基于单片机的电机状态实时监测系统设计

基于单片机的电机状态实时监测系统设计摘要本设计为依据单片机的电机状态的实时监测系统设计，首先对电机状态监测的行业背景以及技术发展趋势实行了研究与整合，然后围绕系统功能需求，完成了硬件电路设计与软件程序开发这两大核心内容，最终经由分模块调试以及整机联调，完成了系统功能的全流程验证。硬件部分使用模块化设计思路，整体分为主控最小系统模块、温度检测模块、转速检测模块、振动检测模块、显示与按键模块、WiFi通信模块、声光报警模块及电源模块八大重点单元，实现了电机运行参数的采集、本地交互以及故障预警；软件部分依据模块化编程思想，完成了主程序、传感器数据采集、按键消抖以及阈值调节、WiFi无线通信、故障报警判断等重点程序的开发，并且借助流程图对重点程序的运行逻辑实行了展示。本设计以STM32F103C8T6单片机作为重点控制器，可以实现电机运行温度、转速、振动状态的实时采集与显示，当参数超出设定阈值时触发声光报警，同时可以凭借WiFi模块将数据上传至手机端，实现远程监控、参数调节以及报警提醒，具备成本较低、可靠性较高、操作较容易的特点，可以广泛应用于中小型电机的运行状态监测以及早期故障预警场景。关键词：电机监测；单片机；传感器；无线通信；故障预警

Designofareal-timemotorstatemonitoringsystembasedonasingle-chipmicrocomputerAbstractThisdesignisthedesignofareal-timemotorstatemonitoringsystembasedonsingle-chipmicrocomputer.Firstly,theindustrybackgroundandtechnologicaldevelopmenttrendofmotorstatemonitoringarestudiedandsortedout.Then,aroundthesystemfunctionalrequirements,thetwocorecontentsofhardwarecircuitdesignandsoftwareprogramdevelopmentarecompleted.Finally,thewholeprocessverificationofsystemfunctionsiscompletedthroughsub-moduledebuggingandcompletemachinejointdebugging.Thehardwarepartadoptsthemodulardesignidea,whichisdividedintoeightcoreunits:maincontrolminimumsystemmodule,temperaturedetectionmodule,speeddetectionmodule,vibrationdetectionmodule,displayandkeymodule,WiFicommunicationmodule,soundandlightalarmmoduleandpowermodule,whichrealizesaccuratecollection,localinteractionandfaultearlywarningofmotoroperationparameters.Thesoftwarepartisbasedonthemodularprogrammingidea,completesthedevelopmentofcoreprogramssuchasmainprogram,sensordatacollection,keydebounceandthresholdadjustment,WiFiwirelesscommunication,andfaultalarmjudgment,andclearlyshowstheoperationlogicofthecoreprogramsthroughflowcharts.ThisdesignusesSTM32F103C8T6single-chipmicrocomputerasthecorecontroller,whichcanrealizereal-timecollectionanddisplayofmotoroperatingtemperature,speedandvibrationstate,triggersoundandlightalarmwhentheparametersexceedthesetthreshold,anduploaddatatothemobilephonethroughWiFimoduletorealizeremotemonitoring,parameteradjustmentandalarmreminder.Ithasthecharacteristicsoflowcost,highreliabilityandeasyoperation,andcanbewidelyusedintheoperationstatemonitoringandearlyfaultwarningscenariosofsmallandmedium-sizedmotors.Keywords:MotormonitoringMCUSensorWirelesscommunicationFaultearlywarning目录TOC\o"1-4"\h\u1引言 11.1电机状态实时监测系统的研究意义 11.2电机状态监测技术国内外发展史 21.2.1国外研究现状 21.2.2国内研究现状 22系统总体设计 42.1主要研究内容与功能需求 42.2核心主控芯片选择 53系统硬件设计 73.1单片机最小系统模块 73.2温度检测模块 83.3转速检测模块 93.4振动检测模块 93.5显示与按键模块 103.6WiFi通信模块 113.7声光报警模块 124系统软件设计 144.1系统主程序设计 144.2温度采集子程序 154.3显示子程序 164.4按键处理子程序 174.5WiFi无线通信子程序 194.6转速采集子程序 214.7振动检测子程序 225系统调试 255.1软件调试 255.2硬件调试 255.3实物展示 255.3.1温度检测功能 255.3.2转速检测功能 265.3.3无线通信功能 27第六章结论与展望 296.1结论 296.2展望 29参考文献 31致谢 33附录 34

摘要本设计为依据单片机的电机状态的实时监测系统设计，首先对电机状态监测的行业背景以及技术发展趋势实行了研究与整合，然后围绕系统功能需求，完成了硬件电路设计与软件程序开发这两大核心内容，最终经由分模块调试以及整机联调，完成了系统功能的全流程验证。硬件部分使用模块化设计思路，整体分为主控最小系统模块、温度检测模块、转速检测模块、振动检测模块、显示与按键模块、WiFi通信模块、声光报警模块及电源模块八大重点单元，实现了电机运行参数的采集、本地交互以及故障预警；软件部分依据模块化编程思想，完成了主程序、传感器数据采集、按键消抖以及阈值调节、WiFi无线通信、故障报警判断等重点程序的开发，并且借助流程图对重点程序的运行逻辑实行了展示。本设计以STM32F103C8T6单片机作为重点控制器，可以实现电机运行温度、转速、振动状态的实时采集与显示，当参数超出设定阈值时触发声光报警，同时可以凭借WiFi模块将数据上传至手机端，实现远程监控、参数调节以及报警提醒，具备成本较低、可靠性较高、操作较容易的特点，可以广泛应用于中小型电机的运行状态监测以及早期故障预警场景。1引言1.1电机状态实时监测系统的研究意义在现代的工业制造、智能生产及日常生活中，电机作为重点的动力装置，大量地应用于机床作业、流水线操作、水利工程、家用电器等多种场合，其运行是否稳定直接影响整套设备能否正常工作，若电机发生故障而停机，生产流程就会中断，设备可能受损，严重情况下甚至会让安全事故，带来不容易弥补的经济损失以及人员伤亡。相关的数据说明，电机大部分的故障不是突然发生，而是由温度升高、转速不稳、振动过大等早期的问题逐渐转变而成的，所以对电机运行状态实行实时、准确的监测，实现故障提前预警，对于保证电机的安全运行、延长设备寿命、减少维护成本非常重要。传统的电机状态监测多依赖于人工定期巡检以及离线检测，存在着监测不够及时、故障发现较晚、人力投入较大、无法实现全天候持续监测等问题，不容易满足现代工业自动化以及智能化的发展需要，二十一世纪以来，伴随单片机技术、传感器技术以及无线通信技术的快速进步，嵌入式监测系统已经得到了大量使用，为电机状态的在线实时监测给予了可行的技术方案。以单片机为重点的监测系统，有着体积较小、功耗较低、运算性能较为稳定、外设扩展性较好的特点，可以同时集成多路传感器实现多维度参数的采集，融合无线通信技术完成数据的远程传输，不光能实现本地实时监测与报警，也能满足远程运维的需要，较为适合中小型电机的监测场景，有着较高的工程应用价值。目前，工业领域已经有部分电机监测系统投入使用，但是多数系统存在功能过多、成本较高、操作繁复、适配性差等问题，比较难在中小型设备以及民用场景中大规模推广，本设计开发出一套依据STM32单片机的电机状态实时监测系统，在满足重点监测以及预警功能的前提下，顾及系统的低成本、易操作与高稳定性，不只可以补充传统监测方式的技术短板，也能为电机状态监测的规模化应用给出一套轻量化、高实用性的解决方案。1.2电机状态监测技术国内外发展史电机状态监测技术伴随工业自动化的发展而不断进步，目前形成了“嵌入式硬件采集+智能算法诊断+网络化远程监控”的成熟技术体系，已经变成工业4.0以及智能制造领域的重点研究方向。1.2.1国外研究现状国外对电机状态监测技术的研究开始得比较早，于上世纪中期，欧美等发达国家就已经着手探析电机故障的在线检测方法，伴随单片机技术以及微电子技术发展起来，相关的研究便进入了快速发展期，目前，国外在该领域已经建立了比较完备的技术体系，以工业4.0为重点导向，重点围绕低功耗硬件集成、智能故障诊断算法以及网络化应用三大方向展开研究。在硬件层面，国外的研究机构与企业大多使用C2000、ESP32等高性能单片机，配合MEMS振动传感器、高精度霍尔传感器等器件，继而实现温度、振动、转速、电流等多参数的同步准确采集，系统可应用于工业生产线、电梯、风电设备等多种场景。在算法研究方面，麻省理工学院等高校将自组织特征映射算法应用于嵌入式单片机之中，实现了电机故障类型的高效分类，并且也有研究将深度学习模型以及嵌入式系统相结合，电机异常工况的识别准确率已经超过了92%，应用层面，德国、美国的龙头企业已经将电机监测系统与物联网、云计算深度融合，宝马等车企将该技术应用于汽车生产线，凭借远程实时监测避免电机非计划停机，系统兼容工业通用通信协议，形成了规模化、网络化的监测生态，技术成熟度与产业渗透率均处于全球领先水平。1.2.2国内研究现状国内对电机状态监测技术的研究起步比国外晚，可是发展很快，紧跟国际技术的前沿，并且非常重视技术的工业实用性以及国产化的落地，这几年，伴随国内工业互联网以及智能制造的快速发展，依据单片机的电机状态监测系统已经变成了自动化领域的研究热点。目前国内的研究主要分为两大方向：一是算法的改良与系统的集成，针对STM32、GD32等国产主流高性能的单片机，开发低复杂度的实时信号处理以及故障诊断算法，凭借改良的快速傅里叶变换、经验模态分解等方法，在单片机有限的算力下完成振动、转速信号的特征提取，同时融合改良的支持向量机、极限学习机等轻量级的模型，实现本地故障的快速识别，顾及诊断的实时性以及准确性；二是物联网技术的融合应用，国内研究大多将WiFi、NB-IoT等无线通信技术以及监测终端相结合，建立低成本、易部署的无线传感网络，助推电机监测系统从单一的“状态监控”向“预测性维护”转型，在智慧工厂、工业设备运维等场景实现了规模化的应用。现在，国内在单片机电机监测系统的硬件集成与场景化的应用方面已经接近国际普通的水平，但是在高端智能诊断算法的嵌入式部署、工业级高可靠性系统的研发方面，以及国外领先的水平依然有一定的差距，需要更深一步的研究以及突破。

2系统总体设计2.1主要研究内容与功能需求本设计围绕电机运行状态的实时监测以及故障预警重点需求，开发了一套依据STM32单片机的监测系统，系统需要实现的主要功能如下：第一是以STM32单片机为重点，完成电机运行过程中的温度、转速、振动等重要参数的实时采集与处理；第二是具备参数阈值设置功能，采集的温度、转速、振动数值超出设定阈值时，系统会自动地发出声光报警，第三是本地配备OLED显示屏，可以实时地显示电机运行参数、设定阈值与系统状态，借助独立按键实现报警阈值的灵活调节，第四是集成WiFi无线通信模块，可以将监测数据实时地上传至手机端，实现远程监控、报警提醒以及参数远程调节；第五是系统具备较好的稳定性以及抗干扰能力，可以在工业现场环境下长时间稳定运行。为实现上述的功能，系统使用分层模块化的设计思想，整体架构分为感知层、控制层、执行层以及交互层四个层级，各层级分工明确、协同地工作，感知层由温度传感器、转速传感器、振动传感器组成，负责电机运行的物理参数的实时采集与信号转换，控制层以STM32单片机为重点，是整个系统的“大脑”，负责接收感知层上传的采集数据，完成数据滤波、处理以及故障逻辑判断，同时向执行层以及交互层下发控制指令；执行层由蜂鸣器以及LED指示灯组成，接收控制层的指令，在参数异常时实现声光报警，交互层分为本地交互以及远程交互两部分，本地交互凭借OLED显示屏以及按键实现数据的显示与参数设置，远程交互借助WiFi模块实现单片机与手机端的无线数据传输，完成远程监控与参数调节。图2.1系统硬件模块工作框图2.2核心主控芯片选择单片机作为系统的控制重点，是硬件电路的中枢，同样也是软件程序的运行载体，其性能影响着整个系统的运行稳定性以及功能实现效果，本设计需要同时处理多路传感器数据采集、人机交互、无线通信、故障逻辑判断等多任务，故需选择一款运算性能合适、外设资源较多、开发难度较低、价格合理的单片机，并对市场主流的单片机方案实行对比选型。方案一：MCS-51系列的单片机，该系列的单片机是高校嵌入式教学的基础内容，开发的门槛较低，技术的资料较多，硬件电路的设计相对简单，具备基本的I/O控制以及数据处理的能力，该系列的单片机为8位机，运算的速度较慢，内存以及闪存的容量较小，比较难同时地处理多路传感器的数据以及串口通信的任务，运行的过程中容易出现卡顿以及数据的丢失，比较难满足本设计多任务同步处理的需求。方案二：AVR系列的单片机，该系列的单片机有着功耗低、频率高、外设多的特点，在工业控制的领域中应用较多，但是该系列的单片机需要特定的编程器以及开发的软件，部分的开发工具需要付费地使用，相关的中文开发的资料与例程远少于STM32系列，开发的难度较大，不适合本设计的开发需求。方案三：ESP32系列的单片机，该芯片带有的无线通信模块，无线的功能比较全，并且还有两个处理的核重点，计算的能力不错，能处理较冗杂的数据，可是这芯片的价格比STM32F103系列高一些，硬件及软件的开发难度也更大，本的设计只需要基本的WiFi功能，单独的WiFi模块就够用，没必要用功能过多的芯片让多余的浪费。方案四：STM32F103C8T6的单片机，该芯片使用了ARM的Cortex-M3的内核，在工业的控制以及高校的毕业设计中使用已经较为大多，性价比非常高，该芯片为32位的机，最高的工作频率到了72MHz，运算的性能比较好，可以处理多任务的时候运行，拥有48个的外围引脚，I/O口的资源充足，可以满足多路的传感器、显示的模块、按键、通信的模块的连接需要，内置了多路的ADC、定时器与串口的外设，适合于本设计的硬件的开发需求；该芯片开发的资料比较多，中文的例程以及社区的支持比较好，开发的难度不大，芯片的价格比较低，适合批量的使用。经过比较之后，本设计选用了STM32F103C8T6的单片机作为重点控制器，其性能、资源以及成本均较为适合本设计的开发需求，可以保证系统稳定、高效地运行。

3系统硬件设计硬件电路是整个系统运行的物理基础，本设计使用模块化的设计思路，将整体硬件电路分为八大功能模块，分别负责主控运行、参数采集、人机交互、无线通信、故障报警以及供电功能，各模块电路的设计相对独立，借助单片机I/O口实现数据的互通以及协同工作，以下对各模块的硬件设计实行详细说明。3.1单片机最小系统模块STM32F103C8T6单片机的最小系统是硬件电路的重要部分，最小系统正常地工作后，外设模块的驱动与控制才可以实现，最小系统由时钟电路、复位电路、启动电路以及程序下载电路四部分组成，时钟电路为单片机运行给予基本节拍，是单片机工作的必要条件，本设计使用8MHz无源晶振以及22pF陶瓷电容组成主时钟电路，晶振电路靠近主控芯片引脚，以减少线路走线造成的信号干扰，然后保证时钟信号稳定起振，同样使用32.768kHz低频晶振与10pF电容组成RTC实时时钟电路，为系统给出计时基础。复位电路用于系统运行异常时的快速重启恢复，本设计使用上电复位以及按键复位融合的电路方式，由10kΩ电阻以及10μF电解电容组成基础复位电路，并且同时并联复位按键，系统通电时，电容充电使得RESET引脚处于高电位，然后实现上电自动复位；系统运行遇到卡顿或死机等问题时，按下复位键可使电容迅速放电之后再充电，RESET引脚电位变化，继而实现手动复位，以保证系统稳定地运行。启动电路借助BOOT0以及BOOT1引脚的电位设置，决定单片机的启动方式，本设计将两个引脚都经由下拉电阻连接地线，以保证系统通电后优先从闪存存储器启动，满足程序正常运行的需要，另外保留程序下载接口，使用SWD串行下载方式，只需要4根连线即可完成程序烧录以及在线调试，电路结构简单，操作方便。图3.1STM32F103单片机接线情况3.2温度检测模块温度是折射电机运行状态的重要指标，电机绕组过热会让绝缘的老化、线圈的烧毁等问题，所以本设计选用DS18B20数字温度传感器来实现电机温度的实时监测，该传感器是美国达拉斯半导体公司推出的一种单总线温度传感器，测量范围在-55℃到+125℃之间，基本包含了电机正常工作的温度范围，测量精度大约为±0.5℃，可以满足电机温度监测的基本要求。DS18B20使用特殊的单总线通信方式，仅用一根数据线便能完成与单片机的双向数据传递，硬件电路设计变得更为简单；芯片工作电压在3V至5.5V之间，可以直接利用系统的5V电源，无需专门设计供电电路，硬件电路设计中，把DS18B20的VCC引脚接到系统的5V电源，GND引脚接地，DQ数据引脚及单片机的GPIO口相连，在DQ引脚以及电源之间接入4.7kΩ的上拉电阻，以保证单总线通信的可靠性。实际安装时，把传感器探头贴近电机绕组或外壳安装，以保证温度采集的精确性。

图3.2温度检测模块3.3转速检测模块转速是显示电机运行状态的重要的指标，转速的不稳定、卡转等问题可能会造成电机的故障，本方案使用霍尔传感器对电机的转速实行非接触的测量，霍尔传感器利用霍尔效应的原理，电机轴上的磁铁随轴的转动经过传感器时，传感器就会产生相应的脉冲信号，单片机借助定时器测量脉冲信号的频率，便可以算出电机的实际转速。该检测方法有着非接触、无磨损、响应快、抗干扰好的特性，适用于各种类型的交直流电机转速的检测，硬件电路的设计中，霍尔传感器的VCC引脚接5V的电源，GND引脚接地，信号输出引脚以及单片机的定时器输入捕获引脚相连，输出引脚接10kΩ的上拉电阻以及104的滤波电容，以减少脉冲信号的杂波干扰，然后保证转速采集的准确性。图3.3电机测速模块实际接线图3.4振动检测模块电机的异常振动是轴承的损坏、转子的不平衡、定子的偏心等机械故障的直观表现，本设计选用ADXL345三轴加速度传感器实现电机振动状态的实时监测，该传感器是一款低功耗、高精度的MEMS数字加速度传感器，支持±2g~±16g的测量范围，可以凭借IIC通信协议与单片机实现数据的传输，可以精确地采集电机X、Y、Z三个轴向上的振动加速度，凭借计算振动幅值判断电机是否出现异常振动。硬件电路的设计之中，ADXL345的VCC引脚接入到电源，GND引脚接地，SCL时钟引脚以及SDA数据引脚分别以及单片机的IIC通信引脚相连接，同样在通信引脚上接入上拉电阻，以保障IIC通信的稳定性；芯片的中断引脚与单片机的GPIO口相连接，可以在振动超限时触发中断，然后加强系统的响应速度。在实际安装时，将传感器固定在电机的端盖或者机座上，以保证振动信号的有效采集。图3.4震动检测模块实际接线图3.5显示与按键模块显示模块用于本地即时地表现电机运行数据、设定界限及系统报警情况，本设计选用0.96寸的OLED显示屏作为显示设备，该显示屏使用IIC串行通信方式，仅用2根信号线即可实现数据传输，硬件连接简单，占用单片机I/O口资源较少；屏幕分辨率为128*64，可显示汉字、数字以及字符，可以同时地表现温度、转速、振动幅值以及阈值等多组信息，无需背光驱动，功耗较低、显示清晰，使用寿命较长，基本满足本设计的本地显示需求。硬件电路中，OLED显示屏的VCC引脚接入3.3V电源，GND引脚接地，SCL以及SDA引脚及单片机的IIC引脚连接，实现显示数据的传输。图3.5OLED显示模块按键模块用于实现报警阈值的调节、系统参数设置以及报警复位功能，本设计使用4个独立轻触按键，分别实现形式切换、数值加、数值减、确认复位功能，硬件电路中，按键的一端接地，另一端与单片机的GPIO口连接，同样接入10kΩ上拉电阻，使按键未按下时引脚保持高电平，按下时则变为低电平，单片机借助检测引脚电平变化判断按键动作。机械按键存在触点抖动问题，本设计使用软件消抖的方式消除抖动干扰，以保障按键识别的准确性。图3.6按键模块实际接线图3.6WiFi通信模块WiFi通信模块用于实现单片机以及手机端的无线数据传输，并完成远程监测、参数调节以及报警提醒功能，本设计选用ESP8266串口WiFi模块来实现无线通信功能，该模块是一款低功耗、性价比不错的串口WiFi芯片，工作电压为3.3V，支持AT指令配置，可以快速地实现串口数据以及无线网络数据的转换，而且支持透传形式，数据传输已经较为稳定，在物联网嵌入式设备中应用相当大量。硬件电路设计中，ESP8266模块的VCC引脚接入到3.3V的电源，GND引脚接地，模块的TXD发送引脚以及单片机的USART串口的RXD接收引脚相连接，RXD接收引脚以及单片机的TXD发送引脚相连接，继而实现了串口的双向通信；模块的RST复位引脚与IO_0引脚悬空，然后使模块默认地工作在串口透传形式。软件设计中，借助AT指令将模块配置为AP+STA双模式，手机端可以直接地连接到模块的WiFi热点，建立TCP通信连接，实现监测数据的实时接收以及控制指令的下发，进而完成远程交互功能。图3.7ESP8266无线模块3.7声光报警模块声光报警模块用于在电机运行参数异常时，凭借声音以及光线双重提醒来实现故障预警，本设计使用有源蜂鸣器与LED指示灯组合的方式来实现声光报警功能，有源蜂鸣器内置震荡电路，接入额定电压就已经可以持续发出蜂鸣声响，驱动电路简单，而且报警音量大；LED指示灯凭借灯光闪烁直观展示系统报警状态，二者融合然后可以实现全面的故障提醒，进而避免单一报警方式存在的提醒不足问题。硬件电路中，蜂鸣器与LED指示灯都已经使用NPN三极管的驱动方式，单片机的GPIO口凭借限流电阻以及三极管的基极相连接，蜂鸣器以及LED指示灯的正极接入到电源，负极以及三极管的集电极相连接，三极管的发射极接地。当单片机检测到参数超限时，GPIO口输出高电平，三极管导通，蜂鸣器持续地蜂鸣，LED指示灯开始闪烁；参数恢复正常或者按下复位按键后，GPIO口输出低电平，三极管截止，报警停止，电路设计中加入续流二极管与限流电阻，保障元器件的安全运行。图3.8报警模块模块实际接线图

4系统软件设计4.1系统主程序设计系统主程序是整个软件运行的重要架构，负责安排各子程序的运行顺序以及逻辑连接，保证系统各功能有序地、循环执行，系统上电后，首先完成全片内外设以及功能模块的初始化操作，详细囊括：单片机系统时钟配置、GPIO引脚初始化、定时器（基础定时以及输入捕获）初始化、USART串口以及IIC通信接口初始化、OLED显示屏初始化、DS18B20温度传感器初始化、霍尔转速传感器捕获通道初始化、ADXL345振动传感器初始化、ESP8266WiFi模块初始化、声光报警引脚初始化。初始化完成后，OLED显示屏显示系统开机界面，WiFi模块完成AP热点创建以及TCP通信配置，所有外设自检正常后进入主循环。主循环使用轮询式地执行逻辑，单次循环完整地执行一次全功能的流程，详细执行步骤如下：第一步，依次调用温度采集、转速采集、振动检测子程序，完成电机运行重点参数的实时采集，借助滑动平均滤波算法对原始采集数据实行滤波处理，消除环境电磁干扰以及机械抖动带来的采样噪声，增进数据稳定性与精度，第二步，调用故障报警判断子程序，将滤波处理后的实时数据以及用户设定的报警阈值实行逐一对对比，判断电机运行状态是否存在异常，倘若参数超出阈值，则立即触发声光报警程序，同时标记报警信息；第三步，调用显示子程序，将实时运行参数、设定阈值、系统状态以及报警信息更新至OLED显示屏，完成本地可视化展示，第四步，调用按键处理子程序，扫描按键引脚电平状态，判断是否有有效按键动作，若有按键触发则执行对应的形式切换、阈值调节、报警复位等操作，第五步，调用WiFi无线通信子程序，将监测数据以及报警信息按约定格式打包，实时上传至已建立连接的手机端，同样接收手机端下发的远程控制指令，完成阈值远程修改、报警复位等操作；单次循环执行完毕后，立即进入下一次循环，然后实现电机运行状态的不间断、毫秒级实时监测。图4.1系统逻辑流程图4.2温度采集子程序温度采集子程序靠着单总线通信协议驱动DS18B20数字温度传感器，完成了电机绕组/外壳温度的准确采集以及数据处理，程序运行的主要逻辑遵循单总线通信时序，详细的执行流程如下：第一步，调用DS18B20复位函数，单片机拉低单总线数据线750μs后释放总线，等待传感器反馈15~60μs的低电平响应脉冲，若未检测到响应脉冲则标记传感器故障，在显示屏提示通信异常；若检测到有效响应，则确认传感器通信正常。第二步，单片机借助单总线发送“跳过ROM”指令0xCC，随后发送“启动温度转换”指令0x44，延时750ms等待传感器完成温度模数转换，第三步，再次执行传感器复位以及响应检测流程，通信正常后发送“读取暂存器”指令0xBE，依次读取温度低字节数据与高字节数据，将两个8位数据拼接为16位原始温度数据。第四步，数据换算以及处理，凭借原始数据的符号位判断温度的正负，对负温度的数据实行补码的转换，随后将原始的数据乘以传感器0.0625℃的分辨率系数，继而得到实际的温度值，第五步，数字滤波的处理，将连续8次采集的有效温度值存入数据的缓冲区，使用滑动平均的滤波算法计算平均值，剔除环境干扰带来的采样的波动，最终输出稳定的温度采集值，以供主程序的调用以及阈值的对比。图4.2温度检测逻辑流程图4.3显示子程序显示子程序使用IIC通信协议驱动0.96寸OLED显示屏，继而实现电机运行参数、阈值信息、系统状态与报警提示的本地可视化展示，该显示屏分辨率为12864，支持816ASCII字符以及16*16汉字显示，程序使用分页式显示布局，并且固定页面分区，以保证数据展示清晰、层级分明。子程序详细执行流程如下：第一步，显示屏初始化，程序上电后向OLED显示屏发送初始化指令序列，依次完成显示时钟分频、多路复用比、显示偏移量、COM引脚硬件配置、对比度、显示开关等参数配置，在完成清屏操作后，设置显示坐标原点以及扫描方向，确认显示屏点亮正常。第二步，固定页面内容渲染，初始化完成后，在屏幕第一行居中显示系统标题“电机状态监测系统”，完成固定标题、参数标签的固化显示，以避免主循环中重复渲染造成的屏幕闪烁，第三步，数据实时地更新，在主循环运行过程中，依据固定地址刷新动态的数据。具体安排如下：第二行左边显示“温度：”，右边更新滤波处理后的温度数值及单位“℃”，第三行左边显示“转速：”，右边显示目前转速数值及单位“r/min”，第四行左边显示“振动：”，右边显示合成振动幅度及单位“g”；第五行分成两行展示目前设定的温度、转速、振动报警阈值。第四步，报警状态表现，系统触发故障报警时，屏幕第六行会闪烁显示“参数异常！报警中”红色的醒目文字，并且标明超出范围的参数类型，报警解除后，报警提示文字消失，恢复常规的显示状态；传感器发生通信故障时，屏幕相应位置会显示故障类别，便于用户排查问题。图4.3显示逻辑流程图4.4按键处理子程序按键处理子程序负责实现按键动作的识别与功能执行，主要解决机械按键的触点抖动问题，防止误触发，并且同时实现报警阈值调节、形式切换、报警复位等交互功能，本设计使用了4个独立轻触按键，分别为形式切换键、数值加键、数值减键、确认/复位键，按键的一端接地，另一端接单片机的GPIO引脚，设置为上拉输入形式，按键若未按下时则引脚为高电平，按下时则为低电平。子程序详细执行流程如下：第一步，按键引脚电平扫描，在主循环中按10ms周期扫描4个按键对应的GPIO引脚电平状态，检测是否有引脚电平从高电平跳转为低电平，若未检测到电平变化，则直接退出子程序，不执行任何操作。第二步，软件消抖处理，当检测到某一按键引脚电平跳变时，不立即判定为有效按键动作，而先延时10ms，然后再次读取该引脚电平状态，若延时后引脚依然保持低电平，则判定为有效按键按下，若电平恢复为高电平，则判定为机械触点抖动，直接退出，且不执行任何操作，然后彻底消除抖动带来的误触发。第三步，按键功能的执行，根据按下的按键种类，运行相关的功能操作：形式切换键用来改变阈值设定形式，按顺序切换温度、转速、振动阈值设定项目，被选择的阈值在屏幕上突出显示；数值增加键以及数值减少键用来对目前选择的阈值实行大小调整，调整幅度可以自行设定，温度阈值幅度为1℃，转速阈值幅度为50r/min，振动阈值幅度为0.1g；确认/复位键用来存储更改后的阈值数值，并且在系统处于警报状态时，实行警报复位动作，关闭声音灯光报警。第四步，按键释放检测，为了防止长时间按住按键造成的参数连续错误修改，程序发现按键有效按下并运行相关功能后，等待按键松开，引脚电平回到高电平后，才允许下一次按键动作的识别，以保证按键操作的正确性。图4.4按键逻辑流程图4.5WiFi无线通信子程序WiFi无线通信子程序凭借利用USART串口通信，并且借助AT指令以控制ESP8266模块，然后达成单片机以及手机端的无线数据双向传输，进而实现远程监测、报警提醒、参数远程调节三大主要功能，本设计将ESP8266模块设定为AP+STA双模式，手机可以直接连接模块自带的WiFi热点以实现局域网内直连通信，同样也能接入现场路由器WiFi，继而达成广域网远程监控，默认使用AP直连形式，以减少使用难度，适合无外网的工业现场环境。子程序详细执行流程包含模块初始化、数据上传、指令接收与解析三个部分，详细如下。1.ESP8266模块的初始化配置：系统上电后，单片机借助USART1串口向ESP8266模块发送AT指令，完成了模块的初始化配置，串口的波特率设置为115200，数据位8位，停止位1位，无校验位。详细配置过程为：第一步，发送“AT”指令，模块返回“OK”，继而确认串口通信正常；第二步，发送“AT+CWMODE=3”指令，模块设置为AP+STA双模式，重启模块后即生效，第三步，发送“AT+CWSAP=“MotorMonitor”，“12345678”,1,4”指令，以建立WiFi热点，SSID为“MotorMonitor”，密码为“12345678”，通道为1，加密方式为WPA2-PSK；第四步，发送“AT+CIPMUX=0”指令，模块设为单连接形式，第五步，发送“AT+CIPMODE=1”指令，开启串口透传形式，第六步，发送“AT+CIPSTART=“TCP”，“”,8086”指令，建立TCP服务器连接，监听8086端口，并等待手机端接入。每一步指令发送之后，程序检测模块的返回信息，如果返回“OK”则执行下一步，如果返回“ERROR”则重新发送指令，连续3次配置失败则在显示屏标记WiFi模块的故障。2.监测数据的远程上传：TCP连接建立成功之后，子程序在主循环中按1次/秒的频率，将电机运行的实时温度、转速、振动幅值、系统状态、报警信息按约定的JSON格式打包，并借助串口透传形式发送至ESP8266模块，模块自动地将数据借助WiFi网络上传至已连接的手机端；若系统触发故障报警时，便立即主动地上传报警信息，无需等待固定上传周期，继而实现远程报警提醒的实时性。3.远程指令接收以及解析：子程序启动串口接收中断，持续接收ESP8266模块转发的手机端发出的控制指令，凭借帧头+帧尾的格式来判断完整指令帧，以防数据丢失，程序对收到的完整指令实行分析，所支持的指令含有：阈值调整指令，如“SET_TEMP:60”表示将温度报警阈值设为60℃，“SET_SPEED:1500”表示将转速报警阈值设为1500r/min，“SET_VIB:2.0”表示将振动报警阈值设为2.0g；报警复位指令“RESET_ALARM”，用于远程取消声光报警状态，参数查询指令“GET_DATA”，用于主动要求系统上传最新的监测数据。指令分析完成后，执行相应的参数修改或功能操作，并且将执行结果发送至手机端，然后实现远程控制闭环。图4.4WiFi无线通信子程序逻辑流程图4.6转速采集子程序转速采集子程序依赖于STM32定时器输入捕获功能，借助霍尔传感器完成电机转速的非接触式测量，其重点在于捕获脉冲信号的频率以及周期，进而得出电机的实时转速，本设计选用STM32内部通用定时器TIM2，设定为输入捕获形式，通道1连接霍尔传感器的信号输出引脚，使用上升沿捕获形式，并且同时启用定时器更新中断，以保证转速计算的连贯性。子程序详细执行过程如下：第一，实行定时器初始化设置，将定时器时钟分频设为72分频，计数形式设为向上计数，自动重装值设为65535，并使能定时器捕获中断以及更新中断，完成捕获通道GPIO引脚形式设置，而后启动定时器运行。第二，实行脉冲捕获与周期计算，当电机转轴上的磁钢随轴转动经过霍尔传感器时，传感器便会输出一个上升沿脉冲，继而触发定时器捕获中断；在中断服务函数中，记录目前定时器的捕获计数值，并同时统计脉冲触发次数，利用两次相邻上升沿捕获的计数值差值，融合定时器计数频率，计算出单脉冲的周期时长。第三步，转速的换算，电机转轴每转动一圈，霍尔传感器输出一个脉冲信号，所以电机每分钟转速的计算公式为：n=60/T，其中n为电机的转速（单位：r/min），T为脉冲信号的周期（单位：s），若电机处于低速运行的状态，则使用多周期的平均法，统计1s内的脉冲总数，凭借脉冲数直接地换算转速，以增加低速场景下的测量精度。第四步，数据的滤波以及异常的处理，把连续5次计算得到的转速值存入缓冲区，使用限幅滤波+滑动平均滤波的复合滤波算法，以去除脉冲干扰带来的跳变数据，并输出稳定的转速值，若连续3s未检测到脉冲信号，则判断为电机的堵转或停转，并触发对应的故障报警。图4.5转速采集子程序逻辑流程图4.7振动检测子程序振动检测子程序靠着IIC通信协议驱动ADXL345三轴加速度传感器，实现了电机X、Y、Z三个轴向振动加速度的实时采集，并凭借振动特征量计算完成了电机振动状态的量化判断，是电机机械故障早期识别的重要程序。ADXL345是一款高性能MEMS三轴加速度传感器，支持±2g~±16g的可编程测量范围，本设计将它设置为±8g的测量范围，对应的分辨率为3.9mg/LSB，可以满足电机正常运行以及异常振动的测量需求。子程序主要分为传感器驱动、数据采集以及换算、振动特征提取及异常判断四个步骤，详细的执行流程如下：程序启动后，首先借助IIC通信接口向ADXL345的寄存器写入配置指令，继而完成传感器的初始化，详细配置含有：写入POWER_CTL寄存器0x08指令，使传感器从休眠形式变为测量形式；写入DATA_FORMAT寄存器0x09指令，设置测量量程为±8g，并启用全分辨率形式，写入BW_RATE寄存器0x0A指令，设置采样率为100Hz，来满足电机振动信号的采集要求，配置完成后读取传感器的DEVICE_ID寄存器，若读取值为固定值0xE5，则确认传感器通信正常，否则标记通信故障并在显示屏提示。初始化完成后，子程序按固定周期读取传感器DATAX0~DATAZ1共6个寄存器的数据，分别获取X、Y、Z三个轴向的16位原始加速度数据；对原始数据实行符号位判断以及补码转换，并融合量程对应的分辨率系数3.9mg/LSB，将原始计数值换算为实际加速度值（单位：g，1g=9.8m/s²），然后得到三个轴向的实时振动加速度ax、ay、az。图4.6振动检测子程序逻辑流程图

5系统调试5.1软件调试软件调试是在MDK5的集成开发环境中完成的，使用了分模块的调试方法，底层驱动程序的调试凭借在线仿真功能查看GPIO、定时器、IIC、串口等片内外设的寄存器状态，验证引脚的配置以及通信时序的正确性，解决语法的错误和初始化逻辑问题。功能子程序的调试中，传感器数据采集子程序借助查看内存变量确认采样数据的读取以及滤波计算的准确性，按键处理子程序验证了软件消抖逻辑与按键功能映射；WiFi通信子程序凭借串口调试助手查看AT指令发送以及模块响应，确认透传形式配置成功。主程序联调阶段改良了主循环运行逻辑，减少了不必要的延时，保证程序长时间运行无死机、数据丢失问题，整体调试过程历时3天，程序运行稳定。5.2硬件调试硬件调试先做基础检测，用万用表对焊接好的电路板做通断测试，主要检查电源以及地之间的短路问题，查看芯片引脚、元器件有没有虚焊、连焊，修好3处焊接问题后开始通电测试，通电用分级供电方式，先接12V总电源，测LM7805与AMS1117稳压器的输出电压，确定5V、3.3V输出稳定没纹波后，再给各外设模块供电。接着分模块调试：最小系统借助SWD接口顺利地下载程序，LED指示灯按预设地闪烁，温度、振动传感器用示波器测到数据输出信号；OLED显示屏正常地点亮并显示字符，按键按下时引脚电平准确地跳转；ESP8266模块顺利地创建WiFi热点，蜂鸣器以及LED在触发时正常工作，硬件调试完成后，所有模块都能正常运行。5.3实物展示5.3.1温度检测功能将DS18B20的温度传感器探头紧贴于电机的外壳固定，系统通电之后，OLED显示屏即时显示出目前的温度值，初始的环境温度为26℃，利用热风枪对传感器探头加热，温度数值随加热时间逐步上升，当温度超过设定的50℃阈值时，系统立刻启动声光报警，蜂鸣器持续鸣响，LED指示灯同步闪烁，停止加热之后，温度数值逐渐减少，回到阈值的范围内时报警自动解除，温度检测功能反应灵敏、数据可靠。表5-1温度检测功能测试数据测试序号加热状态设定阈值(℃)实测温度(℃)OLED显示(℃)误差(℃)报警状态1常温5026260未报警2轻微加热5038380未报警3接近阈值5049490未报警4超过阈值5052520报警5停止加热5048480报警解除温度检测模块使用了DS18B20数字传感器，测试结果表明测量温度以及OLED显示值基本相同，误差保持在±0.5℃左右，可以满足电机温度监测的需求，当温度到了设定阈值时，系统会发出声光报警，待温度回落至阈值范围内后报警自动停止，反应快速且无延迟，温度数据采集及报警功能运行正常。图5.1温度检测5.3.2转速检测功能在电机的转轴上固定了一块磁钢，将霍尔传感器安装在磁钢转动途径的正上方，间距保持在5mm以内，启动电机并凭借调速器调整转速，OLED显示屏实时显示目前的转速值，电机转速从0r/min逐渐上升至1500r/min，显示数值同步变化。使用手持转速表对电机转速实行对比测量，系统显示值与转速表测量值误差在±5r/min以内，转速检测精度满足设计需求，功能展示效果良好。表5-2转速检测功能测试数据测试序号电机转速(r/min)手持转速表值(r/min)OLED显示值(r/min)绝对误差(r/min)相对误差运行状态1低速30030220.67%正常2中低速60059820.33%正常3中速90090330.33%正常4中高速1200119730.25%正常5高速1500150440.27%正常转速检测使用霍尔传感器融合定时器输入捕获来实现，测试数据显示系统显示值以及标准转速表误差不超过4r/min，相对误差小于0.7%，测量精度符合设计要求，在0~1500r/min范围内，转速显示实时跟随、无跳变，非接触式检测无磨损，抗干扰能力强，适用于不同转速段电机监测场景。图5.2转速检测5.3.3无线通信功能打开手机的无线的网络设置，连接至ESP8266模块生成的“MotorMonitor”的热点，密码为设定的“12345678”，打开手机上的网络的调试工具，配置服务器的地址为、端口号为8086，当连接建立后，调试工具的界面即时地显示系统传送的温度、转速、振动信息，刷新速率为每秒一次。借助调试工具发送“SET_TEMP:60”的命令，系统顺利地接收并且将温度的报警限值更改为60℃，OLED屏幕同时显示更新后的数值，无线的通信正常，数据的传输响应及时。表5-3WiFi无线通信功能测试数据测试项目指令内容手机发送模块接收OLED更新通信状态响应时间温度阈值修改SET_TEMP:60成功成功60℃正常<1s转速阈值修改SET_SPEED:1200成功成功1200r/min正常<1s振动阈值修改SET_VIB:1.5成功成功1.5g正常<1s远程报警复位RESET_ALARM成功成功报警解除正常<1s数据上传实时参数——同步更新正常1次/秒ESP8266WiFi模块工作稳定，手机与单片机双向通信无丢包，远程指令响应时间小于1秒，数据上传频率1次/秒，满足实时远程监控需求。阈值远程修改、报警复位等功能执行准确无误，OLED屏同步刷新，局域网直连模式适配无外网工业现场，无线通信功能可靠。图5.3远程控制第六章结论与展望6.1结论本课题完成了基于STM32单片机的电机状态实时监测系统的设计与实现。系统以STM32F103C8T6为核心控制器，结合DS18B20、霍尔转速传感器、ADXL345和ESP8266等功能模块，实现了电机温度、转速和振动参数的实时采集、本地显示、阈值设置、声光报警以及无线远程监控等功能。整个系统完成了从方案设计、硬件搭建、软件编程到系统调试的全过程，并通过实物测试验证了各项功能的正确性和稳定性。在硬件设计方面，系统采用模块化结构，各功能单元相互独立、连接清晰，便于调试与后期扩展。主控模块能够稳定完成多路数据采集与处理任务，传感器模块能够准确获取电机运行状态信息，OLED显示模块和按键模块实现了良好的人机交互，WiFi模块则实现了监测数据的无线传输和远程参数设置。在软件设计方面，采用分层和模块化编程方法，完成了主程序、温度采集、转速测量、振动检测、按键处理、显示刷新、报警判断及无线通信等程序的开发。各功能之间配合协调，系统运行逻辑清晰，能够在参数异常时及时作出报警响应，并将相关数据同步发送到手机端，实现本地监测与远程监控相结合。在系统测试方面，对温度检测、转速检测和无线通信功能进行了验证。测试结果表明，温度测量误差控制在传感器允许范围内，转速测量相对误差低于1%，无线通信响应时间小于1s，各项功能均达到预期设计目标。系统整体运行稳定，具有成本低、结构简单、操作方便和实用性强等特点，能够满足中小型电机运行状态监测和早期故障预警的基本需求。通过本次毕业设计，不仅完成了一套功能完整的电机监测系统，也进一步加深了对单片机系统设计、传感器接口技术、嵌入式软件开发以及无线通信技术的理解，提高了硬件调试、程序编写和系统集成的综合能力，为今后的学习和工程实践奠定了良好的基础。6.2展望虽然本系统已经实现了预期功能，并能够稳定运行，但在功能深度和工程应用方面仍有进一步提升的空间。首先，在监测参数方面，当前系统主要采集温度、转速和振动信息，后续可增加电流、电压、功率及轴承噪声等参数，实现对电机运行状态的更加全面监测，从而提高故障识别的准确性。其次，在故障诊断方面，本设计采用固定阈值判断方式，结构简单且易于实现，但对复杂工况的适应能力有限。未来可以结合MachineLearning或ArtificialIntelligence方法，对多维监测数据进行特征提取和模式识别，实现对轴承磨损、转子不平衡和堵转等故障的智能诊断与预测。再次，在通信与数据管理方面，目前系统采用WiFi实现局域网监控，后续可结合MQTT、云平台和数据库技术，实现历史数据存储、趋势分析、异常统计和多设备集中管理，进一步提升系统的信息化水平。最后，在硬件设计方面，可采用更高集成度的控制平台和低功耗设计方案，优化PCB布局与抗干扰措施，提高系统在复杂工业环境中的可靠性。同时，可开发更加完善的上位机或移动端应用，使系统界面更加直观，操作更加便捷。总体来看，基于单片机的电机状态实时监测系统具有良好的应用前景。随着传感器技术、嵌入式技术和工业物联网的不断发展，该类系统将在设备健康管理、预测性维护和智能制造等领域发挥更加重要的作用。

参考文献[1]贾洪彬.基于单片机的电子式转速里程表的设计与实现[J].电子世界,2014(22):2.[2]张建峰.电子式车速里程表、转速表误差分析[J].计量与测试技术,2005,32(12):1.[3]薛健,祝赫,张建民,等.基于单片机的电子式转速里程表:CN201621135554.3[P].CN206095263U[2025-03-07].[4]李丽,张朝杰,尹冠飞,等.一种基于单片机的电子式转速里程表:CN201620253379.1[P].CN205506068U[2025-03-07].[5]王锁弘.电子车速里程表的单片机实现方案[J].国外电子元器件,2004.[6]罗瑞.某型电子式汽车仪表的设计研究[D].电子科技大学,2009.[7]苏国信,黄保儒,陈斐达.机车里程表传动齿轮输出结构的改良:CN200420003143[P].CN2694232Y[2025-03-07].[8]崔群,梁子贵,朱晖.一种电子式汽车仪表综合耐久实验台:CN201920926155.6[P].CN209894469U[2025-03-07].[9]李光举,马印忠,李兆军.基于CS8190的车辆转速/里程表设计与实现[J].农业装备与车辆工程,2009(9):3.[10]孙学福.摩托车电子式转速／里程仪表电路设计[J].摩托车技术,1999(6):3.[11]陈春雷,陈智聪,石友彬,等.一种基于单片机的电子式测速里程表电路系统:CN202023245182.9[P].CN214096085U[2025-03-07].[12]郭琳琳.智能测速计的设计与实现[J].中文信息,2015,000(009):294-294.[13]程显敏.电子车速里程表的单片机实现方案[J].黑龙江交通科技,2011.[14]李永建,葛友华,崔治.电子车速里程表单片机控制电路设计[J].计算机光盘软件与应用,2010,000(015):120-120.[15]杨军.一种一体化摩托车仪表:CN200920219897.1[P].CN201506265U[2025-03-07].[16]杨军.一种摩托车仪表装置:CN200920219895.2[P].CN201506264U[2025-03-07].[17]耿琦.车速里程表和发动机转速表寿命试验系统的研究和开发[J].吉林大学,2004.[18]吴军伍.谈摩托车仪表中的转速比[J].摩托车,2001,06:17-17.[19]杨中林.从西德VDO公司引进汽车仪表新技术简介[J].汽车与配件,1984(2):2.[20]罗瑞.某型电子式汽车仪表的设计研究[D].电子科技大学,2008.[21]WangX,WangX,ChenQ,etal.DesignofExperimentalPlatformforMotorFaultDiagnosisBasedonEmbeddedSystemandShallowNeuralNetwork[C]//2022IEEEInternationalConferenceonMechatronicsandAutomation(ICMA).IEEE,2022:1608-1613.[22]OoiB,KhngX,LiewS,etal.UsingCompressiveSamplingtoFillInter-BatchDataGapfromLow-CostIoTVibrationSensor[J].IEEEInternetofThingsJournal,2022,9(15):13042-13051.[23]LeiX,WuY.ResearchonmechanicalvibrationmonitoringbasedonwirelesssensornetworkandsparseBayes[J].EURASIPJournalonWirelessCommunicationsandNetworking,2020,2020(1):1-10.[24]HuangY,LiangS,CuiT,etal.EdgeComputingandFaultDiagnosisofRotatingMachineryBasedonMobileNetinWirelessSensorNetworksforMechanicalVibration[J].Sensors,2022,22(19):7298.[25]ZhaiY,JiangH,LiuY,etal.DesignofmotoronlinemonitoringsystembasedonARM[J].JournalofPhysics:ConferenceSeries,2021,1948(1):012164.

致谢经过几个月的学习、设计与调试，我顺利完成了本次毕业设计的全部开发工作与论文撰写，在这个过程中，我不仅在专业知识与工程实践能力上得到了极大的提升，也培养了严谨的科研态度与解决实际问题的能力。在此，我首先要衷心感谢我的两位指导老师，贺日升老师与岳林老师。从最初的选题、方案设计，到硬件开发、软件编程，再到论文的撰写与修改，两位老师都给予了我悉心的指导与无私的帮助。在设计遇到瓶颈、调试出现问题时，老师们总能耐心地为我解答疑惑，梳理设计思路，帮我解决技术难题，让我能够顺利完成设计任务。同时，也要感谢学院为我提供了完善的实验设备与开发环境，为毕业设计的完成提供了坚实的保障。感谢我的同学们，在设计开发过程中，我们相互交流、相互帮助，共同探讨技术问题，分享开发经验，让我在遇到困难时能够快速找到解决方向。更要感谢我的父母，一直以来给予我无条件的支持与鼓励，是你们的理解与付出，让我能够安心完成学业与设计任务。本次毕业设计是我大学学习生涯的总结，也是我未来职业生涯的起点。在今后的学习与工作中，我会继续保持严谨的学习态度与探索精神，不断学习新的专业知识，提升自身的专业能力，不忘初心，砥砺前行，用所学的知识回报社会，不辜负老师与家人