电机起动过程动态检测系统

电机起动过程动态检测系统 摘要

电机作为生活生产中的一个重要设备是不可或缺的，电机的起动问题也关系到设备能否正常的工作，如果电机的起动电流过

大则会使电机烧坏，也可能会影响同一变压器供电下的其他设备，所以为了延长电机寿命，保护其他设备安全，我们需要对电 机的起动过程进行检测。本次设计是通过单片机对电机起动过程进行检测，将起动电流转化成数字量送入单片机进行显示，单

片机通过霍尔元件产生的脉冲进行测速。电流采集是通过电流互感器和I/V变换电路进行采集，最后经整流电路送入单片机的

模数转换芯片。上位机的程序和界面通过LabVIEW进行设计，通过串口程序使上位机与单片机的波特率等参数一致，并把起

动电流波形在上位机上显示出来。本次设计中用理论仿真进行试验，并没有通过实物连接。 关键词：电机起动单片机 LabVIEW 波形

Motor starting process dynamic detection system Abstract

Motor as an important equipment in the production of life is indispensable, motor starting problem is related to the equipment can

work normally, if the motor starting current is too large will make the motor burn out, may also affect other devices under the same

power transformer, so in order to prolong the life of the motor, other equipment safety, we need to test the motor starting process.This

design is by single-chip microcomputer to test the motor starting process, the starting current is converted into digital quantity into MCU

for display, measuring speed hall element to generate pulse into single chip microcomputer. Current collection is through the acquisition

of current transformer and the I/V transform circuit, the last of the rectifier circuit into single chip microcomputer modulus conversion

chip.PC applications and interface design through LabVIEW, via a serial port application of PC and single chip microcomputer

parameters such as baud rate is consistent, and the starting current waveform displayed on the upper machine.his design is just the

theoretical simulation, and failed to pass the physical connection. Key words：motor starting MCU LabVIEW waveform 1 概述

1.1 研究背景及意义

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电机是是基于电磁原理并应用于信号传递和能量转换的电气设备，可以实现能量的生产、变换、传输、分配、使用和控制的

电磁机械装置。电机在工业、农业、交通运输、日常生活、文教、医疗以及国防和人造卫星等领域。电机主要包括发电机、变 压器和电动机类型，不同的电机虽然性能不相同，但它们都在经济建设中发挥着重要的作用，广泛应用于各行各业和人们的生

活，随着电机在生活和生产中的广泛应用出现了很多驱动控制电机的技术，不同的伺服系统、调速系统、变频器等在各行各业 飞速发展。 在技术发展中，起动电流和转速的检测是十分重要的环节，准确的对电流和转速采样是电机能够良好运行的前提。电流和转

速检测有两个目的既是为了电机快速起动性能，二是为了保障电机在实际运行中出现的短路、过流故障能够及时的反馈给控制 器。

不同型号和种类的电机往往它们的起动电流也是不同的，比如鼠笼式异步电机的起动是额定的4～7倍，然而并不是不是绝对

的，一般要求异步电机的起动电流不能超过他的额定电流的2～5倍。当电机的功率超过30KW时不能够进行频繁的起动是由于

30KW的电机的起动电流是它的额定电流的6～7倍，起动过于频繁会使电机的内部温度过热，最终导致烧毁电机。 1.2 国内外现状

对电机的电流检测有通过电阻采样，将电阻串接到电机绕组中，当绕组中的电流流过电阻时，在电阻两端产生电压，通过电

阻把电流信号变为电压信号，再通过模/数转换芯片读出数据送入微处理器。虽然这种检测方法简单，但是电阻值是不稳定的

，同阻值的两个电阻它们的实际电阻值有可能就是有差别的，并且没有与电流的隔离，会对人生安全造成威胁。测电机电流也

可以通过霍尔元件，在电流通过霍尔元件瞬间，在霍尔元件中就会产生电压差。还可以通过电流互感器，将电流互感器二次侧

电流通过I/V变换电路变成电压值，将电压值通过模/数转换芯片送入微处理器进行处理，电流互感器可以有效的隔绝大电流 ，保护人生安全和设备安全。

在实验室还可以通过示波器来测电机电流，在起动回路中接入电流互感器，将电流互感器二次侧接入示波器，可以测得电流

波形。可以通过故障录波装置来测电流，将电流互感器二次侧接入故障录波装置。现在对电机电流或者其他交流电还可以通过

钳形电流表来测，将定子端绕线直接通入钳形电流表的电流互感器测。 对电机转速的测量主要有两种，一种是测频法。通过一个周期内测到的脉冲个数来确定转速，由于检测的起止时间不确定

，所以通过测频率来确定转速存在一定的误差，但由于电机的转速较快，误差影响不大。还可以通过测脉冲之间的时间来进行 测量。

美国仙童公司在1974年研发出了首台单片机。这台单片机通过两个集成电路组成，受到电器和仪表领域的关注。在

1974～1976年期间，单片机的生产工艺差，集成度差，只有8位CPU，64字节的存储器和两个I/O口，需要通过一个程序存储器 芯片来进行拓展，通过这两个部分组合才能形成一个完整的单片机。在1977～1978年期间，这个时期的单片机可以集成CPU、

定时器/计数器、RAM和ROM等存储器还有I/O口，但由于性能低，针对不同的行业种类太少，所以没有被广泛应用，这时候

的单片机主要由Intel公司生产。在1979～1982年期间，这时候的单片机已经具有高性能，存储容量和寻址范围被增大， 1983年

至今的单片机巩固发展到16位、32位，90年代由德州仪器、三菱、日立、飞利浦灯公司生产了大批的工艺优良,性能优越的单 片机。

单片机主要向着CPU、高性能、外围电路的内装化、存储大、制造工艺不断提高、接口性能不断提高、低功耗、编程及仿真

技术的简单化和实时操作系统的使用发展，如今单片机的应用也十分广泛，在工业检测和控制、仪器仪表、消费类电子产品、

计算机外围设备、网络与通信的智能接口、军事航空、办公自动化、医疗器械、汽车电子设备发展，并且在分布式多机处理系

统中，单片机在解决工程应用系统的快速性问题，如数据采集系统、数据处理系统和实时图像处理系统中也起着关键作用。

据研究表明，消费者每天接触到的物品中，就包含100个嵌入式单片机，从家电到安全系统到交通设备都包含了单片机。单

片机每年在市场上销售达到50亿台。 1.3 本论文主要工作

使用单片机测出异步电机的起动电流和转速，并把起动电流波形通过上位机显示出来。 第一步：选择合适的电流互感器将异步电机定子侧的交流电变为同频率，幅比较小的电流。第二步：将小电流值经过I/V变换电路变成电压值，以便于单片机对电流值的测量。 第三步：将交流电压使用整流电路进行全波整流。

第四步：用模数转换电路将电压值变成数字量送入单片机测量，并将测到的电流值显示在LCD屏上。 第五步：通过在电机转轴上绑上磁铁经过霍尔元件时产生脉冲，并用单片机对脉冲频率进行处理测到电机的转速。

第六步：改变单片机的串口电平来与RS232电平匹配。 第七布：设计LabVIEW程序将波形通过上位机显示出来。 2 异步电机的起动过程分析 2.1 异步电机的结构

异步电机主要由定子和转子构成，除定子和转子外还有一些如端盖、轴承、机座、风扇等零部件。

定子由定子铁心、定子绕组和机座构成，由于旋转磁场相对于定子旋转，定子铁心中的磁通方向、大小都是变化的，定子铁

心通过硅钢片叠压制成来减少磁滞和涡流损耗，定子铁心内圆分布均匀的齿和槽，如图2-1所示。

图2-1 定子槽结构 绕组安放在定子槽内，以一定规律连接，绕组由漆包铜线和铝线制成对于大容量异步电机绕组由玻璃丝包扁铜线绕成，线圈

放入槽内用绝缘材料与铁心隔开，来避免短路并击穿铁心。电机的定子和转子之间是气隙,而异步电机的气隙要比同容量的直

流电机小，气隙较大会影响到电动机的功率因数，气隙太小了则会使定子与转子发生碰撞，会增加损耗和产生高次谐波。转子 由铁心、绕组和转轴组成。 2.2 异步电机工作原理

异步电机的定子接三相电后，便会在电动机内部产生一个圆形的旋转的磁动势，对于鼠笼式异步电动机，在异步电机刚起动 的时，转子没有旋转，旋转的磁场就会和导条产生相对运动，在导条中就会产生感应电动势，于是就会在导条中产生电流，导

条在磁场中收到力，转子跟随旋转磁场进行转动如图2-2所示。 图2-2 异步电动机的工作原理图

在转子转起来之后，只要导条与旋转磁场仍有相对运动，转子就会跟着旋转磁场继续运动。 异步电机的转子与旋转磁场不能达到同步，如果转子与磁场达到同步，就会使转子导条与定子旋转磁场之间没有相对运动

，转子中就无法感应电动势和电流，电机就没有电磁转矩，异步电机就无法正常工作。 所以相电流通入定子绕组产生旋转磁场，旋转磁场切割转子的导条，在转子中产生感应电流，电流通过与旋转磁场的相互作

用产生力，使转子跟随旋转磁场转动，这就是异步电机的工作原理。 2.3 异步电机的起动性能

在异步电机起动时，转速为0，转差率为1，在异步电机刚起动时电流为： I2S''=U1/(R1+R2')2+(X1+X2')2=U1/ZK （2.1） 式中： I2S''——转子电流； U1——相电压；

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R1——定子每相绕组电阻；

R2'——折合到定子侧的转子每相绕组电阻； X1——定子每相绕组漏感；

X2'——折合到定子侧的转子每相绕组漏感；

如果不去考虑励磁电流，则起动电流接近I2S''，起动电流很大 ，对于普通的异步电机起动电流是额定电流的4～7倍。

起动电流过大会会对供电变压器和其他负载造成影响，异步电机起动的时候，变压器提供较大的起动电流，会使供电变压器 输出电压下降，如果变压器额定容量比电机额定容量大的多时，电机起动电流不会使变压器输出电压下降多少，但是如果没有 大的多时，电机起动电流过大就会使变压器输出电压在短时间内下降很多，就会影响到同一个变压器供电的其他负载，所以要

检测异步电机的起动电流，下表2-1为一些电机起动电流和额定电流值。 表2-1 电机起动电流和额定电流 电压额定功率额定电流起动电流 380V 1.5KW 3.9A 21A 380V 2.2KW 4.8A 38A 380V 3KW 7.16A 43A 380V 4KW 8.2A 50A 380V 5.5KW 14.4A 95A 380V 7.5KW 15.7A 102A 2.4 本章小结

本章主要工作是介绍了电机的工作原理、结构、起动电流，起动电流过大对设备的影响，根据电机起动电流的特性，为本次

设计的硬件设计提供思路。

异步电机的基本工作原理是通过磁场切割转子导体产生感应电动势，转子电流与磁场作用产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场 方向转动。 3 硬件设计

3.1 硬件结构设计方案

如图3-1所示，该系统将单片机作为处理器，通过电流互感器、I/V转换电路和整流电路把电流值变为电压值，又由于转换后 的电压值是模拟量，但是单片机内部全部是通过数字量运算，所以我们无法直接去操作模拟量，因此我们要把模拟量转化成数

字量在单片机中进行操作，可以使用模拟量/数字量转换器，简称模/数转换器（A/D芯片）来将采集的模拟量变为数字量送入

单片机进行处理，转速通过霍尔元件进行转换送入单片机进行处理，在下位机中通过LCD进行显示。

图3-1 硬件设计结构框图 3.2 单片机结构与原理 3.2.1 单片机简介

单片机是集中了I/O接口、微处理器和存储器的芯片，由于芯片性能和计算机相似，所以还被称为微型计算机，这次毕业设 计使用的是STC89C52RC，其中STC代表STC公司的产品，8代表内核芯片，9代表内部有Flash E2PROM存储器，C代表这个产

品为CMOS产品，1为4KB存储空间的大小，RC是单片机内部有512B，C表示单片机使用的温度，其中C代表的温度为

0～+70，图3-2为单片机的外部引脚介绍。 图3-2 单片机的引脚分布图

下表3-1是对单片机引脚的介绍。 表3-1 单片机引脚介绍 引脚名主要内容

Vcc(40脚) GND(20脚) 单片机电源引脚，常压为+5V XTAL1(19脚)XTAL2（18脚） 外接时钟引脚 RST(9脚) 单片机的复位引脚

PSEN（29脚） 程序存储器允许输出控制端 ALE/PROG（30脚） 外部RAM的扩展引脚

EA/Vpp(31脚) EA接高电平时，单片机读取内部存储器 P0(39脚～32脚) 双向8位I/O口

P1(1脚～8脚) 双向8位I/O口，不是真正的双向口 P2(21脚～28脚) 准双向I/O口 P3(10脚～17脚) 准双向I/O口 单片机具有很强的运算功能，在控制器控制下，单片机不仅可以进行算数运算还能进行逻辑运算，单片机的存储器又分为程 序存储器和数据存储器。 3.2.2 单片机的时钟电路

单片机有两种形式的时钟电路分别是内部振荡方式和外部振荡方式，其中内部振荡方式是通过XTAL1和XTAL2引脚作为单

片机内的反向放大器的输入端和输出端，把放大器与晶体振荡器进行连接就构成了内部振荡方式，而外部振荡方式则是把已有

的时钟信号接入单片机下图3-3为单片机时钟电路的两种工作方式。 (a)内部时钟方式 (b)外部时钟方式 图3-3 内外部时钟连接方式 3.2.3 单片机的复位电路

单片机的复位电路由片内和片外两部分组成，外部复位电路是根据给单片机提供个机器周期以上的高电平，单片机就会复位

，单片机通常采用手动复位和自动复位两种方式，如图3-4为单品机的复位电路。 (a)上电复位 (b)手动复位 图3-4 单片机复位电路

3.3 异步电机起动电流检测的硬件设计 3.3.1 电流测量电路设计 在测量大的交流电时，需要通过电流互感器把一次侧的大电流变成可测量的电流信号，同时电流互感器还可以起到保护人生

安全的作用，电流互感器按比例进行电流转换，二次侧接测量仪表和继电保护。

在电流互感器正常工作时，二次侧应处于短路的状态，这样的话二次侧电压很低，如果二次侧开路或者一次测有异常电流流

过，就会在二次侧产生巨大的电压，会危机到设备和人生的安全。 单片机的A/D模块只能采集0～5V的电压，所以要把电流互感器二次侧电流通过I/V变换电路变成电压值如图3-5所示假设电

流互感器二次侧电流最大为20mA,通过反馈电阻R1，得到所需的电压值，电阻R2和电容C1是用来补偿位移的，运算放大器采

用OP07，运算放大器的电源取+6V和-6V。 图3-5 I/V变换电路

反馈电阻由R=V0/I确定，如果需要更精确，可以在反馈线路上串一个电位器，C一般取0.01μF～0.033μF，如果

C=0.01μF，则R11=95×(22R10/ΦC-1)/2，如果C=0.003μF, 则R11=143×(15R10/ΦC-1)/2，ΦC是电流互感器上的标出的相位值。转

换后的是交流电压值，所以需要将电压值进行整流，这次设计通过精密整流如图3-6所示，其中R4=R5,R3=R7=2R6。 图3-6 精密全波整流电路

当输入电压大于0时根据虚短虚断D1导通，R4和R5形成的反向比例运算器，系数为-1，同理R6和R7构成反向比例运算器

，系数为-2，R3和R7形成的反向比例为-1，所以最后放大倍数为1。当输入电压小于0时，D1截止，D2导通，根据虚短虚断

，R4处的电压为0，R6处的电压也为0，所以R3和R7构成反向比例放大器，系数为-1。所以交流信号经过精密整流后的波形就 是全波整流波形。 3.3.2 ADC0804简介

ADC0804是逐次比较型转换器，有20引脚 ，转换时间为100us，输入电压是0～+5V，分辨率是8位，图3-7为ADC0804引脚分 布图。

图3-7 ADC0804引脚分布图

下表3-2为ADC0804的引脚列表和引脚作用。 表3-2 ADC0804引脚列表 引脚名称引脚作用

VIN+,VIN- 两模拟信号输入端 DB0~DB7 数字信号输出口 AGND 模拟信号地 DGND 数字信号地 CLK 时钟信号输入端

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CLKR 内部时钟发生器的外接电阻端 CS 片选信号输入端，低电平有效

WR 写信号输入，低电平启动A/D转换 RD 读信号输入

INTR A/D转换结束信号低电平表示转换完成 VREF/2 参考电平 VCC 电源5V输入

3.3.3 单片机与ADC0804的接线设计 图3-8 ADC0804接法

（1）VIN-接地，VIN+接滑动端，通过输入差分电压，测量VIN+与VIN-之间的电压，即输入的模拟电压,VIN+在接入测量电

路之前串一个10KΩ电阻，避免电流过大烧坏ADC0804(VIN+与VIN-之间的电压从0～5V的电压之间变化，ADC0804的输出数 字量从0x00～0xFF变化)。

（2）CLR,CLKR,GND之间通过电阻和电容组成RC振荡电路，给芯片提供工作所需的脉冲，根据芯片手册R取10K，C取 150pF。

（3）DGND与AGND同时接到GND上，DB0～DB7接到单片机的P1口，CS、RD、WR端接到单片机的P2.6、P2.5、P2.4端。

（4）INTR不连接，因为本次设计没有通过中断来设计。 3.4 异步电机起动转速检测的硬件设计 3.4.1 霍尔元件简介

霍尔元件是依据霍尔效应来工作的，它是磁传感器的一种，霍尔器件具有工作温度范围宽、精度高、寿命长等优点，最重要

的是霍尔器件可以在恶劣的环境下工作，根据功能有线性和开关两类，线性器件输出的是模拟量而开个器件输出的是数字量。 BIV

图3-9 霍尔效应图

如图3-9所示是霍尔效应原理，把一个磁场垂直加在通电的半导体上，如图B和I，载流子在洛伦兹力的作用下向半导体两边

积聚形成一个电场，形成的电场力与洛伦兹力方向相反，大小相等，最后产生一个稳定的电压。

3.4.2 霍尔元件外部接线

图3-10 276：931F霍尔元件引脚图

图3-10所示的霍尔元件型号为276:931F,在本次设计中2脚不接，只通过3脚输出。 霍尔元件的引脚说明如下表3-3所示。 表3-3 引脚列表 引脚标号引脚作用 1 接正电源 2 输出 3 输出 续表3-3

引脚标号引脚作用 4 接地

当有垂直的磁场经过霍尔器件时便会改变输出状态。 图3-11 霍尔元件接线图

如图3-11，当有垂直磁场经过霍尔元件时，3端输出高电平，三极管导通，V0端输出低电平，当磁场离开霍尔元件时，3端输

出低电平，三极管不导通，V0端由上拉电阻拉置高电平，该霍尔元件工作电压为5～12V，考虑到单片机的电压，所以VCC取 5V。

下表3-4为引脚输出电平。 表3-4 引脚输出电平 3端 V0端 1 0 0 1

3.4.3 单片机与霍尔元件接线设计 图3-12 霍尔元件与单片机连线图

如图3-12，霍尔元件产生的脉冲输入到单片机的INTO口，用INT0来控制定时器启停，首先控制GATE位，当GATE=1时由控

制寄存器的定时器运行控制位和INT0上的电平状态来控制定时器的启停，再通过设置定时器运行控制位（TR0），在

GATE=1的情况下并且INT0处于高电平时只要把TR0置为1就可以启动。 3.5 单片机显示电路设计

3.5.1 液晶显示器LM016L简介

液晶是广泛应用在显示器上的一种高分子材料，LCD就是通过电流刺激液晶分子产生画面，本次设计采用1602液晶，1602液

晶只能显示ASCII码字符，液晶操作方便，能耗低，体积小，但只能在很窄的温度范围内使用。

1602液晶简介

1602通过5V电压驱动，可显示两行每行有16个字符，图3-13为引脚分布。 图3-13 1602液晶引脚

1602液晶的接口说明如表3-5所示。 表3-5 1602液晶接口

编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1 VSS 电源地 9 D2 数据口 2 VDD 电源正极 10 D3 数据口

3 VO 液晶显示对比度调节端 11 D4 数据口

4 RS 数据/命令选择端 12 D5 数据口 5 R/W 读写选择端 13 D6 数据口 6 E 使能信号 14 D7 数据口

7 D0 数据口 15 BLA 背光电源正极 8 D1 数据口 16 BLK 背光电源负极 1602液晶的参数为:

(1)显示容量为16×2个字符； (2)工作电压为4.5～5.5V； (3)工作电流为20mA；

当R/W为高电平时，1602液晶处于读状态，此时如果RS为低电平，测输出D0～D7为状态字，RS为高电平时D0～D7没有输

出。当R/W为低电平时，如果RS为低电平时，给D0～D7送入指令码,输出D0～D7为数据否则RS为高电平时，D0～D7不输出数 据。

3.5.2 LM016L与单片机接线设计 图3-14 1602液晶与单片机接线图

在设计中只要使1602液晶一直处于写状态就可以，所以R/W直接接地。 3.6 串口硬件设计

3.6.1 RS-232串口通信原理

串口是用于设备之间通信的非常普遍的协议。绝大部分计算机有一个以上基于RS-232的串口，同时，串口也是仪表仪器设备 的通信协议。串口的通信是串口按位接收和发送字节，串口是使用3根线（1.发送 2.接收 3.地线）完成通信。要完成串口通信

最重要的是参数要匹配，下表3-6为串口参数。 表3-6 串口参数 参数主要内容

波特率衡量通信速度（两个设备之间进行通信波特率必须匹配） 数据位通信数据的位数

停止位传输的结束和计算机校正时钟同步 奇偶校验位检错方式（可以没有校验位）

以前的RS-232-C接口用25芯D型插头座（DB25）,后来简化为9芯D型插座（DB9）,图3-15为DB9:

图3-15 DB9引脚图

DB9的引脚描述如下表3-7。 表3-7 DB9的引脚描述

9芯信号方向来自缩写描述 1 调制解调器 DCD 载波检测 2 调制解调器 RXD 接受数据 3 PC TXD 发送数据

4 PC DTR 数据终端准备好 5 GND GND 信号地

6 调制解调器 DSR 数据设备准备好 7 PC RTS 请求发送

8 调制解调器 CTS 允许发送

9 调制解调器 RI 响铃指示器

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单片机的输入和输出可以认为是TTL电平，+5V为高电平，0V为低电平。 TTL电平临界值：

(1) VOHmin=2.4V,VOLmax=0.4V； (2) VIHmin=2.0V,VILmax=0.8V； 3.6.2 MAX232简介

由于TTL中的电平，高电平是5V，低电平是0V,而RS-232中的电平，高电平是-3V～-15V,低电平是3V～5V,所以我们在单片

机与上位机通讯时要通过一个芯片把TTL电平与RS-232电平进行转换。 图3-16 MAX232引脚图

本次设计通过MAX232来将TTL电平与RS-232电平进行转换.MAX232引脚如图3-16。

在硬件设计中T1in和T2in直接连接单片机的发送端TXD，R1out和R2out直接连接DB9的RXD端（接收端），T1out和T2out直

接连接DB9的RXD端，R1in和R2in直接连接DB9的TXD端。 接线图3-17中C1,C2,C3,C4和V+,V-都是电源变换电路部分，有极性电容通过存储大量电压来将TTL的电平改变，MAX232是

通过5V电来供电的，从5V变为+3V～+15V是很容易实现的，只要通过VCC进行充电，C1+和C1+上的电容电压和C2+和C2-上

的电容电压之和可以使V+变成小于2VCC的电压值，使V-变成大于-2VCC的电压值，这样我们就能实现5V变为+3V～+15V的电

压，而0V变为-3V～-15V的电压我们需要通过内部产生负电压源去实现，这样我们就能实现TTL电平与RS-232电平之间的转换 。

图3-17 MAX232接线

3.6.3 单片机与MAX232接线设计 图3-18 MAX232与DB9的接线图

图3-19 分立元件实现RS-232与TTL电平转换电路

如图3-18，在设计中T1in接单片机的P3.1端，T1out接DB9的2端，因为在设计中没有通过上位机对单片机发送命令，所以其 他几个引脚不接。在此次设计中还可以通过分立元件实现TTL电平与RS232电平之间的转换，当TXD产生高电平信号时，Q3截

止，DB9上的RXD端被二极管和有极性电容拉低至-3V～-15V,当TXD产生低电平时，Q3导通，DB9的RXD端接收高电平，因

为考虑到设计的可靠性，没有通过分立元件实现TTL电平与RS-232电平之间的转换，下图3-19为分立元件实现接线。 3.7 元器件清单 表3-8 元器件清单 元件数量 op07芯片 3 霍尔元件 1 ADC0804芯片 1 LM016L 1

STC89C52 1 MAX232 1 排电阻 1 DB9 1

电流互感器 1 晶振 1

电解电容 6(电容值为104的有4个，10uf的有1个，0.033uF的有一个)

电阻 11（10K的有6个，1K的有2个，5K的1个，100欧姆的有1个，132K的有1个） 可调电阻 1

无极性电容 3（150pF的1个，30pF的两个） 3.8 本章小结

本章主要介绍了电机起动过程中如何对电机的电流和转速进行测量,首先通过 OP07运算组成的I/V变换电路，将电流互感器

二次侧的电流变换成电压，再将电压进行整流，再把整流后的电压值通过A/D转换电路送入单片机进行测量。转速测量通过转

轴上的磁铁经过霍尔元件时产生一个脉冲测得，通过测得脉冲频率来测出转速。单片机通过I/O口与ADCO8O4进行连接，在检

测转速时，将霍尔元件产生的脉冲信号接入单片机的INT0口，通过对INT0中断和计数器/定时器的溢出来计算电机的转速，最

后通过液晶显示屏进行显示。本章中还设计了单片机串口的硬件连线，通过MAX232将TTL电平与RS232电平进行转换。本章

中还简单介绍了单片机的复位电路和时钟电路的连线方法。 4 软件设计

4.1 下位机主程序流程图

这次程序设计通过模块化设计的方法，包括个子程序，分别是ADC0804的子程序，脉冲频率（霍尔元件电路）的子程序

，显示子程序和MAX232的子程序，可以在主程序中调用各个子程序实现总体设计。 图4-1 主程序流程图

4.2 AD转换和数据采集程序设计

WR开始转换 CStw LTw11~8*1/fclkTC1/2/Tclk内部转换状态不忙忙输出有效数据触发中断最终数据被读走最终数据未被读走 图4-2 ADC0804启动转换时序图

由图4-2可知，先把CS端置为低电平，然后将WR端置为低电平，经过一段时间后，WR端被拉高，A/D转换器被启动，经过

1～8个A/D时钟周期和内部TC后，A/D转换完成，INTR自动变为低电平，因为设计中不需要中断，所以A/D转换被启动后直接

读取A/D的数据输出，在读取数据后需要将数据返回给主程序。 INTRINTR复位TR1TACCT1H,T2H数据输入CSRD 图4-3 ADC0804读取数据时序图

由图4-3可知，INTR变成低电平之后，CS端跟着被置低,紧接着置低RD端，经过时间TACC后输出数据到达稳定状态，读取 “中国知网”大学生论文管理系统 - 20 -

的数据就是转换后的数字量，置RD为高电平，再将CS变为高电平，我们不需要编程拉高

INTR，它是自动拉高，在初始化

ADC0804芯片时应把片选信号输入端、写信号输入端和读信号输入端置为高电平避免在ADC0804运行时出现测量错位、测量

值与实际值不对应等情况，为启动ADC0804芯片做准备，在启动ADC0804时，先将P1口全写1来避免读取数据时产生影响，然

后根据时序图把CS先置为低电平，选中ADC0804，然后将WR置为电平来启动ADC0804，在读取数据时，不能选中

ADC0804避免数据再次写入芯片所以要将片选信号置为低电平，并将读信号置为低电平，最后关闭读信号，重新选中

ADC0804为下一次读数据做准备，由于测到的数字量是从0x00～0xFF变化，对应的模拟量是从0～5V变化，所以我们测到的模

拟量数值就是：数字量×5÷255，最后得出的数据再除以电流互感器系数。 下图4-4为ADC0804的子程序流程图。 图4-4 A/D转换子程序流程图 4.3 转速测量程序设计

下表4-1为高四位和低四位分别用来设置定时器1和0。 表4-1 定时器/计数器工作方式寄存器TMOD 位序号 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

位符号 GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0

下表4-2为寄存器TCON的位符号与位序号。 表4-2 定时器/计数器控制寄存器TCON 位序号 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 位符号 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0

位地址 8FH 8EH 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H 将IT0设置为(INT0为跳变沿触发方式）,当采样到INT0从高电平跳变的一瞬间产生外部中断。 下表4-3为定时器/计数器的工作方式。 表4-3 定时器/计数器工作方式 M1 M0 工作方式 0 0 方式0 13位 0 1 方式1 16位

1 0 方式2 8位自动重装 1 1 方式3 仅适用T0

由于考虑到后面对波特率的设置需要把单片机的时钟频率设为11.0592MHZ,因为一个机器周期有12个时钟周期所以一个机器

周期为12×（1÷11059200）≈1.09μs，通过采用方式1，计满T0需要216-1个数产生定时器0中断约为71433μs，通过程序将TH0和

TLO清空，所以一个脉冲的宽度为:t=m×71433+TH0×256+TL0，产生的脉冲频率：1÷2t。 图4-5 测速方法说明图

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如图4-5所示，转过一圈产生一个脉冲，如果一秒产生20个脉冲（20HZ）即为20r/s。 根据测速原理，下图4-6为脉冲测转速的子程序流程图。 图4-6 转速测量子程序流程图

在外部中断触发期间，定时器/计数器会有多次溢出，产生定时器0中断约为71433μs，通

过程序将TH0和TLO清空，所以一个

脉冲的宽度为:t=m×71433+TH0×256+TL0。 4.4 显示子程序设计

下图4-7为1602液晶显示子程序流程。 图4-7 液晶显示子程序流程图 下表4-4为显示模式设置。 表4-4 显示模式设置 指令码功能

0 0 1 1 1 0 0 0 设置16×2显示，5×7点阵，8位数据 下表4-5为开/关及光标设置。 表4-5 开/关及光标设置 指令码功能

0 0 0 0 1 D C B D=1开显示，D=0关显示C=1显示光标，C=0不显示光标B=1光标闪烁，B=0光标不显示

0 0 0 0 0 1 N S N=1指针加1光标加1N=0指针减1光标减1S=1整屏显示移动S=0整屏显示不移动

0 0 0 1 0 0 0 0 光标左移 0 0 0 1 0 1 0 0 光标右移

0 0 0 1 1 0 0 0 整屏左移，光标跟随移动 0 0 0 1 1 1 0 0 整屏右移，光标跟随移动

液晶写操作子程序需要先把要写的命令写到数据总线上，然后给使能端一个高脉冲，在程序中定位第一行的第一个字处就是

write_com(0x80),写第一个字然后通过延时写第二个字，写第二行数据需要定位到0x80+0x48处，每个字间要有延时，否则会影 响1602液晶的显示 。 4.5 单片机串口程序的设计

波特率是表示串口通信时的速率，每秒传送的二进制位数即为波特率，在串行通信中，要求接收方和发送方的波特率设置为

一样的值，单片机有四种工作方式的波特率： 方式0的波特率=fosc/12；

“中国知网”大学生论文管理系统 - 22 -

方式1的波特率=（2SMOD/32)×(T1溢出率）； 方式2的波特率=（2SMOD/64)×fosc；

方式3的波特率=（2SMOD/32)×(T1溢出率)；

四个方式中,其中方式0的波特率是由系统晶振决定的，方式1和方式3的波特率是由系统晶振和电源管理寄存器的第一位决定 的，方式2的波特率由系统晶振和电源管理寄存器第一位决定的，所以方式1和3的波特率是可变的而方式0和2的波特率是固定 的，下表4-6是电源管理寄存器。 表4-6 电源管理寄存器

位序号 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

位符号 SMOD SMOD0 LVDF P0F GF1 GF0 PD IDL 其中SMOD=0时波特率正常，SMOD=1时波特率加倍，所以我们一般采用SMOD=0正常的波

特率，其他的7位都是用来管理 电源的寄存器。

T1溢出频率即为T1的溢出频率，假设T1每20ms溢出一次，那么T1的溢出率就是50HZ，把50代入方式2和方式3的公式中就是

方式2和方式3的波特率，在前面用霍尔元件设计测速的过程中将单片机的晶振设计为11.0592MHZ而不设计为12MHZ的原因是

在12MHZ晶振下工作，T1的计算值会存在误差，最终导致通信的误差。 下图4-8为串口初始化程序流程图。 图4-8 串口初始化程序流程图 串口工作方式也有4种，决定了串口的传输数据位数和通信方式，串口的工作方式由串口控制寄存器的SM0和SM1决定下表

4-7所示为串行口控制寄存器。 表4-7 串行口控制寄存器SCON 位序号 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

位符号 SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 T1 RI

SM0和SM1决定了工作方式如下表4-8所示。 表4-8 串口工作方式 SM0 SM1 方式功能说明

0 0 0 同步移位寄存器方式（通常用于拓展I/O口） 0 1 1 10位异步收发（8位数据），波特率可变 1 0 2 11位异步收发（9位数据），波特率固定 1 1 3 11位异步收发（9位数据），波特率可变 由于这次设计采用方式1，而SM2主要用于方式2和方式3所以不去设置，REN=1时允许串行口接收数据反之，禁止。TB8和

RB8都是用于方式2和方式3，所以不去设置。TI和RI分别是发送和接受中断标志位，本次设计不需要接受所以不设置RI。

在串口初始化程序中，首先应把定时器1设置为工作方式2，因为工作方式2是8位重装，当晶振设为11.0592MHZ时T1定时器

装初值为0xfd,然后需启动定时器1，把REN置为高电平，使串口允许接收高电平，再通过SM0和SM1设定串口工作方式，串口 “中国知网”大学生论文管理系统 - 23 -

以方式1工作，最后需要打开总中断。 4.6 上位机程序设计 4.6.1 LabVIEW的简介

这次设计的上位机通过LabVIEW来设计，它是典型的图形化语言的一种，可以为数据采集、测量分析和数据显示提供开发

工具，LabVIEW是虚拟仪器的简称，是根据用户定义来工作的，与传统的仪器相比有更强的扩展性和灵活性，LabVIEW可以

满足于GPIB、RS-485和RS-232通信的全部功能。LabVIEW是通过数据流驱动的，不受顺序执行的约束，这次设计通过单片机

向上位机发送数据，上位机接受到数据并用波形显示出来，上位机每次接受字符，通过程序对字符串进行转化，将字符串变成

对应的数值并实时在波形图表上显示出来，这次设计波形通过波形图表显示，LabVIEW有庞大的程序库和函数库

，LabVIEW中的波形图表如下图4-9。 图4-9 LabVIEW波形图表

它所对应的程序如下图4-10。 图4-10 波形图表程序 当我在串口发送字符时，在上位机显示相应的波形，但是波形图标只能显示数值所以我们要通过十进制数字符串至数值转换

函数，把串口的字符转为十进制，假设我从单片机发送的是“123”字符那我在波形图上应显示十进制123，所以用到十进制数字 符串至数值转换函数，如图4-11所示。

图4-11 十进制数字符串至数值转换函数程序 模拟字符串发送程序如图4-12。 图4-12 模拟串口发送数据程序 假设发一个字符串“12”，如图4-13、4-14所示。 图4-13 发送字符串程序 图4-14 显示波形

波形上显示的即为数值123。 4.6.2 上位机的设计

上位机数据显示界面如图4-15所示，这个界面不仅可以显示电流的变化曲线，还可以以数组形式保存采集到的数据，如果串

口送入的数据超过波形图的赋值，波形图会根据实际值进行缩放。 图4-15 数据显示界面 4.6.3 上位机程序框图设计 图4-16 上位机主程序图 4.6.4 LabVIEW串口程序设计

在上位机进行串口通讯前需要对波特率，串口号，数据位个数等进行设置，通过对相关参数的配置，初始化串口，这样才能 实现上位机与下位机的通信。 “中国知网”大学生论文管理系统 - 24 -

图4-17 VISA配置串口程序

图4-17所示为VISA配置串口的节点设置，通过对VISA参数(波特率、串口号、数据位和停止位等)配置，对串口进行初始化 ，实现上位机与单片机之间的通信。

对串口初始化后，要将串口数据进行读取，需要用到VISA读取节点，这个节点用来读取串口传上来的数据，下图4-18所示 为读串口程序。 图4-18 读串口程序

当VISA读取完数据后，需要通过VISA关闭节点来关闭串行口。这个节点的功能是用来关闭串口，程序如图4-19所示。 图4-19 串口关闭程序

整个串口的程序如图4-20所示。 图4-20 串行通信程序

在上位机采集完单片机发来的数据后需要将数据写入电子表格，将数据存储起来，通过下图4-21的写入电子表格文件程序。

图4-21 写入电子表格文件程序 图4-22 总体程序框图

上位机的完整程序如图4-22所示。程序由串口接收程序和波形显示两个部分组成，上位机通过串口接收程序从串口读取数据

后，将字符串变化成相应的十进制数，在LabVIEW的前面板上显示出来，单片机发送上来的数据由上位机的串口程序进行处 理。

4.7 本章小结

本章主要介绍了AD转换的子程序、霍尔元件测转速的子程序、显示子程序、LabVIEW的程序设计和单片机通信口的设计

，进行了把单片机电平变成RS232电平的转换电路的设计，通过MAX232转换即可。对LabVIEW上位机程序进行设计，先设计

Labview的串口读取程序，波特率、停止位、校验位等需要与单片机一致，将单片机发送的字符串转化为十进制数，将十进制

数用波形显示出来，最后将数据保存在文本中。 5 调试与仿真

5.1 整流电路的仿真

假设电流互感器二次侧的电流最大值为20mA,则经过I/V变换电路的电压在-5～5V之间变化，在仿真中假设把一个-5～5V之

间变化的正弦信号电压给精密整流电路，精密整流电路图如下图5-1所示。 图5-1 精密整流电路图

当输入电压大于0时根据虚短虚断D16导通，在图中取R1=R2,当输入信号大于0时，D2导通，由R1和R2构成的反向比例放大

器的系数为-1，同理R3和R5构成的反向比例放大器系数为-2，R4和R5构成的比例为-1，所以当输入电压大于0时，最终的放大

倍数为1.而当输入电压小于0时，D1截止，D2导通，根据虚短虚断，R4处的电压为0，R6处的电压也为0，所以R3和R7构成反

向比例放大器，系数为-1。所以交流信号经过精密整流后的波形就是全波整流波形，波形图如下图5-2所示。

图5-2 不放大精密整流仿真波形

当改变R1、R2、R3、R4和R5的值，使R2=2R1，取R1=R3=5K,R2=R4=R5=10。假设输入-3～+3V变化的正弦电压，仿真图如 下图5-3所示。

图5-3 半波被放大的精密整流仿真波形

当输入电压大于0时，R1和R2构成反比例系数为-2，R3和R5构成的反比例系数为-2，R4和R5构成的反比例系数为-1，最终的

放大倍数为3，所以当输入正向电压时，整流后的电压值峰值即为9，当输入电压值小于0时，只构成反比例系数为-1，所以整

流后的电压值峰值即为3。当改变R4的值，输入电压值小于0时，整流后的比例也跟着改变。如图5-4所示。

图5-4 半波整流仿真波形

取R1=10k，R4=5k，则电压大于0时，放大倍数为0，电压小于0时，改变了R4的组值，比例放大系数也跟着改变，被放大了 2倍。

在本次设计中，为了设计要求，最后需要全波整流，而且电流互感器二次侧经过I/V变换电路的输出电压是0～5V，所以经过

精密整流电路整流后的电压值不需要放大，采用图5-1的电路接线方法。 5.2 单片机仿真

假设电流互感器是2500:1的电流互感器，那么ADC0804采样到的电压为4.91V时，电流值应为该电压值除以I/V变换电路的系

数，最后乘上电流互感器的变比，那么电流互感器一次测的电流值应为49.1A。仿真电路图如图5-5所示，用电压表测整流后的

电压，液晶显示屏上显示的是电流互感器一次测的电流值，与计算值差0.1A。 图5-5 电流仿真

针对电流互感器不同的变比，在程序里改变电流互感器的系数值即可。

当电机转轴上的磁铁经过霍尔元件时，霍尔元件产生脉冲，通过中断单片机的T0达到测速的功能，频率设置图如图5-6所示

，仿真图如图5-7所示，在这次仿真中由于无法对霍尔元件进行仿真，所以仿真中送入一个固定的脉冲频率。 图5-6 频率设置 图5-7 转速仿真

如图5-8所示为整个单片机原理图的仿真，输入INTO口的频率是30HZ，即1秒内霍尔元件产生30个脉冲，电机的转轴每转过 一圈，转轴上的磁铁经过霍尔元件时便会产生一个脉冲。整流电路的输出端在接入AD模块，电流值在液晶显示屏上显示出来 。

图5-8 单片机仿真电路图

如图5-9所示为全波整流后的起动电流的波形，从图中可以看出起动电流近近似为额定电流的7倍，到达一定时间后，异步电 机的起动电流趋于稳定。

图5-9 整流后的起动电流波形 5.3 本章小结

本章介绍了单片机和上位机的仿真，展示了总的硬件原理图和LabVIEW上位机界面。 6 电机起动过程动态检测系统设计总结与展望

电机起动过程的动态监测室将LabVIEW作为上位机，将单片机作为下位机用来测量电机的起动电流和转速，将电机起动电

流波形在上位机上显示出来，并将采集到的数据保存起来。

对电机起动电流进行检测时首先要通过电流互感器对电流进行转换，然后通过电流/电压变化电路把电流值变化成电压值

，再用运放组成的精密整流电路进行整流。用ADC0804把整流过后的电压模拟量转化为数字量，再用单片机进行处理。转速

测量则是根据霍尔效应，用单片机对霍尔元件产生的脉冲进行处理，最后通过上位机显示。 在设计中需要对元件进行选择，如运放组成的精密整流电路中由于考虑到ADC0804的输入电压范围，对运放的工作电压选

择只能比ADC0804的输入电压略高一点，所以对运放的工作电压选择-6V～+6V。在设计MAX232电路时需要对电容进行选择

，需要选用极性电容，因为极性电容具有更大的存储能力。 这次设计只进行仿真，如果要通过实物进行实验的话会出现很多问题，上位机接受数据的时

候可能会出现乱码，单片机对电 流的检测不精确，电流过大可能烧坏元器件，磁铁经过霍尔元件时可能会产生不规则的脉冲波形，使实际的转速与测到的转速

产生误差。在设计中没有对干扰进行考虑，如MAX232就会被干扰影响，如果做成实物需要对电源干扰进行处理。 附录 总原理图

-12380021587928

程序

#include #include #include

#define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ulong unsigned long

sbit lcd_rs=P2^2;// LCD数据/命令选择端 sbit lcd_en=P2^0; //LCD使能信号 sbit cs=P2^6; //AD片选 sbit rd=P2^5; //读信号输入 sbit wr=P2^4; //写信号输入 uchar m=0; //中断溢出次数 uchar u; uint i; uint x; uint c; uint k;

float idata t0,f,AD_VO;

uint a[]={78,61,48,48,48,48,48,46,48,48,114,47,83};//频率数据保存 uint temp,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7; ulong shu; uint AD_read(); void init();

void delay(uint s);

void write_com(uchar com); void write_shu(ulong shu); void lcd_init(); void CT_init();

void display2(uchar qw,uchar bw,uchar sw,uchar gw,uchar sfw,uchar bfw); void AD_init(); void AD_start(); void main() { init();

write_com(0x01);

lcd_init(); CT_init(); AD_init (); EA=1; EX0=1; IT0=1; while(1) {

AD_start(); shu=AD_read();

AD_VO=(float)shu*5.0/256.0; TI=1;

printf(\while(!TI); TI=0;

shu=shu*196*4.9; D7=shu/10000000; shu=shu000000; D6=shu/1000000; shu=shu00000; D0=shu/100000; shu=shu0000; D1=shu/10000; shu=shu000; D2=shu/1000; shu=shu00; D3=shu/100;

display2(D7,D6,D0,D1,D2,D3); t0=u*65536+x; f=1000000/(2*t0); c=f*100;

a[9]=c+48; a[8]=(c/10)+48; c=f;

a[6]=c+48; a[5]=(c/10)+48; a[4]=(c/100)+48; a[3]=(c/1000)+48; a[2]=(c/10000)+48; write_com(0x80); for(i=0;i<=12;i++) {

write_shu(a[i]); delay(10);

} } }

void delay(uint s)//延时1MS {

uint r,g;

for(r=s;r>0;r--) for(g=110;g>0;g--); }

void write_com(uchar com) //lcd1602写操作子程序 {

P0=com; lcd_rs=0; lcd_en=1; lcd_en=0; delay(2); }

void write_shu(ulong shu) //lcd1602写数据子程序 P0=shu; lcd_rs=1; lcd_en=1; lcd_en=0; delay(5); }

void init()//MAX232初始化程序 {

TMOD=0x29; TH1=0xfd; TH0=0xfd; TR1=1; SM0=0; SM1=1; REN=1; EA=1; }

void lcd_init()//lcd1602初始化程序 {

lcd_en=0;

write_com(0x01); write_com(0x06); write_com(0x0c); write_com(0x38);

void CT_init() //定时计数器初始化 {

TMOD=0x29; TH0=0; TL0=0; TR0=1; ET0=1; }

void ITC0() interrupt 0 //外部中断0服务程序 { u=m; m=0;

x=TH0*256+TL0; TH0=0; TL0=0; }

void TIME0() interrupt 1 //定时计数器0溢出中断 { m++; }

void display2(uchar qw,uchar bw,uchar sw,uchar gw,uchar sfw,uchar bfw) {

write_com(0x80+0x40); write_shu('D');

write_com(0x80+0x41); write_shu('i');

write_com(0x80+0x42); write_shu('a');

write_com(0x80+0x43); write_shu('n');

write_com(0x80+0x44); write_shu('l');

write_com(0x80+0x45); write_shu('i');

write_com(0x80+0x46); write_shu('u');

write_com(0x80+0x47); write_shu(':');

write_com(0x80+0x48); write_shu(0X30+qw); write_com(0x80+0x49); write_shu(0X30+bw); write_com(0x80+0x4a); write_shu(0x30+sw); write_com(0x80+0x4b); write_shu(0x30+gw);

write_com(0x80+0x4c); write_shu('.');

write_com(0x80+0x4d); write_shu(0x30+sfw); write_com(0x80+0x4e); write_shu(0x30+bfw); write_com(0x80+0x4f);

“中国知网”大学生论文管理系统 - 33 -

write_shu('A'); }

void AD_init()//ADC0804初始化程序 { cs=1; wr=1; rd=1; }

void AD_start()//AD启动程序 {

P1=0xff; cs=0; wr=0; wr=1; cs=1; }

uint AD_read()//读取AD子程序 { cs=0; rd=0;

delay(200); temp=P1; rd=1; cs=1;

return(temp) }

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[20]Brian W.Kernighan The C Programming Language(Second Edition)［M］.北京，机械工业出版社，1993. 致谢

回顾这次毕业设计由于能力和知识的不足，会有许多考虑不正确的地方，在这里我要衷心感谢指导老师的耐心指导，和一起

学习的同学们的帮助，让我按时完成了这次毕业设计。 在毕业论文设计过程中，由于自生没有足够的能力有很多问题无法解决，所以要非常感谢宋老师的耐心的指导，通过这次毕

业设计，让我获得了很多东西。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的

提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步，能够完成这次毕业设计需要 对电气学院的各位老师表示感谢，还要感谢学校给我们提供了优良的学习氛围，让我们四年能够静下心学习。

在这里向学校和老师同学表示由衷的感谢。

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