展以及各種新的理論方法，PWM控制技術獲得了空前的發(fā)展;特別是單片機技術的應用以及無線通訊技術的發(fā)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(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設計思路

本文直流電機調速系統(tǒng)以單片機系統(tǒng)為依托，根據(jù)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(jù)，實現(xiàn)對直流電動機的平滑調速;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(xiàn)度直流電機的遠程實時監(jiān)控。文中所研究的基于單片機的直流電機遠程智能監(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CPRS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(tǒng)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(xiàn)所需的功能。鍵盤控制模塊用四個獨立按鍵實現(xiàn)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(tài);報警模塊主要指當監(jiān)測到直流電機轉速超過正常閾值范圍時實現(xiàn)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(xiàn)了對直流電機的遠程監(jiān)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(tǒng)，本文對電機的相關控制是通過單片機控制模塊來實現(xiàn)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(chǎn)生定時中斷，單片機響應定時中斷，在定時中斷中根據(jù)所需的時間控制相應輸出端口的電平，即可實現(xiàn)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(tǒng)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(guī)整，接近標準方波，幾乎無干擾信號產(chǎn)生。本文測速電路如圖所示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。

2.4 電機驅動模塊設計

通過調節(jié)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(xiàn)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(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(xù)流電路，文中利用二極管的單向導通性來實現(xiàn)續(xù)流;利用H橋電路來實現(xiàn)直流電機相關控制。電機驅動電路模塊如圖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法比擬的優(yōu)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(chǎn)品中。單片機可以通過數(shù)據(jù)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(jù)1602引腳功能來與單片機進行連接，其中液晶的D0-D7接單片機的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接口芯片實現(xiàn)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(shù)據(jù)和指令。設計電路如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

針對上述硬件系統(tǒng)設計了相關的程序來實現(xiàn)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(jù)系統(tǒng)需要設計了主程序、系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的硬件和軟件設計結構合理、功能完善，實現(xiàn)了對直流電機正轉、反轉、加速以及減速的平穩(wěn)控制、實現(xiàn)了對電機工作狀態(tài)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。