基于单片机的电机运行情况监测控制系统设计

桂彩云,李 博，刘 磊

(1.榆林学院 能源工程学院，陕西 榆林 719000；(2.国家电网陕西省电力有限公司榆林供电公司，陕西 榆林 719000)

工业时代之后，电机在工厂生产制造中被大量广泛使用，而机器在运行状态下由于操作人员的违规操作和电机自身异常以及机器失控现象时有发生，这将会对工业生产的持续进行造成一定影响，最重要的是对现场操作人员的安全造成极大的威胁[1]。伴随着电子设备的发展和人工智能时代的开辟，机器和人的关系越来越紧密。加强对电机可能发生的异常现象分析，做好安全预防工作、妥善处理电机异常现象尤为重要[2]。将人工智能运用于工业生产安全预防极其有意义。

1 系统总体设计

系统整体框图如下图1所示。

图1 系统结构框图

该系统控制器选用STC89C52，利用超声波传感器控制工作人员的安全操作范围进行安全预警，当工作人员越过安全范围时，蜂鸣器发出警报以达到警示作用；语音传感器用于机器失控时识别控制指令；烟雾传感器实时监测工作线路环境，附带按键手动紧急制动功能，LCD液晶显示屏对各参数进行显示。

2 硬件电路设计

2.1 烟雾检测电路设计

本文选取MQ-2烟雾传感器，该传感器有两种信号输出的方式，一种是模拟量输出，输出电压范围为0-5V；另一种是数字量输出，高电平时信号无效，即单片机读取为低电平时有效。其工作原理是利用气敏元件QM-N10将采集到的烟雾气体进行加热和化学反应从而引起电阻丝两侧A和B电极电流的变化[3]。当检测到工作环境中的气体浓度越高，2处电压将越高。电位器RP为灵敏度调节装置，可以预先设定3处阈值。2和3处电压通过电压比较器进行比较，浓度超过设定值将使LED灯亮，图2所示为传感器内部原理图，本设计中烟雾检测电路原理图如图3所示，对于MQ-2烟雾传感器信号采集有两种方式，分别是模拟量输出和TTL电平输出，由于本设计中只需检测环境中是否发生火灾等特殊情况，因此采用数字量输出，其中数字信号端接单片机P2.0。

图2 MQ-2传感器原理电路

图3 烟雾传感器原理图

2.2 距离检测电路设计

本设计利用超声波模块进行测距，超声波检测主要有两种探测形式，分别是穿透法和反射法[4]，本设计中此模块接收和发射位于同一侧，故采用反射检测形式。超声波测距原理为：使用IO口TRIG触发测距，系统内部给模块最少10us的高电平信号;模块将连续发送8个40 kHz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。HC-SR04超声波传感器有四个引脚，分别为VCC、GND、TRIG和ECHO。其中VCC接+5 V电源， GND接地，信号触发端TING端口接单片机P3.6，接收端ECHO接单片机P3.7，电路图设计如图4所示。

图4 超声波传感器原理图

2.3 语音识别电路设计

该语音识别模块的作用是当电机出现故障需要停止电机运行时，可以无接触远距离发出控制指令。LD3320语音识别模块在数据传输上有四种读写方式，分别是串行SPI方式的软硬件传输以及并行8位总线传输的软硬件方式[5]。本设计采用普通IO口模拟串行SPI传输方式，LD3320正常工作电压为3.3 V，故利用AMS1117-3.3稳压芯片进行降压供电，IRQ接P3.2口，RST接P1.2，CS接P1.3口，DI接P1.4口，DO接P1.5口，CLK接P1.6口，电路原理图如图5所示。

图5 语音模块原理图

2.4 液晶显示电路设计

本设计选取LCD12864作为人机交互显示窗口，采用串行接口方式，并行总线接口D0-D7不需接线，串行片选信号CS接+5V，串行数据口SID接P2.1,串行时钟SCLK接P2.2口，串并选择接口PSB低电平为串行传输状态，故可直接接地，电路接线图如图6所示。

图6 LCD12864接线原理图

3 程序设计

采用模块化程序设计，其中主程序流程如图7所示。系统接通电源后进行初始化设置，包括 I/O端口初始化和液晶屏显示初始化。传感器检测到的信号输出给单片机，STC89C52 将输入信号与设定值比较，判断是否进行蜂鸣器报警和制动电机，同时将检测到的距离在LCD12864 显示屏上显示。

图7 程序主流程图

4 结论

本系统设计以单片机作为主控制器，结合外围传感器、显示设备、按键控制设备、模拟电机设备等，整体构成了基于单片机的电机运行环节检测装置，并能通过语音识别及时完成电机的制动控制。可有效降低电器设备操作人员因操作失误而造成的伤害，以及对运行环境中可能发生的火灾有一定的预警作用，对于工业生产中事故的发生起到了预防和制止作用。