基于stc单片机的电机脉冲测速及堵转保护器.docx

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基于stc单片机的电机脉冲测速及堵转保护器

毕业论文（设计）

题目名称：

基于STC单片机的电机脉冲测速及堵转保

护器

题目类型：

毕业设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

长江大学毕业论文（设计）任务书

学院（系）电子信息学院专业电气工程及其自动化班级电气10904

学生姓名吴磊教师/职称赵承志/讲师

1.毕业设论文（设计）题目：

基于STC单片机的电机脉冲测速及堵转保护器

2.毕业论文（设计）起止时间：

2013年3月11日~2013年6月10日

3．毕业论文（设计）所需资料及原始数据（指导教师选定部分）

4．毕业论文（设计）应完成的主要内容

1）完成总体设计方案设计。

2）STC单片机硬件，电流传感器硬件。

3）完成系统软件流程框图和程序设计。

5．毕业论文（设计）的目标及具体要求

1）设计工控机用户界面。

2）根据系统要求，进行STC单片机编程。

3）系统具有较强的可靠性、操作方便、可扩展。

6.完成毕业论文（设计）所需的条件及上机数要求

1）STC单片机编程软件

2）个人电脑

任务书批准日期2013年月日教研室（系）主任（签字）

任务书下达日期2013年月日指导教师（签字）

完成任务日期2013年月日学生（签名）

长江大学

毕业论文（设计）开题报告

题目名称：

基于STC单片机的电机脉冲测速及堵转保护器

题目类别：

毕业设计

院（系）：

电子信息学院

专业班级：

学生姓名：

辅导教师：

赵承志

开题报告日期：

2012年3月11日

基于STC单片机的电机脉冲测速及堵转保护器

学生：

，电子信息学院

指导教师：

赵承志，电子信息学院

1题目来源

交流电机是一种应用最广泛的动力设备，在国民经济中起着举足轻重的作用。

由于交流电机被大量用于极端恶劣的环境中，如电网波动、负载冲击以及外界环境高温、高湿、粉尘等，其保护问题就显得非常重要，保护问题又涉及测量方向，因此课题首要任务是测量，转速是一重要测量量。

2研究目的和意义

电机是当前应用最广泛的动力设备，供电系统70%的电能是通过电动机消耗的。

由于交流电机具有结构简单、制造方便、运行可靠以及价格低廉等优点，因而被广泛应用于工农业、交通运输、国防等领域。

电动机所带的负载种类繁多，且往往是整个设备中的关键部分，因而电动机的安全、稳定运行具有十分重要的意义。

电动机的故障或不正常运行轻则影响设备功能重则造成设备损坏和其他安全事故，引起重大的经济损失，电动机保护器的研究就显得十分重要。

据有关方面统计，每年电动机损毁数量在300万台以上，仅电动机的维修费就在百亿元以上，因电动机不正常工作所造成的耗电量高达数十亿KWh，间接经济损失更是数目惊人，而且这一数字还在不断增长。

另外，由于现代电动机设计、生产技术的提高，电动机的体积越来越小，导致电机内部电流密度显著增加；再加上现代化的生产工艺往往要求电动机经常在频繁的启动、制动、正反装以及变负荷等多种状态下切换运行，电动机出现的概率更加难以确定，故障后导致的后果也更加严重。

因此，无论从安全的角度还是从经济的角度来看，电动机保护器的研究有着深远的意义。

3阅读的主要参考文献及资料名称

[1]孙传友，张一.感测技术基础[M].第三版.北京：

电子工业出版社，2011：

175~178

[2]徐爱钧.单片机原理实用教程——基于Proteus虚拟仿真[M].第二版.北京：

电子工业出版社，2011：

7~9,42~50,52~•62，218~252

[3]王为清，邱文勋.51单片机开发案例精选[M].北京：

人民邮电出版社，2007：

84~85

[4]求是科技.单片机典型模块设计案例导航[M].第二版.北京：

人民邮电出版社，2008：

229~~235,285~293

[5]周润景，张丽娜，丁莉.基于PROTEUS的电路及单片机设计与仿真[M].第二版.北京：

北京航空航天大学出版社，2010：

169~180

[6]刘海成.单片机及应用系统设计原理与实践[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2009：

88~121,391~392

[7]戴顺辉，彭江（上海华建电力设备股份有限公司，上海）.基于单片机的电动机保护器的设计[J].智能电器及计算机应用，2008，第23卷：

1~5

4国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向

[1]以熔断器、热继电器为主的机械式保护方式

热继电器是建国以后从前苏联引进技术开发的金属片机械式电动机过载保护器，是长期以来我国电动机保护器所采取的的主要技术方法。

这种电动机保护器由熔断器、断路器及热继电器组成，控制方式主要分为四种：

（1）熔断器—交流接触器—热继电器；

（2）断路器—交流接触器—热继电器；（3）熔断器—断路器；（4）熔断器—断路器—交流接触器—热继电器。

热继电器是用于保护电动机因过载引起过电流的装置。

热继电器在电子技术尚不发达的时代曾是电机过载保护的首选产品，利用的是双金属片热效应原理：

双金属片是由两片不同膨胀系数的金属铆合而成，通过的电流使它们产生热量，并向膨胀系数小的一边弯曲，弯曲的程度和电流的大小成正比，当电流超过热继电器整定电流的一定时间就会启动其中的脱扣装置，从而起到切断主回路达到保护的目的。

热继电器具有反时限特性和结构简单、安装方便等优点；同时，它也有一定的缺陷，由于材料的热滞后效应导致热继电器有保护时滞和轻微堵转、过载保护欠佳的缺点。

由于上述缺点导致电动机容易长期运行于轻微过载状态，使电动机绕组产生热积累，绕组温升超过额定值，绕组绝缘老化，影响电动机使用寿命。

另外，受制造工艺限制，热继电器的性能有一定的分散性，动作曲线与电动机实际保护曲线不协调，使电动机有效功率下降，严重时还会导致误动作。

正因为如此，这种传统的电动机保护方法正在被逐步淘汰，新设备上已基本看不到它的身影。

[2]普通电子式电动机保护器

从上个世纪七八时年代开始，随着半导体技术、电子技术的发展及广泛应用，一批新的基于分立电子元件和中小规模集成电路的新型电动机保护产品应运而生。

此类保护器从保护取样方式上大致扥为电压取样型和电流取样型。

电压取样型电动机保护器主要针对电动机的工作电压进行相应的检测来对电动机进行保护；电流取样型电动机保护器通过对电动机的线电流的变化检测来对电动机进行保护。

我国电子式保护器是由晶体管型发展至集成电路型，装置功能基本满足电动机保护的要求。

但是设计思路的限制导致这些电动机保护器仍有一些难以克服的缺陷，这主要便现在：

（1）精度不高。

由于整个保护器是由众多分立元件集合而成，任何一个元件的性能都会对整个系统产生很大影响。

各个元器件之间连线繁杂，在复杂电磁环境中极易受到干扰，对温度的敏感性也很高，这常常导致保护器不能正常工作。

（2）无法实现参数存储、通信等功能。

受期间功能影响，在由分立元件构成的电动机保护器上无法实现像参数记录，实时通信这样的高端性能，这也限制这类保护器的应用范围。

（3）另外，整个保护装置中的元件、节点众多，大大增加了系统的故障点，导致保护器调试困难。

[3]智能型电动机保护器

微电子技术的深入发展，大规模乃至超大规模集成电路成果的日新月异。

以微控制器、数字信号处理器、可编程逻辑控制器等为代表的智能型控制器不断进步，在国民经济的各个领域都取得了重大成果。

基于智能型控制器的电动机保护器与前两种保护方式相比具有先天的优势。

这种智能化电动机保护装置具有处理速度快、智能化程度高等优点，可以实施各种非常复杂的算法和各种保护功能；由于能够方便地实现自检测试功能从而减少了装置的维修工作量，避免了因装置缺陷引起的保护不正确动作，提高了保护的可靠性。

它可以同时对电动机进行断相、过载、短路、欠压、三相不平衡、堵转、漏电等进行保护。

它还拥有显示、通信、故障记录等功能。

智能型电动机保护器正以其优异的性能取得各大原始设备生产商的青睐，它将是电动机保护器的主要发展方向。

5主要研究内容、重点研究的关键问题及解决思路

主要研究内容：

电机和转速测量传感器输出脉冲信号接入单片机STC12C5202，单片机和继电器装置通过光耦驱动电磁继电器，电磁继电器根据单片机检测的脉冲间隔时间来判断电机是否堵转，如果堵转则单片机P1.0输出信号控制继电器动作并延时。

原理框图如图1所示

图1系统设计原理框图

重点研究的关键问题及解决思路：

1、传感器检测脉冲信号：

传感器用来测量转速并把输出的信号转换成方波信号，传感器需通过转换电路连接到STC12C5202单片机。

设计采用测频计数式。

在指定的时间内对转速传感器发出的脉冲信号进行计数，若每分钟转动圈数为n，每转一圈传感器发出脉冲数为m（m的数值最好是60的整数倍），则传感器脉冲的频率为

，因此可求得转速

。

转速传感器可采用转速—脉冲变换电路如下图2所示

图2用转速—脉冲变换电路

2、单片机STC12C5202如何控制电磁继电器？

电磁继电器动作电流？

动作时间？

如何与单片机连接？

单片机是一个弱电器件，一般情况下大都工作在5V甚至更低。

驱动电流在mA级以下，因此需使用一个三极管来放大单片机输出的电流，而三极管又需要一个二极管来保护。

这里继电器由相应的晶闸管来驱动（如图3所示），开机时，单片机初始化后的P1.0为高电平，+12V电源通过电阻使三极管导通，所以开机后继电器始终处于吸合状态，如果在程序中写入CLRP1.0，相应三极管的基极就会被拉到0V左右，使相应的三极管截止，继电器就会断电释放，每个继电器都有一个常开转常闭的接点，便于在其他电路中使用，继电器线圈两端反相并联的二极管是起到吸收方向电动势的功能，保护相应的驱动晶闸管，这种继电器驱动方式硬件结构简单。

再将继电器的输出到LED灯上，即可通过LED灯的亮灭得知继电器的吸合断开状态。

堵转保护，一般整定电流大于电动机额定电流2~8倍，动作延时时间为0.3~20s。

继电器电磁阀对单片机的电源有干扰，继电器断开时，电磁阀将产生较大的电磁干扰，这也可以在单片机的电源引脚及继电器的供电引脚串接电感活在穿心电感能有效抑制干扰，对小功率电磁阀不需要光耦隔离，如果电磁阀的功率大的话，如500W以上，那么需要考虑用光耦隔离，同时要注意各线的走向，并串电感或穿心磁珠，两者的地也需要隔离。

图3光耦隔离驱动继电器电路

6完成毕业设计所必须具备的工作条件及解决办法

计算机一台

电路设计软件Altium.Designer.v10.0

KeiluVision3

7工作的主要阶段、进度与时间安排

2月27日~3月10日：

网上查资料、完成文献翻译；

3月10日~3月23日：

查看相关资料进行方案设计，开题报告；

3月24日~4月15日：

掌握STC12C5202单片机的基础编程及应用，了解单片机的基本工作原理；

4月16日~5月10日:

利用Altium.Designer.v10.0绘制电路图，并进行硬件调试，使用KeiluVision3进行编程；

5月11日~5月25日：

完成毕业论文初稿；

5月26日~6月4日：

毕业论文及相关文档定稿、审查、评阅；

6月4日~6月10日：

毕业设计答辩。

8指导教师审查意见

长江大学毕业论文（设计）指导教师评审意见

学生姓名

专业班级

毕业论文

（设计）题目

指导教师

职称

评审日期

评审参考内容：

毕业论文（设计）的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。

学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文（设计）是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。

评审意见：

指导教师签名：

评定成绩（百分制）：

_______分

（注：

此页不够，请转反面）

长江大学毕业论文（设计）评阅教师评语

学生姓名

专业班级

毕业论文

（设计）题目

评阅教师

职称

评阅日期

评阅参考内容：

毕业论文（设计）的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。

学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文（设计）是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。

评语：

评阅教师签名：

评定成绩（百分制）：

_______分

（注：

此页不够，请转反面）

长江大学毕业论文（设计）答辩记录及成绩评定

学生姓名

专业班级

毕业论文

（设计）题目

答辩时间

年月日～时

答辩地点

一、答辩小组组成

答辩小组组长：

成员：

二、答辩记录摘要

答辩小组提问（分条摘要列举）

学生回答情况评判

三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：

_______分

毕业论文（设计）最终成绩评定（依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文（设计）评分的相关规定）

等级（五级制）：

_______

答辩小组组长（签名）：

秘书（签名）：

年月日

院（系）答辩委员会主任（签名）：

院（系）（盖章）

基于STC单片机的电机脉冲测速及堵转保护器

学生：

，电子信息学院

指导导师：

赵承志，电子信息学院

[摘要]在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。

模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。

数字式通常采用电磁式转速传感器，霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。

随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能价格比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法。

本文便是运用STC12C5202单片机控制的智能化转速测量仪。

电机在运行过程中，需要对其进行监控，转速是一个必不可少的一个参数。

本系统就是对电机转速进行测量，并通过单片机定时来检测电机是否堵转，堵转后控制电磁继电器动作及延时。

本设计主要用单片机STC12C52002作为控制核心，由电磁式转速传感器.光耦电路.电磁继电器.接触器等构成。

本文重点是测量转速及单片机定时系统。

在软件系统的设计上，根据STC12C5202单片机的编程结构特点，充分利用单片机的片上资源，采用模块化编程思想，将系统功能分解成较小的功能模块，然后用子函数和中断处理函数等实现了电动机保护功能.其优点硬件是电路简单，软件功能完善，测量速度快、精度高、控制系统可靠，性价比较高等特点。

[关键词]单片机；电磁式转速传感器；转速测量；数据处理；电磁继电器

Motorpulsevelocityandlocked-rotorprotectorbasedonSTCmicrocontroller

Student:

Electronics&InformationCollege

Tutor:

ZhaoChengzhi.Electronics&InformationCollege

[Abstract]Inengineeringpractice,oftenwillencounterallsortsofneedtomeasurethespeedoccasions,measurementspeedmethodsareclassifiedintoanaloganddigitaltwokinds.Analogtachogeneratorasthetestcomponents,isthesignal.Digitalusuallyadoptstheelectromagneticspeedsensors,hallelementasthedetectingelementandthesignalisthepulsesignal.Withthewidelyapplicationofthemicrocomputer,especiallyhighperformancethanthesinglechipmicrocomputer,speedmeasurementwidelyusedwiththesinglechipprocessorasthecoreofdigitalmeasuringmethod.

ThispaperistouseSTC12C5202single-chipmicrocomputercontrolofintelligentspeedmeasuringinstrument.Motorintheprocessofoperation,needtobemonitored,speedisanessentialpartofaoneparameter.Thissystemiscarriedoutonthemotorspeedmeasurement,andthroughtheSCMtimertocheckifmotorstalling,locked-rotoraftercontrolelectromagneticrelayactionandtimedelay.

ThisdesignmainlySTC12C52002MCUascontrolcore,theelectromagneticspeedsensors.Opticalcouplingcircuit.Theelectromagneticrelay.Contactor,etc.Thispaperfocusesonmeasuringspeedandsingle-chiptimingsystem.

Inthedesignofsoftwaresystem,accordingtothestructuralcharacteristicsofSTC12C5202microcontrollerprogramming,makefulluseofthemicrocontrolleron-chipresources,theideaofmodularprogramming,thefunctionmodulesofthesystemfunctionisdecomposedintosmaller,thenusefunctionandinterruptprocessingfunctionssuchasmotorprotectionfunctionisrealized.Itsadvantageishardwarecircuitissimple,softwarefunctionisperfect,fastmeasurementspeed,highprecision,reliablecontrolsystem,highcostperformancecharacteristics.

[KeyWords]Microcomputer;Electromagneticspeedsensor;Speedmeasurement;Dataprocessing;Electromagneticrelay

1前言

1.1研究目的和意义

电机是当前应用最广泛的动力设备，供电系统70%的电能是通过电动机消耗的。

由于交流电机具有结构简单、制造方便、运行可靠以及价格低廉等优点，因而被广泛应用于工农业、交通运输、国防等领域。

电动机所带的负载种类繁多，且往往是整个设备中的关键部分，因而电动机的安全、稳定运行具有十分重要的意义。

电动机的故障或不正常运行轻则影响设备功能重则造成设备损坏和其他安全事故，引起重大的经济损失，电动机保护器的研究就显得十分重要。

据有关方面统计，每年电动机损毁数量在300万台以上，仅电动机的维修费就在百亿元以上，因电动机不正常工作所造成的耗电量高达数十亿KWh，间接经济损失更是数目惊人，而且这一数字还在不断增长。

另外，由于现代电动机设计、生产技术的提高，电动机的体积越来越小，导致电机内部电流密度显著增加；再加上现代化的生产工艺往往要求电动机经常在频繁的启动、制动、正反装以及变负荷等多种状态下切换运行，电动机出现的概率更加难以确定，故障后导致的后果也更加严重。

因此，无论从安全的角度还是从经济的角度来看，电动机保护器的研究有着深远的意义。

1.2国内外研究的概况和发展趋势

[1]以熔断器、热继电器为主的机械式保护方式

热继电器是建国以后从前苏联引进技术开发的金属片机械式电动机过载保护器，是长期以来我国电动机保护器所采取的的主要技术方法。

这种电动机保护器由熔断器、断路器及热继电器组成，控制方式主要分为四种：

（1）熔断器—交流接触器—热继电器；

（2）断路器—交流接触器—热继电器；（3）熔断器—断路器；（4）熔断器—断路器—交流接触器—热继电器。

热继电器是用于保护电动机因过载引起过电流的装置。

热继电器在电子技术尚不发达的时代曾是电机过载保护的首选产品，利用的是双金属片热效应原理：

双金属片是由两片不同膨胀系数的金属铆合而成，通过的电流使它们产生热量，并向膨胀系数小的一边弯曲，弯曲的程度和电流的大小成正比，当电

流超过热继电器整定电流的一定时间就会启动其中的脱扣装置，从而起到切断主回路

达到保护的目的。

热继电器具有反时限特性和结构简单、安装方便等优点；同时，它也有一定的缺陷，由于材料的热滞后效应导致热继电器有保护时滞和轻微堵转、过载保护欠佳的缺点。

由于上述缺点导致电动机容易长期运行于轻微过载状态，使电动机绕组产生热积累，绕组温升超过额定值，绕组绝缘老化，影响电动机使用寿命。

另外，受制造工艺限制，热继电器的性能有一定的分散性，动作曲线与电动机实际保护曲线不协调，使电动机有效功率下降，严重时还会导致误动作。

正因为如此，这种传统的电动机保护方法正在被逐步淘汰，新设备上已基本看不到它的身影。

[2]普通电子式电动机保护器

从上个世纪七八时年代开始，随着半导体技术、电