【正文】 measurement widely used with the single chip processor as the core of digital measuring method.This paper is to use STC12C5202 singlechip microputer control of intelligent speed measuring instrument. Motor in the process of operation, need to be monitored, speed is an essential part of a one parameter. This system is carried out on the motor speed measurement, and through the SCM timer to check if motor stalling, lockedrotor after control electromagnetic relay action and time delay.This design mainly STC12C52002 MCU as control core, the electromagnetic speed sensors. Optical coupling circuit. The electromagnetic relay. Contactor, etc. This paper focuses on measuring speed and singlechip timing system.In the design of software system, according to the structural characteristics of STC12C5202 microcontroller programming, make full use of the microcontroller onchip resources, the idea of modular programming, the function modules of the system function is deposed into smaller, then use function and interrupt processing functions such as motor protection function is realized. Its advantage is hardware circuit is simple, software function is perfect, fast measurement speed, high precision, reliable control system, high cost performance characteristics.[Key Words] Microputer。 Speed measurement。 Electromagnetic relay XVIII 前言1 前言 研究目的和意義電機(jī)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力設(shè)備，供電系統(tǒng)70%的電能是通過電動(dòng)機(jī)消耗的。電動(dòng)機(jī)所帶的負(fù)載種類繁多，且往往是整個(gè)設(shè)備中的關(guān)鍵部分，因而電動(dòng)機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計(jì)，每年電動(dòng)機(jī)損毀數(shù)量在300萬臺(tái)以上，僅電動(dòng)機(jī)的維修費(fèi)就在百億元以上，因電動(dòng)機(jī)不正常工作所造成的耗電量高達(dá)數(shù)十億KWh，間接經(jīng)濟(jì)損失更是數(shù)目驚人，而且這一數(shù)字還在不斷增長。因此，無論從安全的角度還是從經(jīng)濟(jì)的角度來看，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的研究有著深遠(yuǎn)的意義。這種電動(dòng)機(jī)保護(hù)器由熔斷器、斷路器及熱繼電器組成，控制方式主要分為四種：（1）熔斷器—交流接觸器—熱繼電器；（2）斷路器—交流接觸器—熱繼電器；（3）熔斷器—斷路器；（4）熔斷器—斷路器—交流接觸器—熱繼電器。熱繼電器在電子技術(shù)尚不發(fā)達(dá)的時(shí)代曾是電機(jī)過載保護(hù)的首選產(chǎn)品，利用的是雙金屬片熱效應(yīng)原理：雙金屬片是由兩片不同膨脹系數(shù)的金屬鉚合而成，通過的電流使它們產(chǎn)生熱量，并向膨脹系數(shù)小的一邊彎曲，彎曲的程度和電流的大小成正比，當(dāng)電第 53 頁 共 41 頁基于ＳＴＣ單片機(jī)的電機(jī)脈沖測速及堵轉(zhuǎn)保護(hù)器流超過熱繼電器整定電流的一定時(shí)間就會(huì)啟動(dòng)其中的脫扣裝置，從而起到切斷主回路達(dá)到保護(hù)的目的。由于上述缺點(diǎn)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)容易長期運(yùn)行于輕微過載狀態(tài)，使電動(dòng)機(jī)繞組產(chǎn)生熱積累，繞組溫升超過額定值，繞組絕緣老化，影響電動(dòng)機(jī)使用壽命。正因?yàn)槿绱耍@種傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)方法正在被逐步淘汰，新設(shè)備上已基本看不到它的身影。此類保護(hù)器從保護(hù)取樣方式上大致扥為電壓取樣型和電流取樣型。我國電子式保護(hù)器是由晶體管型發(fā)展至集成電路型，裝置功能基本滿足電動(dòng)機(jī)保護(hù)的要求。由于整個(gè)保護(hù)器是由眾多分立元件集合而成，任何一個(gè)元件的性能都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響。（5） 無法實(shí)現(xiàn)參數(shù)存儲(chǔ)、通信等功能。（6） 另外，整個(gè)保護(hù)裝置中的元件、節(jié)點(diǎn)眾多，大大增加了系統(tǒng)的故障點(diǎn)，導(dǎo)致保護(hù)器調(diào)試?yán)щy。以微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器、可編程邏輯控制器等為代表的智能型控制器不斷進(jìn)步，在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都取得了重大成果。這種智能化電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置具有處理速度快、智能化程度前言高等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)施各種非常復(fù)雜的算法和各種保護(hù)功能；由于能夠方便地實(shí)現(xiàn)自檢測試功能從而減少了裝置的維修工作量，避免了因裝置缺陷引起的保護(hù)不正確動(dòng)作，提高了保護(hù)的可靠性。它還擁有顯示、通信、故障記錄等功能。 本文研究的主要內(nèi)容系統(tǒng)采用單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)即可滿足要求，采用STC12C5202單片機(jī)作為主控制器，使用電磁式轉(zhuǎn)速傳感器測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。晶體振蕩電路主要是給單片機(jī)提供時(shí)鐘，信號(hào)經(jīng)單片機(jī)STC12C5202定數(shù)器T0進(jìn)行脈沖測量，來然后進(jìn)行相關(guān)的處理。5S的定時(shí)由單片機(jī)定時(shí)器T0控制。若每轉(zhuǎn)1周傳感器發(fā)出脈沖數(shù)為m（m的數(shù)值最好是60的整數(shù)倍）, 每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為n，則傳感器脈沖的頻率為（式21），因此可求得轉(zhuǎn)速 (式22) [2] 。當(dāng)齒輪隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒的凹凸引起磁阻變化，致使線圈中磁通發(fā)生變化，感應(yīng)出幅值交變的電勢，(式21)決定[3]。在振動(dòng)強(qiáng)的場合往往采用閉磁路轉(zhuǎn)速傳感器，(b)所示。由于感應(yīng)電勢的幅值取決于切割磁力線的速度，因而也與轉(zhuǎn)速成一定比例。所以磁電式轉(zhuǎn)速傳感器有一個(gè)下限工作頻系統(tǒng)組成及工作原理率為50Hz(閉磁路式的下限頻率可降到30Hz)。 磁阻式轉(zhuǎn)速脈沖轉(zhuǎn)換電路 電渦流式和電容式（a）中的磁電式傳感器若換成電渦流式傳感器就構(gòu)成電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器。 （a）中的磁電式傳感器若換成變面積式電容傳感器就構(gòu)成電容式轉(zhuǎn)速傳感器，如圖23所示，當(dāng)齒輪隨被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容傳感器的電容也周期性變化，其變化頻率也由（式21） 決定。圖(a)所示是將一非磁性圓盤固定在被測轉(zhuǎn)軸上，圓盤的周邊上等距離地嵌裝著m個(gè)永磁鐵氧體，相鄰兩鐵氧體的極性相反。當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾元件感受的磁場強(qiáng)度周期性變化，霍爾元件輸出正負(fù)交變的周期電勢。當(dāng)被測軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)齒輪狀磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)，于是霍爾元件磁路中的磁阻發(fā)生周期性變化，使霍爾元件感受的磁場強(qiáng)度也發(fā)生周期性變化，從而輸出一系列頻率與轉(zhuǎn)速成比例的單向電壓脈沖。 系統(tǒng)組成原理框圖 電機(jī)和轉(zhuǎn)速測量傳感器輸出脈沖信號(hào)接入單片機(jī)STC12C5202AD，單片機(jī)和繼電器裝置通過光耦驅(qū)動(dòng)電磁繼電器，電磁繼電器根據(jù)單片機(jī)檢測的兩個(gè)脈沖間隔時(shí)間來判斷電機(jī)是否堵轉(zhuǎn)。 堵轉(zhuǎn)保護(hù)原理 在實(shí)際工程中經(jīng)常會(huì)有堵轉(zhuǎn)保護(hù)錯(cuò)誤報(bào)警，本設(shè)計(jì)基于實(shí)際考慮，以單片機(jī)STC12C5202檢測到的兩個(gè)脈沖信號(hào)的間隔時(shí)間是否大于5S為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)電磁繼電器保護(hù)部分。具體方案為，外部中斷INT0檢測到脈沖下降沿時(shí)中斷，單片機(jī)進(jìn)行中斷處理，定時(shí)器開始定時(shí)，在第二個(gè)脈沖下降沿到來時(shí)，若單片機(jī)定時(shí)時(shí)間大于5S則單片機(jī)輸出信號(hào)控制繼電器動(dòng)作。目前，新型單片機(jī)內(nèi)還有A/D及D/A轉(zhuǎn)換器、高速輸入/輸出等部件。 系統(tǒng)采用的單片機(jī)是STC12C5202AD（）[5]。4路PWM，8路高速十位AD轉(zhuǎn)換器，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。（2）工作電壓范圍:（5V單片機(jī)）（3）工作頻率范圍:035MHz。512字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)（5）ISP/IAP，在系統(tǒng)可編程/在應(yīng)用可編程技術(shù)。（6）片上外設(shè)資源豐富，單片機(jī)內(nèi)部集成8通道10位AD轉(zhuǎn)換器，4通道捕獲/比較單元，4路PWM輸出可兼做DA轉(zhuǎn)換器使用，4個(gè)16位定時(shí)器，兼容普通8051的定時(shí)器TOM 。（8）內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾性能。四組8個(gè)8位通用工作寄存器。（10）多達(dá)27個(gè)通用I/O口,最大驅(qū)動(dòng)能力達(dá)20mA。（12）封裝形式多樣，有SOP，SSOP，PLCC，LQFP等[6]。不論長期或臨時(shí)轉(zhuǎn)速測量，都可以在微處理器的參與下，通過測量轉(zhuǎn)軸上預(yù)留的一轉(zhuǎn)一齒的鑒系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)相信號(hào)或光電信號(hào)的周期，換算出轉(zhuǎn)軸的頻率或轉(zhuǎn)速，即通過速度傳感器，將轉(zhuǎn)速信號(hào)變?yōu)殡娒}沖，利用微機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，再經(jīng)過計(jì)算獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)[8]。通過增加測速碼盤的齒數(shù)可以提高精度，但是碼盤齒數(shù)的增加會(huì)受到加工工藝的限制，同時(shí)會(huì)使轉(zhuǎn)速測量脈沖的頻率增高，頻率的提升又會(huì)受到傳感器中光電器或磁敏器或磁電器件最高工作頻率的限制，凡此種種因素限制了常規(guī)智能轉(zhuǎn)速測量方法的使用范圍。這種方法具有傳感器結(jié)構(gòu)簡單、可靠、測量精度高的特點(diǎn)。 設(shè)計(jì)中采用施密特觸發(fā)器進(jìn)行信號(hào)的波形整形與變換，使其變得上沿和下沿跳變得更快的矩形波。 施密特觸發(fā)器HEF4093系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖：1數(shù)據(jù)輸入端8數(shù)據(jù)輸入端3數(shù)據(jù)輸出端2數(shù)據(jù)輸入端9數(shù)據(jù)輸入端6數(shù)據(jù)輸出端4數(shù)據(jù)輸入端11數(shù)據(jù)輸入端10數(shù)據(jù)輸出端5數(shù)據(jù)輸入端12數(shù)據(jù)輸入端13數(shù)據(jù)輸出端14正電源7地 施密特觸發(fā)器在電子電路中常用來完成波形變換、整形等工作，電路具有以下工作特點(diǎn)[10]：1， 電路的觸發(fā)方式屬于電平觸發(fā)，對(duì)于緩慢變化的信號(hào)仍然適用，當(dāng)輸入電壓達(dá)到某一定值時(shí)，輸出電壓會(huì)發(fā)生跳變?；冢樱裕脝纹瑱C(jī)的電機(jī)脈沖測速及堵轉(zhuǎn)保護(hù)器2， 在輸入信號(hào)增加和減少時(shí)，施密特觸發(fā)器有不同的閥值電壓，正向閥值電壓和負(fù)向閥值電壓。根據(jù)輸入相位、輸出相位關(guān)系的不同，施密特觸發(fā)器有同相輸出和反相輸出兩種電路形式。 用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)波形變換 （a）所示，當(dāng)傳輸線上電容較大時(shí)，矩形波的上升沿和下降沿都會(huì)明顯地延緩。系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)（a） 改善上升沿和下降沿 （b） 消除振蕩影響 電磁繼電器 繼電器的定義當(dāng)輸入量(激勵(lì)量)的變化達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統(tǒng)(又稱輸入回路)和被控制系統(tǒng)(又稱輸出回路)之間的互動(dòng)關(guān)系。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用[11]。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)(常開觸點(diǎn))吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。繼電器一般有兩股電路，為低壓控制電路和高壓工作電路。繼電器一般都有能反映一定輸入變量(如電流、電壓、功率、阻抗、頻率、溫度、壓力、速度、光等)的感應(yīng)機(jī)構(gòu)(輸入部分)。在繼電器的輸入部分和輸出部分之間，還有對(duì)輸入量進(jìn)行耦合隔離，功能處理和對(duì)輸出部分進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的中間機(jī)構(gòu)(驅(qū)動(dòng)部分)。2)放大:例如，靈敏型繼電器、中間繼電器等，用一個(gè)很微小的控制量，可以控制很大功率的電路。4)自動(dòng)、遙控、監(jiān)測:例如，自動(dòng)裝置上的繼電器與其他電器一起，可以組成程序控制線路，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)電流在系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)mA級(jí)以下。這里繼電器由相應(yīng)的C8550B三極管來驅(qū)動(dòng)（），開機(jī)時(shí)，+5V電源通過電阻使三極管導(dǎo)通，所以開機(jī)后繼電器始終處于吸合狀態(tài)，如果我們在程序中給單片機(jī)一條:CLR ，相應(yīng)三極管的基極就會(huì)被拉低到零伏左右，使相應(yīng)的三極管截至，繼電器就會(huì)斷電釋放，每個(gè)繼電器都有一個(gè)常開轉(zhuǎn)常閉的接點(diǎn)，便于在其他電路中使用，繼電器線圈兩端反相并聯(lián)的二極管是起到吸收反向電動(dòng)勢的功能，保護(hù)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)三極管，這種繼電器驅(qū)動(dòng)方式硬件結(jié)構(gòu)比較簡單。假若電機(jī)堵轉(zhuǎn)，電磁繼電器處于吸合狀態(tài)，此時(shí)單片機(jī)調(diào)用延時(shí)（電磁繼電器動(dòng)作時(shí)間）[13]。因此兩者基于ＳＴＣ單片機(jī)的電機(jī)脈沖測速及堵轉(zhuǎn)保護(hù)器的地需要隔離，也即各自的地式獨(dú)立的，如果共地了，那么就失去了光耦隔離的意義，也就是說，只地是相連的，那么不需要光耦隔離了，直接用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器即可。[14] 光耦隔離電路 電磁繼電器驅(qū)動(dòng)電路 單片機(jī)是一個(gè)弱電器件,一般情況下它們大都工作在5V甚至更低，驅(qū)動(dòng)電流在mA級(jí)以下，而要把它用于一些大功率場合,比如控制電動(dòng)機(jī),顯然是不行的。繼電器驅(qū)動(dòng)就是一個(gè)典型的、簡單的功率驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)。在這里,我們只了解它跟本電路系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)有關(guān)的開關(guān)作用。 [15]，晶閘管的陽接到繼電器線圈的一端，線圈的另一端接到+12V電源上繼電器線圈兩端并接一個(gè)二極管D1，用于吸收釋放繼電器線圈斷電時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢，防止反向電勢擊穿晶閘管SCR及干擾其他電路。 電磁繼電器驅(qū)動(dòng)原理圖，晶閘管SCR飽和導(dǎo)通，+12V電源加到繼電器線圈兩端，繼電器吸合，同時(shí)狀態(tài)指示的發(fā)光二極管也點(diǎn)亮，繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，相當(dāng)于開關(guān)閉合?；冢樱裕脝纹瑱C(jī)的電機(jī)脈沖測速及堵轉(zhuǎn)保護(hù)器注:在晶閘管截止的瞬間，