基于嵌入式單片機的電機運行狀態(tài)遠程監(jiān)控系統(tǒng)

葉偉慧

（湛江科技學(xué)院，廣東湛江，524094）

0 引言

工業(yè)電機的日常應(yīng)用較為繁雜，且需要與多種設(shè)備進行關(guān)聯(lián)，較容易受到外部環(huán)境的影響，導(dǎo)致其運行不暢，為此，部分企業(yè)為確保電機運行的穩(wěn)定性與日常工作效率，會設(shè)計具有針對性的運行狀態(tài)遠程監(jiān)控系統(tǒng)[1]。常見的遠程監(jiān)控系統(tǒng)多為單向監(jiān)控，根據(jù)實際的測定需求及標準，對電機運行中出現(xiàn)的異常區(qū)域進行標定，形成循環(huán)性的監(jiān)控結(jié)構(gòu)[2-4]。這種形式雖然可以實現(xiàn)預(yù)期的監(jiān)控目標，但是穩(wěn)定性不高，由于電機運行的調(diào)整，常出現(xiàn)監(jiān)控偏差。除此之外，數(shù)據(jù)的匯總及傳輸也成為較難解決的問題，導(dǎo)致最終監(jiān)控結(jié)果并不精準。為此提出對基于嵌入式單片機的電機運行狀態(tài)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與分析。

1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)硬件

■1.1 主監(jiān)控裝置設(shè)計

通常情況下，傳統(tǒng)的遠程監(jiān)控硬件結(jié)構(gòu)多為單向的，日常的監(jiān)控范圍較為固定，執(zhí)行程序并不穩(wěn)定，容易受到外部環(huán)境及因素的影響，導(dǎo)致控制效率大幅度降低[5-6]。為此，根據(jù)實際的監(jiān)控需求及標準，增加主監(jiān)控裝置的運行等級，擴大對電機運行的監(jiān)測標定能力，形成高等級監(jiān)控裝置的設(shè)計。具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 主監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)圖示

根據(jù)圖1 可知，主監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)主要包括：單片機模塊、驅(qū)動模塊、監(jiān)控轉(zhuǎn)換模塊。根據(jù)上述步驟，完成對主監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計。在此基礎(chǔ)之上，利用嵌入式單片機，將主監(jiān)控裝置劃分為多個控制區(qū)域，以單片機模塊作為核心模塊，將定向監(jiān)控裝置與動態(tài)化監(jiān)控節(jié)點與其搭接關(guān)聯(lián)，形成循環(huán)性的主監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)，為后續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計奠定基礎(chǔ)[7～8]。

1.2 驅(qū)動遠程監(jiān)控輸出串口設(shè)計

調(diào)節(jié)直流電機的電壓，同時改變電機整體的運行轉(zhuǎn)速，這部分可以利用脈寬調(diào)制（PWM）來實現(xiàn)調(diào)速[9～10]。隨后，測定電機處于穩(wěn)定地運行范圍之后，在控制電路中接入一個小型的輸出控制電路，并在后側(cè)方接入定向的驅(qū)動模塊，如圖2 所示。

圖2 定向驅(qū)動電路圖示

定向驅(qū)動電路包含電阻1、電阻2 及驅(qū)動控制電源組成，根據(jù)上式電路圖示，完成對定向驅(qū)動電路的設(shè)計。隨后，綜合實際的監(jiān)控需求及標準，在電路中接入一個主控制芯片，類型為AT89C51，該芯片的主要控制范圍針對小型電路，同時依據(jù)實際的遠程控制范圍，設(shè)定30 個AT89C51 芯片的引腳，并將串口與單片機、感應(yīng)裝置進行二次關(guān)聯(lián)，形成可控的數(shù)據(jù)、信息傳輸硬件結(jié)構(gòu)，逐步完善串口的應(yīng)用轉(zhuǎn)換能力，實現(xiàn)驅(qū)動遠程監(jiān)控輸出串口的設(shè)計。AT89C51 芯片如圖3 所示。

圖3 AT89C51 芯片示意圖

AT89C51 是一種帶4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8 位CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。

■1.3 監(jiān)控轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

綜合上述構(gòu)建的系統(tǒng)硬件環(huán)境，綜合嵌入式單片機技術(shù)，設(shè)計單片機監(jiān)控轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計。將電路設(shè)定為A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)，采用ADC0832 實現(xiàn)監(jiān)控范圍的覆蓋及單位，隨后，通過AT89C51 芯片將小型控制電路與單片機接引，控制電路運行，同時也可以針對電機電壓、電流的變化，標定出異常位置，同時將異常數(shù)據(jù)以及信息轉(zhuǎn)化，傳輸?shù)綄?yīng)的位置上。此時，根據(jù)測定要求及標準的改變，調(diào)整基礎(chǔ)裝置、電路參數(shù)，如表1 所示。

表1 基礎(chǔ)電路參數(shù)設(shè)定調(diào)整表

根據(jù)表1，完成對基礎(chǔ)電路參數(shù)的設(shè)定調(diào)整。對調(diào)整的位置做出標記，為后續(xù)的為此調(diào)節(jié)提供參考。利用二極管的單向?qū)ㄐ詠碚{(diào)整小型控制電路，更好地在對電機運行狀態(tài)實現(xiàn)續(xù)流監(jiān)控處理，促使單片機與驅(qū)動機的運行監(jiān)控頻率保持一致，完成單片機監(jiān)控轉(zhuǎn)換電路的最終設(shè)計。

2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件

■2.1 多階控制指令集群設(shè)計

首先，當電機停止運行時，需要在內(nèi)置運行結(jié)構(gòu)上安裝一定數(shù)量的監(jiān)測節(jié)點，將其與外部的檢測裝置及系統(tǒng)形成關(guān)聯(lián)，構(gòu)建循環(huán)式的監(jiān)測環(huán)境。接下來，通過嵌入式單片機內(nèi)部的處理器，綜合控制系統(tǒng)，形成一個對應(yīng)的遠程監(jiān)控協(xié)議，該協(xié)議實際上相當于一個穩(wěn)定的基礎(chǔ)指令，利用系統(tǒng)賦予其對應(yīng)的功能之后，形成控制指令，便可以下達，實現(xiàn)預(yù)設(shè)的遠程監(jiān)控目標。并依據(jù)單片機的調(diào)整頻率，設(shè)計多個層階的控制標準，通過驅(qū)動裝置，將基礎(chǔ)性質(zhì)量依據(jù)控制范圍作出分類，形成定向的遠程控制指令集群，為后續(xù)監(jiān)控工作的執(zhí)行奠定基礎(chǔ)環(huán)境。指令集群代碼如圖4 所示。

圖4 指令集群代碼示意圖

■2.2 遠程監(jiān)控程序設(shè)計

通過上述部署的監(jiān)測節(jié)點進行數(shù)據(jù)信息的接收之后，接下來，融合嵌入式單片機，進行遠程監(jiān)控程序的設(shè)計。此時，依據(jù)遠程監(jiān)控的標準及原則，設(shè)計一體化單片機遠程監(jiān)控程序，如圖5 所示。

圖5 一體化單片機遠程監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)圖示

根據(jù)圖5，完成對一體化單片機遠程監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以此為基礎(chǔ)，依據(jù)自身的需求，調(diào)整遠程監(jiān)控的覆蓋范圍，與嵌入式單片機運行的頻率保持一致，形成更為靈活的監(jiān)控程序，同時對于異常運行狀態(tài)的捕捉也會更加快速、精準一些。

■2.3 自適應(yīng)遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)庫設(shè)計

首先，需要將系統(tǒng)中的嵌入式單片機、監(jiān)測節(jié)點、感應(yīng)裝置等與初始的數(shù)據(jù)庫進行關(guān)聯(lián)，形成單向的檢測程序，對電機的運行狀態(tài)監(jiān)控時，可以將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為自適應(yīng)的狀態(tài)，綜合單片機對異常位置的標記，對該位置的異常數(shù)據(jù)采集、匯總，進行合理篩選。設(shè)定數(shù)據(jù)庫的監(jiān)控指標數(shù)值，如表2所示。

表2 自適應(yīng)數(shù)據(jù)庫監(jiān)控指標數(shù)值表

根據(jù)表2，完成對自適應(yīng)數(shù)據(jù)庫監(jiān)控指標數(shù)值的設(shè)定調(diào)整。接下來，利用嵌入式單片機遠程控制框架，綜合設(shè)定的指令，完成最終的遠程監(jiān)控任務(wù)，實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的設(shè)計。

3 系統(tǒng)測試

考慮到最終測試結(jié)果的真實性與可靠性，選擇D 廠3臺電機作為測試的主要目標對象，采用對比驗證的方式分析，并綜合實際測定的需求和監(jiān)控標準，搭建穩(wěn)定的遠程監(jiān)控結(jié)構(gòu)，對最終獲取的系統(tǒng)監(jiān)控結(jié)果進行比照分析，接下來，進行基礎(chǔ)測試環(huán)境的搭建。

■3.1 測試準備

首先，對D 廠中的3 臺電機進行基礎(chǔ)性的關(guān)聯(lián)控制。利用嵌入式單片機和上位機進行連接，創(chuàng)建TCP/IP 通信程序，形成虛擬串口。使用 xFrame 中的本機硬件COM 口對獲取的數(shù)據(jù)信息進行采集轉(zhuǎn)換，通過Virtual Serial Port Driver 對通信所需串口進行了虛擬定位，實現(xiàn)遠程監(jiān)控路徑以及范圍的確定。

為確保監(jiān)控目標及對象定位的精準性與可靠性，還需要設(shè)定COM3、COM4 串口，與部署的獨立節(jié)點形成穩(wěn)定的控制機制，在xFrame 中接入主控電源，同時對基礎(chǔ)性測試指標參數(shù)進行設(shè)定，如表3 所示。

表3 電機基礎(chǔ)性測試指標參數(shù)設(shè)定表

根據(jù)表3，完成對電機基礎(chǔ)性測試指標參數(shù)的設(shè)定。接下來，綜合實際的測定需求及標準，調(diào)整電機的基礎(chǔ)運行指標，營造穩(wěn)定地運行測試環(huán)境。

在上述搭建的測試環(huán)境之中，還需要對嵌入式單片機和上位機做出細微測試調(diào)整。可以在控制程序中采用LabWindows/CVI 增加遠程監(jiān)控的雙向控制功能，合理調(diào)整每一個控件的回調(diào)函數(shù)，形成交互式的通信監(jiān)控傳輸結(jié)構(gòu)。此時，需要根據(jù)上述采集的數(shù)據(jù)以及信息，綜合系統(tǒng)的測試要求，測算出電機運行狀態(tài)的單向遠程監(jiān)測距離，如公式1 所示。

公式1 中：G表示單向遠程監(jiān)測距離，m表示自適應(yīng)控制范圍，n表示堆疊范圍，i表示預(yù)設(shè)監(jiān)控次數(shù)，β表示回調(diào)函數(shù)，? 表示通信距離。根據(jù)上述測定，完成對單向遠程監(jiān)測距離的測算。完成基礎(chǔ)測試環(huán)境的搭建之后，接下來，綜合嵌入式單片機的融合，對電機運行狀態(tài)遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行測定驗證。

■3.2 測試過程及結(jié)果分析

根據(jù)實際的測定需求及標準，現(xiàn)在電機的運行結(jié)構(gòu)中安裝接入一個定向的感應(yīng)裝置，與硬件控制結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定的控制程序。具體電路的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 A/D 遠程轉(zhuǎn)換電路圖示

根據(jù)圖6，完成對A/D 遠程轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計與調(diào)整，隨后，根據(jù)實際測定要求的變化及控制，測定出此時電機的基礎(chǔ)運行情況。利用初始的驅(qū)動電路，對系統(tǒng)下達執(zhí)行指令。在系統(tǒng)的主控制程序中增設(shè)兩個串口，形態(tài)分別是DB-9 和DB-25，并與嵌入式單片機及上位機進行關(guān)聯(lián)，此時測算出端口的波特率，如公式2 所示。

公式2 中：M表示監(jiān)控波特率，χ表示預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)位，g表示定向端口監(jiān)控范圍，ι表示監(jiān)控單向頻率，e表示監(jiān)控轉(zhuǎn)換次數(shù)，δ表示波特覆蓋區(qū)域。綜合上述測定，可以測算出系統(tǒng)監(jiān)控的波特率。此時，根據(jù)監(jiān)控波特率的變動情況，再加上節(jié)點所采集的監(jiān)控數(shù)據(jù)以及信息，測算出電機運行狀態(tài)，由于嵌入式單片機的調(diào)整，系統(tǒng)遠程監(jiān)控精確度的變化情況，具體如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)遠程監(jiān)控幅值變化情況分析圖示

根據(jù)圖7 可知，與傳統(tǒng)方法設(shè)計與經(jīng)過本文方法系統(tǒng)設(shè)計相比，本文方法精確度基本穩(wěn)定在95%以上，而傳統(tǒng)方法精確度均在80%以下，說明使用本文方法設(shè)計的遠程監(jiān)控的范圍穩(wěn)定，誤差可控，監(jiān)控的穩(wěn)定性得到了明顯提升，具有實際的應(yīng)用價值。

4 結(jié)束語

綜上所述，與基礎(chǔ)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)相對比，此次綜合實際的監(jiān)控需求及標準，將嵌入單片機逐步與遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行融合，采取定向化的形式，進一步增強該系統(tǒng)對于電機運行狀態(tài)監(jiān)控的精準性和穩(wěn)定性。此外，根據(jù)監(jiān)控方向以及處理形式的變化，利用嵌入式單片機的融合，一定程度上可以更好地擴大實際的監(jiān)控范圍，形成循環(huán)性的遠程監(jiān)控體系，并加強監(jiān)控誤差的動態(tài)化控制，明確監(jiān)控的對象，提升系統(tǒng)人機交互的能力，具有實際的應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義，為后續(xù)相關(guān)技術(shù)和系統(tǒng)的創(chuàng)新提供完整的思路。