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收稿日期:2011－03－16作者简介:郭宝生(1973—)，男，河南商丘人，郑州市电子信息工程学校讲师，主要从事单片机设计与开发研究。

文章编号:1671－8127(2011)05－0054－04基于Proteus 的电机温度巡检系统的设计与仿真郭宝生(郑州市电子信息工程学校，河南郑州450007)摘要:针对工矿等高负荷、持续性生产要求，设计出了电机系统温度巡检仪，确保生产的安全性和经济性．该检测仪以单片机作为控制核心，由PT100铂电阻温度传感器对电机的关键部位进行温度采集，通过模拟开关CD4051进行巡回切换后进行A /D 转换，分析实现对电机运行状态实时监控，并根据监控数据来执行相应的动作．巡检仪在Proteus 和Keil 软件联合操作环境中进行了仿真实验，实验结果表明该仪器运行可靠，人机界面良好．关键词:单片机;巡检;PT100;Proteus ;仿真中图分类号:TM341文献标识码:A1电机温度巡检仪系统设计方案电机运转的可靠性要求巡检系统能够根据设置对一个或多个温度进行精确采集、AD 转换、分析比较，对不安全因素发出声光报警，并通过屏幕显示出来，如情况紧急启动备用方案．综合以上考虑，系统方案设计框图如图1．图1电机温度巡检仪系统2测温原理PT100是一种在工业生产中广泛应用的测温元件，其电阻值和温度成一定函数关系，在－200 600ħ范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，具有精度高、稳定性好、抗干扰能力强、测量范围大、复现性和稳定性好等特点．根据IEC 标准751－1983可知铂电阻值与温度的关系为:在0 650ħ范围内:Rt =R0(1+At +Bt 2)(1)在－190 0ħ范围内:Rt =R0(1+At +Bt 2+C (t －100)t 3)(2)式中A 、B 、C 为常数，Rt 为当温度为t 时铂的电阻值;R 0是环境温度为0ħ时Pt100的电阻值取100Ω［1］184．由式(1)、(2)可知，当温度变化时，通过计算可得到相应的温度．但由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，需要进行非线性校正，计算比较复杂．模拟校正虽有很多成熟的电路，但其精度不高且易受温漂等干扰因素影响．若用单片机处理这样的计算过程，将会占用大量的资源，程序的编写上也相当复杂．所以一般采用先查表再插值的方法．事先将Pt100的电阻值和温度值关系表存入FlashROM 中，检测过程中，单片机根据采集电路A /D 转换后的数值先查表然后进行插值运算得到相应的温度值．2011年第5期第10卷(总第56期)商丘职业技术学院学报JOURNAL OF SHANGQIU VOCATIONAL AND TECHNICAL COLLEGE Vol．10，No．5Oct．，2011郭宝生:基于Proteus的电机温度巡检系统的设计与仿真第5期3系统硬件设计3．1温度巡检采样电路设计发电机工作时的各种损耗都会使内部温度升高，定子的温度最为关键，通过对其定子进行温度监控可以预测其工作状态．在电机的定子绕组中的每相线圈中埋设2个Ptl00，三相共埋设6个，近似间隔60度均匀分布在定子中．另外，还需在电动机轴承的两端各埋设1个Ptl00．通过这8个关键部位的温度采样即可准确的反映出电机当前的工作状态．由于电机内部体积有限，对每一路信号都设调理电路体积庞大，成本昂贵，可靠性不高，因此采用模拟开关对8路信号切换采集处理简单可靠．CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流．幅值为4．5 20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号．三位二进制信号选通8通道中的一个通道，可连接该输入端至输出．PT100采用四线制电桥式接法，可以将其两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除，测量比较准确．除地端(E－)外，另外三端都必须同步切换选中一路信号进行采样及后续处理．其中CD4051接入PT100传感器电源的方法如图2所示．图2CD4051对8路PT100电源端的切换3．2信号调理电路设计巡检仪的PT100温度传感器采用电桥式接法，如果其电源端直接使用VCC，电网电压的波动会引起VCC波动，造成调理电路的输出信号波动，最终导致测量的不准确，所以其电源端必须接稳定的基准电压．TL431是一个具有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源，它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref(2．5V)到36V范围内的任何值［2］，由其构成的5V稳压基准电路如图3所示．电机内部各监控点PT100电阻值随着该点温度的变化使电桥产生不平衡的电压差，这个信号通过模拟开关选择后，由调理电路进行放大处理最终送入A/D转换器得到对应的数值．如图4所示，由三个模拟开关同步切入的Pt100的E+、S+、S－3路信号，并接入惠斯通电桥的一臂，在稳定的5V参考电压Vref的作用下，Pt100与100Ω标准精密电阻R3产生微弱的压差信号，经由LM324组成的两级差分比例运放电路处理后进行A/D转换．图3基准电压源图4温度信号调理电路图4中，R3上的电压为uI1，信号经第一级放大后输出电压为u O1，S+电压为u I2，第二级放大后输出电压为u O2，则该调理电路的输入输出关系为:u O1=(1+R 6R 4)u I1(3)u O2=－R 9R 7u O1+(1+R 9R 7)u I2=－R 9R 7(1+R 6R 4)u I1+(1+R 9R 7)u I2(4)若取R 4=R 9，R 6=R 7则u O2=(1+R 9R 7)(u I2－u I1)(5)恰当地选取式(5)中的电阻值可以进行相应倍数的电压放大．这里设放大倍数为52，则分别取R 4=R 9=51k Ω，R 6=R 7=1k Ω，另外让R 5=R 8=1k Ω以匹配放大器正反相端输入阻抗．3．3A /D 转换电路和显示电路A /D 转换电路采用ADC0832．ADC0832为8位分辨率A /D 转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求．其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0 5V 之间．芯片转换时间仅为32μS ，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强．独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便．通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择．系统采用12864液晶显示屏作显示器件，用于显示相应通道的温度、警示信息等．A /D 转换和显示电路与单片机的接口如图5所示．图5A /D 转换和显示电路与单片机的接口4巡检仪软件设计及仿真4．1程序流程巡检仪系统整体工作流程如图6所示．图6巡检仪工作流程程序对系统初始化之后，首先扫描键盘看是否需要对所有通道进行检测，如果需要则发出指令到模拟2011年商丘职业技术学院学报郭宝生:基于Proteus的电机温度巡检系统的设计与仿真第5期开关，切换到对应通道，由调理电路对相应的电压信号进行处理送DS0832进行A/D转换．转换后的数字量由CPU查PT100电阻分度表，并进行插值运算得到对应的温度值，然后与上一次的测量值以及极限值比较分析看电机是否工作正常，如果不正常就要做相应的响应动作，超出额定温度时启用备用电机并声光报警，如果温度上升过快则只进行声光报警提示操作人员及时排除故障．LCD显示屏始终显示相应的提示信息，以方便人机交互．4．2系统仿真Proteus软件是目前流行的单片机及其外围器件的仿真工具，它可以仿真MCS－51系列、PIC、AVR等常用的MCU及其外围电路(如LCD，RAM，ROM，键盘，马达，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件等)［3］．本设计用到的仿真元件如表1所示．表1系统仿真元件列表序号元件仿真元件数量序号元件仿真元件数量1单片机AT89C5117TL431TL43112PT100传感器RTD－PT10088LM324LM32413CD4051模拟开关405139MAX232MAX2321412864显示屏AMPIRE128ˑ64110按键BUTTON95ADC0832ADC0832111电阻RES若干6极性电容CAP－POL若干12电容CAP若干系统仿真主要分为PT100传感器、模拟开关、基准电压源、信号调理电路、AD转换电路、键盘、串口电路、单片机及显示电路、示警电路．在Proteus软件里绘制完仿真电路图后，双击单片机，弹出对话框，点击“Program file”文本框后面的按钮，将编译的“温度巡检．hex”目标文件载入，就可以观察系统运行的结果了．5结论该巡检仪以Proteus为平台，利用其丰富逼真的单片机等仿真元件和仪表设备，绘制并搭建了硬件系统;利用其强大的程序仿真能力开发了软件程序;对硬件和软件进行了联合仿真，实现了对电机温度等状态实时巡检的功能，达到了预期效果．参考文献:［1］杨雷，杨杰．基于PT100的气温精确测量［M］//湖北省科学技术协会．第十九届电工理论学术年会论文集，2007，185－190．［2］潘玉成．可调式精密稳压集成电路TL431及应用［J］．宁德师专学报(自然科学版)，2008，(20):51．［3］彭伟．单片机C语言程序设计实训100例———基于8051+Proteus仿真［M］．北京:电子工业出版社，2009．［责任编辑冯喜忠］The Design and Simulation of Motor Temperature Data Logging Devices Based on ProteusGUO Bao－sheng(Zhengzhou Electric and Information Engineering School，Zhengzhou450007，China)Abstract:For mining high－load，continuous production requirements，the motor system temperature detection apparatus was designed to ensure production safety and economy．Using the microcontroller as the core to process the PT100platinum resistance temperature datum，which was on the key parts of the motor，across CD4051to switch to do the AD conversion and monitor the status of the motor in order to perform the appropriate action．Simula-tion experiment of the device was executed in the Keil and Proteus joint operating environment and the result shows that the reliability and performance of the instrument can be good and has a good man－machine interface．Key words:MCU;inspection;PT100;Proteus;simulation。