电气毕业设计_电动机设备运行参数远程监控系统设计.doc

毕业设计（论文） 题 目 电动机设备运行参数远程监控系统设计 学 院 计算机与控制工程学院 专业班级 学生姓名 指导教师 成 绩 2013 年 6 月 16 日 II 摘 要 随着工业技术的快速发展，电气设备远距离监控也越来越具有广泛的应用和发展 前景。对于电动机，作为自动控制装置中不可缺少的动力执行部分，必须时时刻刻知 道其是否正常工作，是否正常运行,以避免产生不必要的损失。由于工业现场的恶劣条 件，为了提高工作效率，使得电机性能的远程精确测量显得更为重要。本文根据电动 机的运行特点，采集电动机的电压、电流、转速和温度四个基本参数数据，用以观察 电动机是否在正常工作状态中，如果出现工作异常，可以及时发现，并及时停机提示 处理。该系统先将采集的实时参数显示在现场液晶上，并将数据通过 GPRS 传送到互 联网上，即传入计算机中进行处理和操作以便观察和保存。实现了用户不在现场也能 知道现场情况。在设计方面，单片机编程是采用 C 语言设计，其中单片机之间的通信 采用 Modbus 协议与 RS-485 接口，使得子单片机与主单片机直接的通信变得更加稳定 可靠。PC 机中上位机是在 LabWindows/CVI 开发平台中用 C 语言设计，其中包括每个 电机是否正常运行的显示、单个电机参数的图形显示、增添删减电气设备、历史数据 保存和数据的保存。软件的界面友好，显示直观，操作简单。 关键词：单片机；参数采集；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 know 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 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 down prompt treatment.First acquisition time of the system parameters 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 communication 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 normal operation of each motor show, a single graphical display of motor parameters, historical data retention and data preservation.Software is user-friendly, intuitive display, easy to operate. Keyword：MCU；Parameter collection；GPRS；LabWindows/CVI IV 目 录 摘要摘要 I AbstractII 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1.1 课题研究的背景和意义1 1.2 本系统的发展现状与趋势1 1.3 本系统实现目标2 第第 2 2 章章 总体框架的设计总体框架的设计 4 2.1 电机监控系统结构设计 4 2.1.1 主控制器设计4 2.1.2 检测模块方案设计6 2.2 数据通信方案设计9 第第 3 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 .12 3.1 核心控制系统的设计.12 3.1.1 STC12C5A60S2 单片机简介 12 3.1.2 STC12C5A60S2 单片机的最小系统设计 12 3.2 系统供电电源设计.13 3.3 光电隔离模块.15 3.4 参数采集模块.16 3.4.1 电压检测采集模块.16 3.4.2 电流检测采集模块.16 3.4.3 温度检测采集模块.17 3.4.4 转速检测采集模块.17 3.5 GPRS 通信设计 18 3.6 LED12864 显示部分 18 第第 4 4 章章 参数监测系统的程序设计参数监测系统的程序设计 .20 4.1 主控制器程序设计.20 4.2 参数采集模块程序设计.21 4.2.1 电压检测程序设计.21 4.2.2 脉冲检测程序设计.21 4.3 数据传输协议程序设计.22 4.3.1 RS485 网络 .22 4.3.2 CRC 校验 .23 第第 5 5 章章 上位机程序设计及实验效果上位机程序设计及实验效果 .24 5.1 LABWINDOWS/CVI 简介24 V 5.2 WINDOWS窗体设计及操作说明.24 5.3 上位机程序设计.28 5.4 实验效果显示图.29 结论结论 .32 参考文献参考文献 .33 附录附录 1 1 主控制器参考程序代码主控制器参考程序代码34 附录附录 2 2 测量模块程序代码测量模块程序代码46 附录附录 3 3 上位机程序代码上位机程序代码53 致谢致谢 .67 1 第 1 章 绪 论 1.1课题研究的背景和意义 随着工业技术的发展，自动控制装置具有越来越深入各种应用领域。由于电能环 保方便等优点，使电机的应用领域非常众多，覆盖人们生产生活的各个方面，人们对 电机的依赖也越来越大，电机已是当今社会生产生活中最主要的原始动力装置。因此， 由于原始动力装置的故障、损坏所影响人们的生活问题甚至导致工厂停工所造成的经 济损失非常巨大。尽可能的减少电机故障所造成经济损失，提高经济效益，所以对电 机现场的一些参数进行监控是非常必要的。 在生产实践中，要得到需要的数据，通常将由传感器产生输出的模拟电压信号或 者电流信号通过相关处理后转换为数字信号，再通过相关应用的系统进行相应的处理 过程称为数据采集。数据采集装置已经在众多领域得到广泛的运用，目前己进入到了 现代化工厂、地质勘测、医药检测器械、电子信息通信、载人航空航天等各个行业， 给人类提供了获得各种各样信息的便利条件。原始的数据采集系统虽然稳定但应用的 范围比较窄，对于各种各样需求，数据采集系统需要重新改造设计，浪费了大量人力 物力和时间。而且对数据采集的精度要求也越来越高，在各种各样的领域都需要运用 到高精度的数据采集系统。所以设计一种适用强应用范围广高精度远程传输的数据采 集系统是显得尤为重要的。 随着科学技术的快速发展，被测量对象的位置分散，现场环境恶劣，要求测试测 量和处理分析的信息也越来越大，越来越多，而且测量的任务繁杂，测试测量的系统 巨大，测量的单元众多，各个测量单元与主控器的数据交换量也越来越大。而且由于 工业现场的环境条件恶劣，同时为了有效提高工作效率，所以远距离监控非常重要。 因此数据采集系统的网络化和远距离化越来越重要。综上而言，研究一套适用性强、 运用范围广的高精度的远距离传输的数据采集系统是非常必要的，也是迫在眉睫的， 它不仅可以有效节省人力物力的投入和提高工业生产的自动化水平，还对于提高我国 实现现代化水平和推动社会经济快速发展具有非常深刻的意义。 1.2本系统的发展现状与趋势 电动机测量技术的发展与工业的发展是息息相关的，电动机的测量从最开始采用 原始的测量方法（即使用指针式仪表进行手工测量）到现在的微型计算机自动化测量。 从而使测量的工作简单化、高效化和准确化，而且能够完成原始的测量无法完成的测 量和实验工作。 2 对于目前的仪器仪表来说，微处理器的引用也使它们的结构体积和性能都有很大 的提升，使仪器仪表更偏向智能化，在精度、性能与功能上都有了很大的进步，而目 前仪器仪表中经常用的微处理器大部分是单片机，因为单片机发展非常快，从普通的 51 型单片机到 avr 到后来的增强型 8051 单片机，运算速度越来越快，功能越来越多， 外配电路越来越少，操作也越来越简单方便了，解决了原始的仪器仪表不能解决的问 题。但是这只是在仪器仪表方面的发展，只是提高了仪器仪表的精确度和更加方便使 用，没有实现高度自动化。在硬件方面，纳米技术的高速发展和应用，也使得硬件集 成电路更新迅猛，集成电路芯片的功能也日益强大，应用领域也越来越广泛，开发新 产品时间也越来越短，更新越来越快。 随着科学技术的迅猛发展，要求测试测量和处理分析的信息量越来越大，对电动 机设备自动化测量程度也越来越高。本系统可以远程监控，无需人员在现场监护，大 量减少人力物力的投入，而且在上位机上可以同时对多个电动机设备进行操作，大大 提高了工作效率。使人们的生活更加智能化，更加简单美好。 1.3本系统实现目标 电动机设备运行参数远程监控系统的总体设计目标是研究一个远程的能够较为精 确的测量电机运行中的电压、电流、转速和温度等参数的功能，并能即时的可靠的远 程数据传输的测试方法和实现途径。 本课题设计的电机监测系统要求能够较精确的测量电机运行中的电压、电流、转 速和温度等参数，能够实现可靠的即时的远程数据传输，并能够在监测到电机某参数 异常时能即时发出停机信号或者给出提示信息。同时，既要降低用户的操作程序，又 要能对多个电机同时进行监测，实行高度自动化、智能化。该监测系统所需要实现的 指标要求如下： (1) 该监测系统能够实现对电机电压、电流、转速、温度的采集，并能够时时保存 数据。 (2) 能够同时实现至少 12 个电机的参数采集，并能够实现远距离数据传输。只需 在电脑旁，便可知所有电机运行参数和工作状态。 (3) 该系统的电压测量范围为 0 到 450V，电流测量范围为 0 到 50A，转速测量范 围为 0 到 2000 转/分，温度测量范围为 0到 200。测量精度为 0.1%。 (4) 当监测到电机参数异常时，能发出停止信号或者提示信息。 (5) 该系统电源在电机正常工作的时候是用电机的电源通过整流得到的，在电机非 正常工作时候，电源要保证该电机系统模块能继续运行一段时间。 (6) 实现将该系统的参数数据发送到互联网上，工作人员在任何地方都可以观察工 3 业现场电机是否运行正常。 (7) 在计算机上建立个基于 Windows 系统下的数据显示平台，能简单明了的看出 问题所在。 (8) 在计算机上，能查看所有电动机设备的运行参数图像，而且能够对电动机进行 实时简单控制。 4 第 2 章 总体框架的设计 2.1 电机监控系统结构设计 本系统的工作过程是由电机的各个参数采集模块采集数据，再通过 RS-485 协议将 数据发送给主控制器，主控制器将各个参数数据通过 LCD12864 显示并组合打包成一 个数据串，通过 RS-232 发送给 GPRS 无线模块，GPRS 无线模块又将数据串和本身的 地址数据组合打包一起发送到互联网，然后 PC 机通过互联网接受各个 GPRS 无线模块 发送的数据并进行处理和显示。如果某个电机出现故障，PC 机可以向各个通信节点发 送命令后根据命令再向参数采集模块或执行模块发送停机命令，总体结构图如下图 2- 1。 PC 机 收集数据与绘制参数曲线 电机电压 采集模块 电机电流 采集模块 电机温度 采集模块 电机转速 采集模块 主控制器 1 用来中转与显示数据 GPRS 无线模块 1 电机电压 采集模块 。 。 。 。 。 。 电机转速 采集模块 主控制器 2 用来中转与显示数据 GPRS 无线模块 n 图 2-1 总体结构图 2.1.1 主控制器设计 主控制器作用是通过 RS-485 接收电机参数采集模块的发上采集数据，校验确保数 据正确后，在将采集数据现场显示出来并按照规定协议组合打包，再通过 RS-232 发送 给 GPRS 无线发送模块。要实现这些功能要用到两个串口通信，其中一个是接收电机 参数采集模块发送的数据的 485 串口，另一个是将数据打包发送给 GPRS 无线发送模 块的 232 串口；接收到采集模块的数据后能在 LCD12864 实现现场显示并且能给电机 发送指令。为了满足上述要求，所选控制核心芯片的引脚必须在 24 管脚以上，拥有两 5 个通信串口。主控制器功能图如下图 2-2： 主控制器 单片机 测量参数模块 LED12864 实现现场显示 测量参数模块 RS-485 RS-485 RS-232 GPRS 无线数 据收发模块 图 2-2 主控器 要实现以上功能，主控器用普通的增强版 51 单片机就能实现。目前生产的普通单 片机是集成在一个芯片上的微型计算机，是将微型的中央处理器 CPU，数据储存器， 程序储存器和并行 I/O 口等电路高度集成在一个小芯片上构成的。因此向单片机内写 入相应的程序和正确的外配电路相结合，便可以设计出由单片机为主控制芯片的系统， 实现所想实现的功能。 在大学期间主要使用的单片机是 8051 系列的单片机，常用的 51 系列单片机有 ATMEL 公司生产的 AT89S/C 系列的单片机和台湾宏晶公司的 STC89C52 单片机。台 湾宏晶公司的 STC12C5A60S2(如图 2-3)单片机是基于 MCS-51 内核的基础开发的，最 大的特点就是 STC 具有串口下载功能 ISP 和 ASP，大大降低单片机的开发难度。 图 2-3 STC12C5A60S2 单片机 STC 单片机内部有集成模数转换功能的 10 位 AD 转换器，在采集模拟信号时可以 不用外配 AD，大大的简化电路，节约成本。 6 2.1.2 检测模块方案设计 通过学习和实验采集，本系统将采集电机的电压、电流、转速、温度四个基本参 数，可以分为电压检测模块，电流检测模块，转速检测模块和温度检测模块。 1测量电压的方案设计 电压检测目前查到两种通常测量方法，第一种最普遍简单的方法是直接用电阻分 压，把高电压分压成低电压，再整流测量，通常万用表就是用的这种方法。第二种方 法是采用霍尔电压传感器，霍尔电压传感器运用了霍尔效应，感应出相应电动势，这 样电压便被采集到了，这种方法的精确度比前两种方法的精确度高出不少，所以本 设计采用利用霍尔电压传感器采集电压的模块 (如图 2-4)作为在线电压采集的元件。 图 2-4 霍尔电压传感器 2测量电流的方案设计 在测量电流时，主要分为直接测量电流和非直接测量电流两种方法，主要是从安 全方面去考虑，当测量电流比较大时，大都会选择非接触式电流检测法。对于非接触 式电流检测，电流越大它周边的磁场就越强，根据这一原理，霍尔电流检测法通过霍 尔元件把磁场的强度转换成电压信号，线圈检测法是通过线圈吧磁场强度的变化量转 换成小的电流信号，再把小电流转换成电压信号。根据检测精度的要求，本设计选择 了霍尔电流检测方法，HBA50-TSAD(如图 2-5 所示)用来作为电流信号的采集 元件。 7 图 2-5 HBA50-TSAD 3测量转速的方案设计 测量转速通常选用两种传感器进行测量，一种为光电传感器，一种为霍尔传感器。 光电传感器通常需要配合光电码盘，码盘上有小孔，也可以是用自制的黑白相间的圈， 每转一圈记一个数。但是由于做实验过程中电机的变频磁场干扰强，使测量误差很大。 霍尔传感器的方法需要的是金属，这就要比采用光电传感器时的外围方便许多。在霍 尔传感器检测到金属后便计数一次，这样就可实现转速的测量，误差相对较小。 根据记脉冲个数来测量转速有以下三种方法： (1)在单位的时间里去测量传感器所产生的脉冲个数来计算出速度，称为 M 法测速； (2)测量两个相邻脉冲的时间来测量速度，称为 T 法测速； (3)同时测量检测时间和在此时间内传感器产出的脉冲个数来测量速度，称为 M/T 法测速。 比较以上三中测量方法，M 法可以测量速度比较大的，因为速度慢了，在单位时 间内可能没有脉冲；T 法可以用于测量速度较低的，如果速度快了，检测的时间很小 误差也变得比较大了；而 M/T 法可以适用于检测高速和低速的电机。本设计中电机的 转速比较高，所以选择的是 M 法，如下图 2-6 所示。 8 图 2-6 霍尔传感器与三相交流电机 4测量温度的方案设计 非接触式测温技术，这种技术测温理念超前，又是非接触式。虽然安全方面非常 可靠，但是，其制作成本较高，在本设计中没有采用。接触式的测温方法就比较通用， 而且应用比较广泛，一般分为两种。一种是埋置检温计法，就是把热电阻或者热电偶 放进电机内部测量温度，这种方法测量在工业应用最为广泛，对于大型电机，这种方 法可以测出量多点的准确温度。最后一种是数字是温度传感器 DS18B20，在芯片内部 直接将温度转换成数字信号，单片机直接按照特定协议读取就行，但是抗干扰能力差， 容易出现误差，数据变化大。本设计采用的是埋置检温计法，选择的是 Pt100 铂电阻 的温度变送器(如图 2-7 所示)，这样可以有效的排出电动机产生的磁场对测温的干扰。 图 2-7 温度变送器 9 2.2 数据通信方案设计 设备之间的数据通信是产品设计中常见的要求，数据通信的实现方法较多，总体 归纳为无线和有线两种。无线通信主要有红外、蓝牙、ZigBee 等，有线通信主要有 RS-232、USB、M_BUS、CAN 等。在本系统中有两个地方需要运用到数据通信，参数 检测模块与主控制器之间的通信和主控单片机与上位机之间的通信。 参数检测模块与主控单片机通信可以说是现场数据通信，及现场总线。选择现场 总线，有几个有名的现场总线值得提一提，首先就是基金会现场总线，它的英文名称 是：Fieldbus Foundation，简称：FF。他的体系的结构式参照了 ISO/OSI 模型。他用到 了此模型的应用层、数据连接层和物理层，并且在此基础上还专门为用户添加了用户 层。 最后一种总线是中国中小型工业企业用户最多，并且在全球最早用于工业现场的 总线协议。它最大的特点是 Free，它的名字叫 Modbus。Modbus 已经成为中国国家标 准 GB/T19582-2008，他可以支持多种电气接口，可 硬用双绞线、光纤、无线等多 种传输介质。 通信接口（communication interface ）是指中央处理器和标准通信子系统之间的接 口。常用的串行通信接口有： RS-232：串行数据通信接口的标准，RS 是英文“推荐标准”的缩写，232 为标 识号，最初都是由电子工业协会（ EIA）制订并发布的， RS-232 在 1962 年发布， 命名为 EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。 RS-422 由 RS-232 发展而来，它是为弥补 RS-232 之不足而提出的 。RS-232 是为点对点（即 只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为37k。所以 RS-232 适 合本地设备之间的通信 。RS-232 标准规定，制做的驱动器可以添加 2500pF 的电 容，但是数据传输的 距离将受到此电容限制，例如，采用 150pF/m 的通信电缆线 时，最大传输距离为 15m；若将每米电缆线的电容量减小， 数据传输的距离可以 大大增加。RS232 接口如下图 2-8 所示。 10 图 2-8 RS232 接口 RS-485：远距离传输时具有抑制共模干扰的能力， 在要求数据传输距离为几 十米到一千多米时，广泛运用的是 RS-485 串行总线标准。 RS-485 最大的通信距 离约为 1219m，最大传输速率为 10Mbps。 RS-485 的工作方式是半双工，所以在通信时，必须要控制485 芯片(如图 2-9 所示)的使能端，AB 线路上至多只能有一个通信节点为发送信号状态，平时几乎所 有的通信节点都处于接收状态。由于 RS-485 传输距离长，操作简单，工作新能稳 定，人们多用 RS-485 来多点互联。 图 2-9 MAX485 芯片 GPRS-GPS 模块具有两个 RS232 接口，UART0 为模块主接口，UART2 为 GPS 输 出接口。模块可工作在自动定位模式和 Modem 模式。模块工作自动定位模式下时，模 块上电后将自动连接 GPRS 网络，并定时向 GPRS 网络传送 GPS 定位信息，UART0 为透明数据接口，用户通过此串口可以向网络发送数据；模块工作在 Modem 模式下时， 11 UART0 为 GPRS 模块接口，用户可以通过此接口与 GPRS 模块（MC37I）通信，模块 默认工作模式为自动定位模式。 在本系统中共用到一台 PC 机，两个 GPRS 无线模块与三个单片机，PC 机面向用 户，其中一个单片机和 GPRS 无线模块作为数据中转站，剩下的两个单片机作为检测 模块来设计。PC 机与数据中转站通信是总体的通信，并且通信距离大于 10m，通过 GPRS 无线实现。GPRS 无线模块与单片机之间的通信接口是选择全双工的 RS-232-C 接口。数据中转站与参数检测节点之间因为是多点相互连接，且通信距离在实际应用 时可能会较长，所以选择 RS-485 接口比较合适。 12 第 3 章 硬件电路设计 3.1 核心控制系统的设计 3.1.1 STC12C5A60S2 单片机简介 STC12C5A60 系列单片机是台湾宏晶公司生产单片机，是一款具有非常快的计算 速度并且抗干扰能力不错的单片机系列。他的指令与引脚都符合 51 单片机的标准，在 普通 51 单片机的标准上，它增加了一个十位的高速 A/D 转换器，转换器拥有八个通道， 复用的是单片机的 P1 引脚，内部集成了典型复位电路，还有两路可以调速的 PWM 输 出，除此之外，他还增加了两个可编程计数器阵列和根据型号不同大小也不同的几个 EEPROM 扇区，每一个扇区可以重复擦鞋一万次。此系列了的单片机计算速度是普通 51 单片机计算速度的 8-12 倍，所以在做信号处理上也有很大的优势。 3.1.2 STC12C5A60S2 单片机的最小系统设计 STC12C5A60S2 单片机与普通的 51 单片机最小系统的电路基本相同，需要+5V 供 电，一个复位电路(如图 3-2 所示)和时钟电路(如图 3-1 所示)构成了一个单片机最小系 统(如图 3-3 所示)。时钟电路相当于单片机的心脏，给单片机运行提供时钟，它的电路 由一个外部铁壳晶振和两个瓷片电容构成如图 3-1；单片机复位电路由一个按键,一个 10uF 和一个 1K 电阻组成，当按键 S1 按下，单片机软件复位。本设计中，通信传输波 特率为 9600bps，为了使通信方便外部晶振为 11.0592MHz，设置波特率误差比较小。 图 3-1 时钟电路 图 3-2 复位电路 13 图 3-3 STC12C5260S2 单片机最小系统 3.2 系统供电电源设计 系统供电电源有现场测量和上位机两部分。现场测量部分电压传感器和电流互感 器需要 24V 供电，温度传感器 Pt100 需要 12V 供电，测速接近开关需要 5V 供电；主 控芯片和显示需要 5V 供电；上位机为 PC 机。在现场它们的电源来自变频柜，由变频 柜引出接线端子，再由开关电源(如图 3-4 所示)稳压成 24V 电源与 12V 电源。有提供 24V 的电源，只需将 24V 转换成 5V。而传统的 7805 稳压芯片要求输入电压在 6V 到 12V，无法满足要求，所以选择了 LM2576 系列开关稳压集成器件。 14 图 3-4 12V 与 24V 开关电源 随着科技的发展，LM2576 开关稳压积尘电路系列，将慢慢替代三端稳压器件(如 78xx 系列三端集成电路)，LM2576 系列具有较高的工作性能和能输出较大工作的电流。 从而为 MCU 的可靠、稳定工作提供了强有力的保证。LM2576 系列能输出 3A 电流的 降压稳压电路，它内部含稳定晶振振荡器(52kHz)和基本标准稳压芯片(1.23V)，并具有 相当完善的电路保护。LM2576 系列(如图 3-5 所示)包括 LM2576(最高输入电压 40V) 及 LM2576HV(最高输入电压 60V)二个系列，各系列产品均提供有 3.3V(-3.3)、5V(-5.0)、 12V(-12)、15V(-15)及可调(-ADJ)等多个电压档次产品。LM2576 的外配电路如图 3-6。 图 3-5 LM2576 15 图 3-6 LM2576 外配电路 3.3 光电隔离模块 电动机设备运行参数远程监控系统是研究一个远程的能够较为精确的测量电机运 行中的电压、电流、转速和温度等参数并能即时的可靠的远程数据传输的。电动机设 备运行环境中存在着很多不为人知的变化脉冲，这些变化脉冲很有可能直接改变了传 输的数据，数据传输错误严重导致误操作，更有甚者损坏与之相连设备。为了实现数 据稳定准确无误的传输，本系统设计必须要对这些干扰进行消除，使用光电隔离来维 持数据的完整性并保护与之相连设备。必须保证该系统的抗干扰能力强，数据可靠和 性能稳定。不能因为电机开启运行停止出现故障时产生的强磁或者对电源电压影响从 而影响数据正确传输，所以在 485 数据通信时加了光电隔离模块使受影响的部分不会 传递给另一部分。从而可以保证区部或主要部分能正常工作。 光电隔离的作用从设备装置中把容易受到影响的部分跟干扰源从电气上分离开， 使测量控制设备与现场设备只保持光信号的联系，而不直接通过电器的联系。这种隔 离的本质是把引进影响部分设备的电气通道切断，从而使测量控制设备从现场的干扰 中隔离开。另外，在布线上也应该注意隔离。本系统中用到了光电耦合器即将发光元 件和受光元件封装在一起，通过电-光-电这种模式转换，本设计所以的光耦外配电路如 图 3-7 所示也是利用这个原理，充分利用“光”这个非带电子粒子，完成设备间的隔离功 能，从而使输入信号和输出信号在电气上是完全隔离开的。根据受光元件的不同可分 为晶体管输出型和晶闸管输出型两类。 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 4 1K R 7 1K 图 3-7 光耦电路 16 3.4 参数采集模块 3.4.1 电压检测采集模块 电压检测模块电路(如图 3-8 所示)的霍尔电压传感器模块所采集的是三项电机的线 电压，它的采集量程为 0-380V，转换出 0-5V 的标准电压信号。这个电压标准信号被 单片机的 P1_2 引脚连接，此引脚是单片机内置十位 AD 转换器的第三路通道。 图 3-8 检测电压电流模块电路 3.4.2 电流检测采集模块 电流检测模块电路中的霍尔电流检测模块的量程是 0-10A，对应的电压输出信号 是 0-5V，由单片机内置 AD 转换器转换成数字信号再发送给通信节点。在图 3-12 中， 电源线是从电路图右侧引出，为 5V 电源，电流检测霍尔传感器是由 24V 供电，当电 机的线电流流过，传感器会将电流等比转换成 0-5V 的电压信号。 使用说明 ： ( 1 ) 当待测电流从变送器穿过，即可在输出端测得电流大小。(注意：错误的接线 可能导致变送器损坏)； ( 2 ) 变送器的输出加幅度可根据用户需要进行适当调节； ( 3 ) 可按用户需求定制不同额定输入电流和输出电压的变送器。 3.4.3 温度检测采集模块 金属铂具有电阻温度系数大，感应灵敏；电阻率高，元件尺寸小；电阻值随温度 变化而变化基本呈线性关系。利用铂此种特有性质制成的传感器称为铂电阻温度传感 器，通常使用的铂电阻温度传感器有 PT100，应用温度范围广，最常用的一种温度检 测器。 17 温度检测采集模块所用的传感器元件是温度变送器与铂电阻 pt100，温度变送器的 量程是-50250 摄氏度，对应输出 0-5V 的电压信号，以便单片机直接采集，温度变送 器与 pt100 都需要 12V 电源供电。采集的温度信号由 10 位 AD 转换器转换可精确到 0.01 摄氏度，其电路图如图 3-9 所示。 图 3-9 测速温度测量模块 3.4.4 转速检测采集模块 本系统中电动机的额定转速在 1400 转/min 左右，平均每秒二三十转。而且电动机 的磁场干扰强，所以转速检测采集模块所用的传感器元件是霍尔传感器，又叫霍尔开 关，接近开关。在电机转子上有用来固定的金属元件，当霍尔传靠近金属元件，会改 变霍尔开关的输出电平，通过计算电平变换的次数来计算电机的转速。本设计的转速 测量方式原理为 M/T 法。Tc 为给定时间间隔，m 为 Tc 时间内电机主轴旋转产生的脉 冲个数。 则转速为：n=60m/Tc 式中 m，Tc 越大整量化误差越小，使得测量精度越高。 3.5 GPRS通信设计 GPRS 模块(如图 3-10 所示)具有两个 RS232 接口，UART0 为模块主接口，UART2 为 GPS 输出接口。模块可工作在自动定位模式和 Modem 模式。模块工作自动定位模 式下时，模块上电后将自动连接 GPRS 网络，并定时向 GPRS 网络传送 GPS 数据信息， UART0 为透明数据接口，用户通过此串口可以向网络发送数据；模块工作在 Modem 模式下时，UART0 为 GPRS 模块接口，用户可以通过此接口与 GPRS 模块（MC37I） 通信，模块默认工作模式为自动收发模式。本系统将 GPRS 模块设置为自动收发模式， 通过 RS-232 收发数据。 18 图 3-10 GPRS 无线模块 3.6 LED12864显示部分 在本课题中，需要显示参数、参数名称和参数的符号，这是最基本的显示要求， 而 LED 数码管并不能达到本课题的要求，所以采用能够显示汉子与字符的 LCM 作为 显示电路元件。LCM 显示模组：LCM（LCD Module）即液晶模块，是将 LCD 器件配 置一个专门的控制器，再根据控制器组装上接口电路，用户就可以按照接口要求进行 操作来控制 LCD 正确显示了。LCD 可以比较方便地与各种微控制器连接，所以下图 3-11 为本设计中现场显示所用的 LCD12864.。在显示方面，跟据各型号的不同，LCM 提供英文或者中英文字库，可以根据用户的需要，显示丰富多彩的文字和图形。 19 图 3-11 LCM12864 模块 LCM12864 采用的是 TTL 电平接口，以供 51 用户方便的使用，它的读写工作方式 有两种可供选择，一种是并口，一种是串口。对于本设计而言，单片机引脚够用且需 要讲究的是效率，所以本设计选择了并行接口工作方式。读写方式选择好后就是读写 的时序、命令与初始化了，由于内容较多，特别繁杂，而且技术比较成熟，本文不做 详细介绍。LCM12864 模块没有复杂的外围电路，只需要把它的引脚一一连接到控制 器上便可，电路如下图 3-12 所示。 图 3-12 LCM12864 液晶接口电路 20 第 4 章 参数监测系统的程序设计 参数监测系统的程序设计可以分三大部分：主控制部分，参数采集部分，数据传 输部分（即通信协议）。 4.1 主控制器程序设计 主控制器作用是通过 RS-485 接收电机参数采集模块的发上采集数据，在将采集数 据现场显示出来并按照规定协议组合打包，再通过 RS-232 发送给 GPRS 无线发送模块。 要实现这些功能要用到两个串口通信(如图 4-2 所示)，其中一个是接收电机参数采集模 块发送的数据的 485，另一个是将数据打包发送给 GPRS 无线发送模块的 232；接收到 采集模块的数据后能在 LCD12864 实现现场显示并且能给电机发送指令。实现这些功 能，须有 LCD12864 显示程序，RS-485 总线通信协和 RS-232 通信协议。议主控制器 的程序流程图如图 4-1 所示。 LCD12864 初始化 两个串口初始化 结束 接受串口产生中断 RS- 485、RS-232 LCD12864 显示初始化 显示所监测参数 串口发送数据 返回断点 串口中断 判断数据 储存数据 开 始 图 4-1 主控程序流程 图 4-2 串口中断程序流程 4.2 参数采集模块程序设计 4.2.1 电压检测程序设计 电压测量，电流测量，温度测量都是先通过硬件电路将各个传感器输出的信号转 变为 0-5V 的直流电压，再送到单片机 A/D 转换器输入端。根据 A/D 转换的值，然后 进行故障判断，如有故障存在，就发出停机信号。电压，电流，温度采集部分的程序 流程图如图 4-3 所示。 21 A/D 寄存器初始化 故障判断 N Y 开始 结束 串口传输数据 A/D 读出参数值 电机故障，电机停机信号 图 4-3 A/D 参数检测程序流程图 4.2.2 脉冲检测程序设计 转速测量是在电机转子上有固定的金属元件，当霍尔传靠近金属元件，会改变霍 尔开关的输出电平，通过计算电平变换的次数来计算电机的转速。本设计的转速测量 方式原理为 M 法。Tc 为给定时间间隔，M 为 Tc 时间内电机主轴旋转产生的脉冲个数。 将分别给定时器 0 和计数器 1 赋值，用定时器 0 来记时间 Tc，每过 Tc 秒后，定时器 0 就产生中断；用计数器 1 来记有多少个脉冲个数。先设定定时器 0 和定时器 1，给寄 存器赋初值，设定好工作模式，调整好工作状态。定时器 0 中断框图如图 4-4 所示。 22 判断是否等于 Tc 定时器 0 进 入中断 个数加一，定时 器 0 赋初值 读出计数器 1 的值 M 计算转速 M/T 把计数器 1 单元清 0 返回 N Y 图 4-4 中断服务程序 4.3 数据传输协议程序设计 4.3.1 RS485 网络 RS485 也叫 Modbus 协议是现在工业上比较流行的一种数据传输方式，其连接简单 而且是差分方式数据传输，应用范围比较广泛。在总线上挂载能力强，最多能挂接 32 个节点。可以在主点加光电隔离，使主模块和子模块在电气上分离开来达到某个部分 在受到大的干扰时不会干扰其他部分，提高整个系统的抗干扰能力。 RS485 描述了主控设备访问其子设备的过程，回答其子设备发的指令，以及判断 接受到的传输数据的正错并记录正确数据的过程。当在基于 Modbus 协议上传输数据时， 确定的协议就决定了每个子设备相对应的设备地址，再在通信传输时，通过判断地址 来判断是否接受消息数据。现在用的协议是每次都发送七个整数，第一个整数是地址， 第二个是 0X03，第三个是 0X07，第四个是检测数据的高八位，第五个是检测数据的 低八位，第六个是 CRC 校验数据高八位，第七个是 CRC 校验数据低八位。再通过单 片机的串口一个数据一个数据的顺次发送，不能打乱发送数据的顺序，以免产生错误。 在发送数据时，必须保证发送数据的波特率一致。RS485 中主要的程序是在接受数据， 接受程序也决定数据是否接受，接受到的数据是否可靠是否正确等。 4.3.2 CRC 校验 在本课题中选择 CRC-16，其生成多项式为 x16+x15+x2+1，简记为 8005，生成 CRC-16 校验字节的步骤如下（查表法）： 初始化 CRC 寄存器的低位字节寄存器与高位字节寄存器，使其都为 1。 高位字节寄存器与 8 位字的数据节进行异或运算。运算结果放入索引寄存器。 23 把在高位索引表中索引出值与低位寄存器的值进行异或运算并送给高位寄存器。 在把在低位索引表中索引出的值给低位寄存器。 重复和，直到计算完所有的数据，此时的高位寄存器的值左移 8 位加上低 位寄存器的值就是所需要的 CRC 校验码。 程序如下： /*CRC 校验码生成函数*/ /函数功能：生成 CRC 校验码 /unsigned char *Msgpuch ; /* 要进行 CRC 校验的消息*/ /unsigned short LenusData ; /* 消息中字节数*/ /*/ unsigned int crc16(unsigned char*Msgpuch, unsigned char LenusData) unsigned char HiuchCRC = 0xFF ; /* 高 CRC 字节初始化 */ unsigned char LouchCRC = 0xFF ; /* 低 CRC 字节初始化 */ unsigned int uIndex ; /* CRC 循环中的索引 */ while (LenusData -) /* 传输消息缓冲区 */ uIndex = HiuchCRC *Msgpuch + ; /* 计算 CRC */ HiuchCRC = LouchCRC HiauchCRC uIndex ; LouchCRC = LoauchCRC uIndex ; return (LouchCRC #include #include“UCRT.c“ #include“LCD.c“ #include“CRC.c“ sbit LE=P10; sbit LED1=P21; /shou sbit LED2=P22; /fa sbit KEY1=P33; sbit KEY2=P34; sbit KEY4=P36; sbit KEY5=P37; unsigned char a = 0,b = 0,flag = 0,flag1 = 0,i,j,k,w=0; unsigned int CRC_Dat; unsigned char code dat077= 0X11,0X03,0X07,0X00,0X00,0X00,0X00, / 温度 1 0X12,0X03,0X07,0X00,0X00,0X00,0X00, / 转速 2 0X13,0X03,0X07,0X00,0X00,0X00,0X00, / 电压 3 0X14,0X03,0X07,0X00,0X00,0X00,0X00, / 电流 4 0X15,0X03,0X07,0X00,0X00,0X00,0X00, / 压力 5 0X16,0X03,0X07,0X00,0X00,0X00,0X00, / 流量 6 0X17,0X03,0X07,0X00,0X00,0X00,0X00; unsigned char dat177= 0X11,0X03,0X07,0X00,0X00,0X00,0X00, / 温度 1 0X12,0X03,0X07,0X00,0X00,0X00,0X00, / 转速 2 0X13,0X03,0X07,0X00,0X00,0X00,0X00, / 电压 3 0X14,0X03,0X07,0X00,0X00,0X00,0X00, / 电流 4 0X15,0X03,0X07,0X00,0X00,0X00,0X00, / 压力 5 0X16,0X03,0X07,0X00,0X00,0X00,0X00, / 流量 6 0X17,0X03,0X07,0X00,0X00,0X00,0X00; unsigned char code dat2= 0X01,0X03,0X07,0X00,0X00,0X00,0X00; unsigned char dat11= 0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00; unsigned char dat22= 0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00; unsigned char dat00= 0X11,0X88,/ 标志，标志这个是电机检测信号 开始端 0X01,0X01,/ 电机地址 0X00,0X00,