黃宇新 裴成梅 吳春儒 胡安正

(湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 湖北 襄陽 441053)

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在電機(jī)的工作過程中，該裝置利用傳感器對(duì)電機(jī)重要組件的工況信息(如振動(dòng)、溫度、濕度)進(jìn)行采集，由STM32F103C8T6單片機(jī)對(duì)采集的信息進(jìn)行處理，并顯示在OLED顯示屏上.將數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比對(duì)后，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，聲光報(bào)警電路將會(huì)及時(shí)報(bào)警并將信息通過GPRS模塊發(fā)送給服務(wù)器，最終顯示在用戶終端上.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控部分

系統(tǒng)主控部分包含STM32最小系統(tǒng)電路、傳感器采集電路、EEPROM存儲(chǔ)電路等.最小系統(tǒng)電路是用盡可能少的元件組成的STM32單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)電路；傳感器采集電路包含振動(dòng)、溫度、濕度3種數(shù)據(jù)的采集傳感器；EEPROM存儲(chǔ)電路用于存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)、系統(tǒng)管理的電機(jī)編號(hào)和用于報(bào)警比對(duì)的參數(shù)閾值.

2.2 相對(duì)濕度采集部分

將濕敏傳感器HS1101LF接到NE555電路構(gòu)成多諧振蕩器，單片機(jī)通過測(cè)量輸出矩形波的頻率得到濕敏傳感器輸出電容值，測(cè)量電路如圖2所示.輸出頻率與傳感器的輸出電容關(guān)系為

圖2 相對(duì)濕度測(cè)量電路

HS1101LF輸出電容與相對(duì)濕度的關(guān)系式為

RH(%)=-3.465 6×103X3+1.073 2×

104X2-1.045 7×104X+3.245 9×103

2.3 溫度采集部分

對(duì)電機(jī)重要組件的溫度測(cè)量采用的是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(簡稱NTC)，它具有電阻值隨溫度升高而降低的特性.NTC熱敏電阻具有成本低、體積小、安裝方便、測(cè)溫靈敏等特點(diǎn)，使其在工程應(yīng)用中得到廣泛推廣[2].熱敏電阻可以感知電機(jī)組件的溫度物理量變化，將檢測(cè)到的多路原始溫度信號(hào)經(jīng)檢測(cè)電路處理后轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)電壓值，多路轉(zhuǎn)換電壓值被STM32內(nèi)部ADC分別進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換.經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)后，最終得到溫度(TEMP)與ADC數(shù)據(jù)(ADC_Value)關(guān)系曲線如圖3所示.

圖3 TEMP-ADC_Value關(guān)系曲線

2.4 SIM800C通信模塊部分

通信部分采用的是SIM800C，它是一款四頻GSM/GPRS模塊，可以實(shí)現(xiàn)低功耗語音、數(shù)據(jù)和信息的傳輸，具有尺寸小巧，價(jià)格相對(duì)較低的特點(diǎn)[3].MCU通過AT命令控制操作，建立TCP連接到遠(yuǎn)端服務(wù)器，將傳感器采集的數(shù)據(jù)以及報(bào)警信息實(shí)時(shí)發(fā)送到服務(wù)器上，用戶便可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控.

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 振動(dòng)信息處理部分

壓電陶瓷具有重量輕、體積小、成本低等特點(diǎn)，它可以感受電機(jī)的輕微晃動(dòng)并通過壓電材料的正壓電效應(yīng)將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)[4].由于測(cè)量需求為振動(dòng)強(qiáng)度，因此單片機(jī)在采集完一幀數(shù)據(jù)后，需要尋找一幀數(shù)據(jù)的最大值，采樣間隔以及一幀數(shù)據(jù)的總長度由電機(jī)原本的振動(dòng)特性來決定.圖4所示的頻域特性可以得到，幅度最強(qiáng)的頻域點(diǎn)約為370 Hz，最終將數(shù)據(jù)幀長度選為20 ms，采樣間隔為400 μs，采樣點(diǎn)數(shù)為50，振動(dòng)分析的數(shù)據(jù)如圖4所示.

圖4 振動(dòng)分析的中間數(shù)據(jù)

3.2 數(shù)據(jù)通信部分

幀格式的規(guī)定主要根據(jù)代碼編寫的方便而定，對(duì)于單片機(jī)而言，一幀數(shù)據(jù)由ID+CODE+NUM+Data_buf組成.數(shù)據(jù)發(fā)送分為5種有效數(shù)據(jù)：請(qǐng)求初始化設(shè)備ID、報(bào)警信號(hào)發(fā)送、請(qǐng)求初始化閾值、發(fā)送常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)、與服務(wù)器的同步心跳發(fā)送.數(shù)據(jù)接收分為4種有效數(shù)據(jù)：初始化設(shè)備ID、初始化閾值、常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)查詢、心跳回復(fù).

4 結(jié)束語

為保證有些工作環(huán)境惡劣的電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，減小電機(jī)過度運(yùn)行而帶來的損失，由此一款實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)備就具有十分重要的意義.本系統(tǒng)使“傳統(tǒng)電機(jī)”升級(jí)為“智能電機(jī)”，實(shí)物模型如圖5所示.使升級(jí)后電機(jī)產(chǎn)品關(guān)鍵零部件的工況信息能夠被實(shí)時(shí)監(jiān)控并具有工況異常智能預(yù)警功能，大大降低由于電機(jī)突然出現(xiàn)故障造成的損失.

圖5 電機(jī)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體連接