基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)行情況監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

桂彩云,李 博，劉 磊

(1.榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000；(2.國家電網(wǎng)陜西省電力有限公司榆林供電公司，陜西 榆林 719000)

工業(yè)時(shí)代之后，電機(jī)在工廠生產(chǎn)制造中被大量廣泛使用，而機(jī)器在運(yùn)行狀態(tài)下由于操作人員的違規(guī)操作和電機(jī)自身異常以及機(jī)器失控現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，這將會對工業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行造成一定影響，最重要的是對現(xiàn)場操作人員的安全造成極大的威脅[1]。伴隨著電子設(shè)備的發(fā)展和人工智能時(shí)代的開辟，機(jī)器和人的關(guān)系越來越緊密。加強(qiáng)對電機(jī)可能發(fā)生的異?，F(xiàn)象分析，做好安全預(yù)防工作、妥善處理電機(jī)異?，F(xiàn)象尤為重要[2]。將人工智能運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)安全預(yù)防極其有意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體框圖如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)控制器選用STC89C52，利用超聲波傳感器控制工作人員的安全操作范圍進(jìn)行安全預(yù)警，當(dāng)工作人員越過安全范圍時(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)以達(dá)到警示作用；語音傳感器用于機(jī)器失控時(shí)識別控制指令；煙霧傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測工作線路環(huán)境，附帶按鍵手動緊急制動功能，LCD液晶顯示屏對各參數(shù)進(jìn)行顯示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 煙霧檢測電路設(shè)計(jì)

本文選取MQ-2煙霧傳感器，該傳感器有兩種信號輸出的方式，一種是模擬量輸出，輸出電壓范圍為0-5V；另一種是數(shù)字量輸出，高電平時(shí)信號無效，即單片機(jī)讀取為低電平時(shí)有效。其工作原理是利用氣敏元件QM-N10將采集到的煙霧氣體進(jìn)行加熱和化學(xué)反應(yīng)從而引起電阻絲兩側(cè)A和B電極電流的變化[3]。當(dāng)檢測到工作環(huán)境中的氣體濃度越高，2處電壓將越高。電位器RP為靈敏度調(diào)節(jié)裝置，可以預(yù)先設(shè)定3處閾值。2和3處電壓通過電壓比較器進(jìn)行比較，濃度超過設(shè)定值將使LED燈亮，圖2所示為傳感器內(nèi)部原理圖，本設(shè)計(jì)中煙霧檢測電路原理圖如圖3所示，對于MQ-2煙霧傳感器信號采集有兩種方式，分別是模擬量輸出和TTL電平輸出，由于本設(shè)計(jì)中只需檢測環(huán)境中是否發(fā)生火災(zāi)等特殊情況，因此采用數(shù)字量輸出，其中數(shù)字信號端接單片機(jī)P2.0。

圖2 MQ-2傳感器原理電路

圖3 煙霧傳感器原理圖

2.2 距離檢測電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用超聲波模塊進(jìn)行測距，超聲波檢測主要有兩種探測形式，分別是穿透法和反射法[4]，本設(shè)計(jì)中此模塊接收和發(fā)射位于同一側(cè)，故采用反射檢測形式。超聲波測距原理為：使用IO口TRIG觸發(fā)測距，系統(tǒng)內(nèi)部給模塊最少10us的高電平信號;模塊將連續(xù)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。HC-SR04超聲波傳感器有四個(gè)引腳，分別為VCC、GND、TRIG和ECHO。其中VCC接+5 V電源， GND接地，信號觸發(fā)端TING端口接單片機(jī)P3.6，接收端ECHO接單片機(jī)P3.7，電路圖設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 超聲波傳感器原理圖

2.3 語音識別電路設(shè)計(jì)

該語音識別模塊的作用是當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)故障需要停止電機(jī)運(yùn)行時(shí)，可以無接觸遠(yuǎn)距離發(fā)出控制指令。LD3320語音識別模塊在數(shù)據(jù)傳輸上有四種讀寫方式，分別是串行SPI方式的軟硬件傳輸以及并行8位總線傳輸?shù)能浻布绞絒5]。本設(shè)計(jì)采用普通IO口模擬串行SPI傳輸方式，LD3320正常工作電壓為3.3 V，故利用AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片進(jìn)行降壓供電，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，電路原理圖如圖5所示。

圖5 語音模塊原理圖

2.4 液晶顯示電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選取LCD12864作為人機(jī)交互顯示窗口，采用串行接口方式，并行總線接口D0-D7不需接線，串行片選信號CS接+5V，串行數(shù)據(jù)口SID接P2.1,串行時(shí)鐘SCLK接P2.2口，串并選擇接口PSB低電平為串行傳輸狀態(tài)，故可直接接地，電路接線圖如圖6所示。

圖6 LCD12864接線原理圖

3 程序設(shè)計(jì)

采用模塊化程序設(shè)計(jì)，其中主程序流程如圖7所示。系統(tǒng)接通電源后進(jìn)行初始化設(shè)置，包括 I/O端口初始化和液晶屏顯示初始化。傳感器檢測到的信號輸出給單片機(jī)，STC89C52 將輸入信號與設(shè)定值比較，判斷是否進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警和制動電機(jī)，同時(shí)將檢測到的距離在LCD12864 顯示屏上顯示。

圖7 程序主流程圖

4 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為主控制器，結(jié)合外圍傳感器、顯示設(shè)備、按鍵控制設(shè)備、模擬電機(jī)設(shè)備等，整體構(gòu)成了基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)行環(huán)節(jié)檢測裝置，并能通過語音識別及時(shí)完成電機(jī)的制動控制?？捎行Ы档碗娖髟O(shè)備操作人員因操作失誤而造成的傷害，以及對運(yùn)行環(huán)境中可能發(fā)生的火災(zāi)有一定的預(yù)警作用，對于工業(yè)生產(chǎn)中事故的發(fā)生起到了預(yù)防和制止作用。