基于嵌入式單片機的電機運行狀態遠程監控系統

葉偉慧

（湛江科技學院，廣東湛江，524094）

0 引言

工業電機的日常應用較為繁雜，且需要與多種設備進行關聯，較容易受到外部環境的影響，導致其運行不暢，為此，部分企業為確保電機運行的穩定性與日常工作效率，會設計具有針對性的運行狀態遠程監控系統[1]。常見的遠程監控系統多為單向監控，根據實際的測定需求及標準，對電機運行中出現的異常區域進行標定，形成循環性的監控結構[2-4]。這種形式雖然可以實現預期的監控目標，但是穩定性不高，由于電機運行的調整，常出現監控偏差。除此之外，數據的匯總及傳輸也成為較難解決的問題，導致最終監控結果并不精準。為此提出對基于嵌入式單片機的電機運行狀態遠程監控系統的設計與分析。

1 遠程監控系統硬件

■1.1 主監控裝置設計

通常情況下，傳統的遠程監控硬件結構多為單向的，日常的監控范圍較為固定，執行程序并不穩定，容易受到外部環境及因素的影響，導致控制效率大幅度降低[5-6]。為此，根據實際的監控需求及標準，增加主監控裝置的運行等級，擴大對電機運行的監測標定能力，形成高等級監控裝置的設計。具體結構如圖1 所示。

圖1 主監控裝置結構圖示

根據圖1 可知，主監控裝置結構主要包括：單片機模塊、驅動模塊、監控轉換模塊。根據上述步驟，完成對主監控裝置結構的設計。在此基礎之上，利用嵌入式單片機，將主監控裝置劃分為多個控制區域，以單片機模塊作為核心模塊，將定向監控裝置與動態化監控節點與其搭接關聯，形成循環性的主監控裝置結構，為后續系統的設計奠定基礎[7～8]。

1.2 驅動遠程監控輸出串口設計

調節直流電機的電壓，同時改變電機整體的運行轉速，這部分可以利用脈寬調制（PWM）來實現調速[9～10]。隨后，測定電機處于穩定地運行范圍之后，在控制電路中接入一個小型的輸出控制電路，并在后側方接入定向的驅動模塊，如圖2 所示。

圖2 定向驅動電路圖示

定向驅動電路包含電阻1、電阻2 及驅動控制電源組成，根據上式電路圖示，完成對定向驅動電路的設計。隨后，綜合實際的監控需求及標準，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，同時依據實際的遠程控制范圍，設定30 個AT89C51 芯片的引腳，并將串口與單片機、感應裝置進行二次關聯，形成可控的數據、信息傳輸硬件結構，逐步完善串口的應用轉換能力，實現驅動遠程監控輸出串口的設計。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制造，與工業標準的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提供了一種靈活性高且價廉的方案。

■1.3 監控轉換電路設計

綜合上述構建的系統硬件環境，綜合嵌入式單片機技術，設計單片機監控轉換電路的設計。將電路設定為A/D轉換狀態，采用ADC0832 實現監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，同時將異常數據以及信息轉化，傳輸到對應的位置上。此時，根據測定要求及標準的改變，調整基礎裝置、電路參數，如表1 所示。

表1 基礎電路參數設定調整表

根據表1，完成對基礎電路參數的設定調整。對調整的位置做出標記，為后續的為此調節提供參考。利用二極管的單向導通性來調整小型控制電路，更好地在對電機運行狀態實現續流監控處理，促使單片機與驅動機的運行監控頻率保持一致，完成單片機監控轉換電路的最終設計。

2 遠程監控系統軟件

■2.1 多階控制指令集群設計

首先，當電機停止運行時，需要在內置運行結構上安裝一定數量的監測節點，將其與外部的檢測裝置及系統形成關聯，構建循環式的監測環境。接下來，通過嵌入式單片機內部的處理器，綜合控制系統，形成一個對應的遠程監控協議，該協議實際上相當于一個穩定的基礎指令，利用系統賦予其對應的功能之后，形成控制指令，便可以下達，實現預設的遠程監控目標。并依據單片機的調整頻率，設計多個層階的控制標準，通過驅動裝置，將基礎性質量依據控制范圍作出分類，形成定向的遠程控制指令集群，為后續監控工作的執行奠定基礎環境。指令集群代碼如圖4 所示。

圖4 指令集群代碼示意圖

■2.2 遠程監控程序設計

通過上述部署的監測節點進行數據信息的接收之后，接下來，融合嵌入式單片機，進行遠程監控程序的設計。此時，依據遠程監控的標準及原則，設計一體化單片機遠程監控程序，如圖5 所示。

圖5 一體化單片機遠程監控程序結構圖示

根據圖5，完成對一體化單片機遠程監控程序結構的設計，以此為基礎，依據自身的需求，調整遠程監控的覆蓋范圍，與嵌入式單片機運行的頻率保持一致，形成更為靈活的監控程序，同時對于異常運行狀態的捕捉也會更加快速、精準一些。

■2.3 自適應遠程監控數據庫設計

首先，需要將系統中的嵌入式單片機、監測節點、感應裝置等與初始的數據庫進行關聯，形成單向的檢測程序，對電機的運行狀態監控時，可以將系統轉換為自適應的狀態，綜合單片機對異常位置的標記，對該位置的異常數據采集、匯總，進行合理篩選。設定數據庫的監控指標數值，如表2所示。

表2 自適應數據庫監控指標數值表

根據表2，完成對自適應數據庫監控指標數值的設定調整。接下來，利用嵌入式單片機遠程控制框架，綜合設定的指令，完成最終的遠程監控任務，實現系統軟件的設計。

3 系統測試

考慮到最終測試結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控標準，搭建穩定的遠程監控結構，對最終獲取的系統監控結果進行比照分析，接下來，進行基礎測試環境的搭建。

■3.1 測試準備

首先，對D 廠中的3 臺電機進行基礎性的關聯控制。利用嵌入式單片機和上位機進行連接，創建TCP/IP 通信程序，形成虛擬串口。使用 xFrame 中的本機硬件COM 口對獲取的數據信息進行采集轉換，通過Virtual Serial Port Driver 對通信所需串口進行了虛擬定位，實現遠程監控路徑以及范圍的確定。

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

表3 電機基礎性測試指標參數設定表

根據表3，完成對電機基礎性測試指標參數的設定。接下來，綜合實際的測定需求及標準，調整電機的基礎運行指標，營造穩定地運行測試環境。

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

公式1 中：G表示單向遠程監測距離，m表示自適應控制范圍，n表示堆疊范圍，i表示預設監控次數，β表示回調函數，? 表示通信距離。根據上述測定，完成對單向遠程監測距離的測算。完成基礎測試環境的搭建之后，接下來，綜合嵌入式單片機的融合，對電機運行狀態遠程監控系統進行測定驗證。

■3.2 測試過程及結果分析

根據實際的測定需求及標準，現在電機的運行結構中安裝接入一個定向的感應裝置，與硬件控制結構形成穩定的控制程序。具體電路的轉換結構如圖6 所示。

圖6 A/D 遠程轉換電路圖示

根據圖6，完成對A/D 遠程轉換電路結構的設計與調整，隨后，根據實際測定要求的變化及控制，測定出此時電機的基礎運行情況。利用初始的驅動電路，對系統下達執行指令。在系統的主控制程序中增設兩個串口，形態分別是DB-9 和DB-25，并與嵌入式單片機及上位機進行關聯，此時測算出端口的波特率，如公式2 所示。

公式2 中：M表示監控波特率，χ表示預設數據位，g表示定向端口監控范圍，ι表示監控單向頻率，e表示監控轉換次數，δ表示波特覆蓋區域。綜合上述測定，可以測算出系統監控的波特率。此時，根據監控波特率的變動情況，再加上節點所采集的監控數據以及信息，測算出電機運行狀態，由于嵌入式單片機的調整，系統遠程監控精確度的變化情況，具體如圖7 所示。

圖7 系統遠程監控幅值變化情況分析圖示

根據圖7 可知，與傳統方法設計與經過本文方法系統設計相比，本文方法精確度基本穩定在95%以上，而傳統方法精確度均在80%以下，說明使用本文方法設計的遠程監控的范圍穩定，誤差可控，監控的穩定性得到了明顯提升，具有實際的應用價值。

4 結束語

綜上所述，與基礎的遠程監控系統相對比，此次綜合實際的監控需求及標準，將嵌入單片機逐步與遠程監控系統進行融合，采取定向化的形式，進一步增強該系統對于電機運行狀態監控的精準性和穩定性。此外，根據監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控范圍，形成循環性的遠程監控體系，并加強監控誤差的動態化控制，明確監控的對象，提升系統人機交互的能力，具有實際的應用價值和現實意義，為后續相關技術和系統的創新提供完整的思路。