大型同步发电机电刷状态远程监测与分析系统设计

　摘要

随着水轮发电机励磁电流的增加，电刷上的电流分布会变得越来越不均，这将导致电刷过度升温，甚至可能导致电刷永久损坏，从而使得整个发电系统无法正常运行，甚至可能导致重大的火灾，从而危害到电力的安全和有效的利用。因此，电刷监测显得尤为重要。通过实时监测电刷状态，不但能有效地防止发电机发生重大故障，而且能减少人工监测操作，产生不必要的人力成本。还能够提高生产效率和处理效率。利用智能装置实现远程监控，减少人工干预，提高了工作效率，增加问题处理及时性以及问题发生前的预防能力。

本文所设计的，大型同步发电机电刷在线监测系统，检测对象为电刷，主要以电刷的电流，电刷的压力以及电刷的温度作为参考量。根据实验需求，设计采用DS18B20温度传感器，霍尔电流传感器，接触式压力传感器，对参数量进行测量，经过了理论分析，硬件设计，软件设计，仿真建模调试与实物测试几个流程，各部分配合良好。成功在液晶显示屏上显示实时监测温度，并且通过无线蓝牙端口，将数据实时传入手机终端。初步做到了对电刷状态参数量的在线监测。监测到电刷所处的环境，监测电刷是否损坏，为电刷是否需要更换或者安排定期更换，奠定了数据基础。

　关键词：电刷，远程监测，电流，压力，温度

　1绪论

　　1.1研究背景

随着用电量需求增大，发电设备高负荷工作，国内大多数同步发电机组经常性启停，运行时间长，与普通机组的主要区别为：机组发电水头高，转速大，上下游水位波动幅度较大，机组启停次数偏多，在集电环和电刷的高速接触摩擦运行以及在电磁场作用下造成发电机的电动机电刷产生大量热能，使电刷升温和启动故障。电刷升温后很大可能导致电刷刷身与导线相接部位断裂，单个电刷的导线断裂会造成剩余电刷导电的电流量增大，导电量增大的同时电刷产生的热量也大幅度增加，并且会造成多个电刷刷身和铜导线相接部位发热升温更甚至断裂，结果造成电刷过量损坏，发电机失磁从而跳闸。此外，当电刷温度上升时，与其直接相连的弹簧元件的温度也会随之上升，因为弹簧元件的材质是具有正温度系数的材料，当温度上升时，材料的应力会发生改变，而过高或过低的弹簧压力会导致电刷在高速转动时出现跳跃现象，电刷的磨损量大幅增加，更容易造成弹簧元件的断裂。目前，我国尚无一种统一的在线检测方法来全面监测及评价其运行状况，只有在设备大修时，才能对所有电刷刷身与铜线连接处进行检测。为了保证发电机转子集电环中的刷体能稳定、可靠地工作，必须在其上设置刷体温度、压力、电流在线检测装置。

　　1.2研究意义

近年来，人们发电量，用电量，需求量大，而且科技，水平逐年提高，各行各业，人工智能化程度加大，所以对于一个大型同步发电机电刷远程监测系统的需要是迫在眉睫，电刷远程监测系统可以将电刷的参数量，如:电流，长度，温度进行数据化，将故障发生的位置，地点，以及如何变化，如何应对。处理方式的选择，更充分的，更简洁的展现在人们的面前的减少人力资源的浪费，提高发电生产效率以及发电故障处理效率，更加的提高了发电故障预防率，降低了因为电刷故障所导致的灾害性。

　1.3发展现状

　　1.3.1电刷发展现状

电刷作为发电机组中重要组成部分，是励磁系统中不可或缺的重要部件，国外也有许多对励磁系统，励磁电流设计在线监测以及故障分析的[4]。目前，针对电刷的监控与故障诊断研究已有较多的研究成果[4]。陈涛涛等人不但对碳刷接触电阻进行了仿真和分析，还对集电环中的温度场进行了仿真[4],牛野实现了碳刷电流监测系统[2]但是以上的研究和技术都是基于单一的信息来对碳刷的故障进行分析的，他们都比较单一，没有统筹兼顾的监测系统。

　1.3.2检测系统发展现状

电流检测技术的发展，主要是以检测设备的发展和检测模式的转变为基础的，从一种检测设备只能采集单一的电流信号，到一种检测设备可以实现直流、交流等多种电流信号的检测；从接触式检测向无接触式检测发展；从较窄的频带范围电流信号检测，向宽频带范围电流信号检测发展，最终发展成将多种检测方式结合在一起，具有更好的性能和更高的可靠性的电流检测装置[2]，电流检测装置技术提升对直流和交流信号检测方式改变以及多样化，使原来的接触式检测发展到无接触式检测，提高了检测的安全性也，也使检测的效率提高，从窄频信号发展到宽频信号，过滤了杂频信号，使数据采集更有真实性，更有可靠性[2]。

在数字信号处理的理论、实现以及应用的基础上，提出了一种新的数字信号处理方法[2]。DSP的实现是DSP从理论到实际应用的一座桥梁，是DSP的一个重要组成部分[2]。数字信号处理主要是从现实生活中提取出一系列的模拟信号，在进行数字信号处理前，必须先用模数转换器将信号从模拟域转换为数字域，同时，数字信号处理的输出通常也要经过数模转换器被转换为模拟域[2]。最近几年，模数转换的控制芯片由单片机逐步转变为DSP、嵌入式芯片等更高性能、更快速度的芯片。但是，无论是单片机还是DSP，在用作数据采集系统的CPU时，都存在着一些缺陷；由于单片机的时钟频率较低，因此要完成系统各项功能就必须通过软件来完成，而软件所花费的时间在整个取样过程中所占的比重也很大，而且软件的稳定性还不够好，难以适应某些工作条件较差的现场应用；尽管DSP具有较高的运算速度和较强的乘法和加法处理能力，但FPGA仍有其自身的优点[2]。FPGA具有较高的时钟频率和较小的内部延迟；所有的控制逻辑都是由硬件来完成的，它具有快速的处理速度，较高的完成效率，不需要用软件运行就可以实现所有的功能，它的安全性、稳定性都得到了很大的提高，而且外围电路设计非常灵活，可以集成外围控制、译码和接口电路[2]。数字信号处理技术的发展速度非常快，它可以更好地实现数模转换，将模拟信号转换为数字信号，从而降低了众多干扰量，还可以极大地提高数据的真实性、可靠性，同时还可以大幅度地提高转换效率，将采集的参数量以数字形式进行方便、简洁的展示，从而更好地利用和研究[2]。

　1.4发展趋势

随着科技的进步，电流检测技术，对于电信号拆机检测性能提高，可靠性提高，数模转换，数字信号处理技术也越来越好。在数字信号的处理实现过程中，它构建了数字信号理论与应用的桥梁，将理论与应用相结合，使得其转换安全性，稳定性都有很大的提升，从而大大地提高了人工智能化水平。监测系统也越来越完善，在原有的基础上，可以将监测参数多元化，不仅仅可以对电流进行在线监测，还可以对电刷的温度，长度等等主要参数进行监测，使其更全面，使其条理清晰，对故障处理也更简洁，更方便，更具有针对性，大大的提高了生产技术利用率，减少了人力的使用，也提高了生产效率。

　1.5本课题主要内容

大型同步发电机电刷状态远程监测系统，是发电应用工程所需要的重要部分，目前还没有特别完整和成熟的全面监测系统，还有大量的技术和应用有待攻克，本课题的主要研究内容有:

(1)查询文献，学习掌握大型同步发电机电刷状态远程监测与分析系统的结构、组成和设计方法（通过检测设备将检测量传送到传感器，再将传感器的模拟信号采集再通过AD转换器，将模拟信号转化为数字信号，进行数据处理，数据存储，传送到人机接口，中控显示端）。

(2)梳理、分析主要被测状态量（如电流、温度、压力等）及其检测原理与方法，完成系统方案设计，电流检测技术比如霍尔电流传感器，温度检测技术根据要求应用接触式传感器，压力监测技术，接触式测量，弹性形变，测量压力。

(3)完成主控器的选型设计（主控器选用STC89C51单片机芯片）、硬件电路设计（电流采集模块以及温度采集模块还有压力采集模块，通过AD模块转换为数字信号，传送到主控制器）和电子线路仿真系统设计（根据所需设计）。

(4)设计电刷状态量检测、分析程序，进行系统软硬件仿真验证（仿真实验验证实验可行）。

(5)以无线方式传送数据，完成远程监测系统的结构、选型和部分程序设计。

　2.硬件设计

　　2.1同步发电机电刷状态监测方案设计

　　2.1.1需求分析

本次设计需求，对大型同步发电机电刷状态远程监测与分析的系统设计，目前，只有针对单一参数的监测，问题反映不够全面。需要对发电机电刷状态进行全面系统的监测，所以监测参数量，监测方法，需要扩展，根据工程应用实际分析：

在参数量方面，需对电刷的电流，压力以及温度等进行监测。

通过这三个物理量分析大型同步发电机电刷的状态以及电刷的磨损程度，故障原因，是否需要更换等。

在传感器的选择方面，我们需要选择，精度高，效率高，成本低，操作简便，而符合设计要求的传感器。

因为本次设计是模拟设计无法与大型同步发电机实地监测，将电流以及电刷压力等两个状态量采用模拟参数做实时数据监测，而温度进行实际监测。

在测试与调试时，尽量做到单一变量原则，防止其他参数量改变对测试的影响。

对参数量实施远程监控。并且在无线调试时，需要要优化实时更新，保证参数量变化时，手机终端显示能够同时改变更新。

(1)针对目前，用电量需求增大，国内大型同步发电机启停频繁，然后促进了机电环和电刷的摩擦，并产生大量热能，导致电刷温度升高造成启动故障的问题，所以，电刷状态监测系统必须设立温度参数监测，并且设立温度上限。

(2)因为发电机的励磁电流是通过电刷传输给转子的，又因为励磁系统包含了电刷，刷握，集电环等重要组成部分。并且当电刷升温时，可能会影响电刷刷体与导线相接部位断裂，会使其余电刷的导电电流量增大，从而使电刷的温度进一步上升，造成大量电刷损坏，引起发电机失磁跳闸，所以，针对电刷励磁电流监测必不可少。

(3)此外，当电刷温度上升时，与电刷相连的弹簧元件温度也会上升，因为，弹簧元件是正温度系数，材料温度上升，材料的应力也会跟随发生改变，当材料应力突变过高或过低时，会导致电刷在运转时出现跳动现象，使电刷与集电环之间的摩擦增大，损耗增加，容易造成弹簧元件断裂，使发电机停止工作或出现故障，针对这个问题，所以对电刷压力监测势在必行。

(4)针对发电机所处环境非常嘈杂以及电刷内部环境非常复杂，需要对监测系统进行优化，做到无线监测，通过蓝牙模块对参数监测并且实时更新，蓝牙模块与蓝牙调试器APP，相互配合使用。做到在线监测的同时，能有一个良好的监测环境，无嘈杂影响。

　2.1.2方案设计

1.电刷状态的在线监测系统，具体包括了以下几个基本单元：检测设备，传感器，信号采集与转换，数据的传输、处理、储存等。可以根据监测所用基本单元，构建系统基本流程图，如图2.1所示。

图2.1系统流程图

　　因为监测量不止一个，过程复杂，我们可以，系统流程细分为三个部分，再将系统进行综合得到一个完整的系统。针对，电刷的被检测量，以及检测装置还有传感器可以当作第一个大部分，为检测部分。用传感器监测和信息传输给信号转换器，信号转换器再将数据进行传输到，控制中心，可以当做第二个大部分，为数据采集传输。当数据传输到控制中心进行数据处理和储存，可以当做第三个大部分，为数据处理与分析。

2.根据系统分析所需要求以及系统流程可以设计系统框图，系统框图重要组成部分，电流检测模块，温度检测模块，压力检测模块，单片机主机模块，电源模块，无线蓝牙模块如图2.2所示。

图2.2系统框图

　　信号采集的主要大板块包含了电流检测采集，温度检测采集和压力检测采集，主要是通过传感器去采集电刷的三大参数量，温度，电流，压力。采集他们的实时参数大小，向信号转换模块传输信息。信号采集模块，采用5V外接电源供电，具有操作方便，供电电压稳定的优点。

信号转换，是通过AD芯片将信号采集模块采集到的模拟信息转化为数字信息，并做简单分类编号，传送给单片机芯片进行数据处理。

系统主机部分，单片机芯片作为系统主机，需要对，信号转换器所传输的数据进行分类编号处理并分析，分析电刷状态是否处于正常状态，是否有异常，是否故障，是否需要更换。

液晶显示部分，当系统主机将信息处理好之后，通过液晶显示模块将实时数据显示出来

无线监测部分，当系统主机，将数据分析处理过，通过蓝牙无线端将数据实时传输到手机终端显示更新。

　2.2硬件选型

　　2.2.1温度检测DS18B20温度传感器

由于电力设备本身的结构以及工作环境都比较复杂，导致其温度检测较困难。按照温度传感器的不同类型，温度检测技术可以分为接触式与无接触式[14]。无接触温度检测是指使用的温度传感器为无接触式的。比如采用热辐射法，该方法可以对移动的或对传感器不利的装置进行探测，但其测量结果存在一定的误差[14]。而接触式检测技术则采用了接触式传感器，它具有测量精度高，可安装在仪器内等优点[14]。发电机碳刷在工作时，以刷架为参照物，它是相对静止的，而且要想对它的故障进行诊断，要求有很高的精度，所以通常采用的是接触式检测法[14]。

图2.3温度检测芯片

　　DS18B20特点：

警报的指令，可以识别和标记超出量程的设备

唯一的单线路界面只需要一个接口就可以通信

应用与任何热感测系统

简单的多点分布

无外部器件

温度数字量转换时间短

可通过数据线供电

无待机功耗

温度最低-55℃，温度最高+125℃，变化幅度在0.5℃左右

温度以9位数字量读出

自定义温度报警装置

电压为（3~5）V

9~12位分辨率可调

有多种封装可选（TO-92、SOIC、CSP）

DS18B20是一种9位数字量的温度计，以此反映器件的温度。DS18B20的收发是通过一条单线接口进行的，所以只需要一条线路（加上地线）就可以在中央微处理器与DS18B20之间进行连接。在不使用外接电源的情况下，读取、写入及温度变换所需的能量，可直接从数据线路中获取。

由于每个DS18B20均具有唯一的芯片编号，因此可将多台DS18B20连接在一条单一的总线上，从而实现了多台DS18B20的应用与布局。这种性能可用于暖通空调环境控制，对建筑物、仪器或机器进行温度检测，也可用于过程监控与控制。DS18B20引脚图如图2.4所示。

图2.4传感器DS18B20引脚排列图

　　表1温度传感器DS18B20引脚说明

　2.2.2液晶显示1602

1602LCD又称1602字符型LCD，是一种点阵型LCD组件，有显示字母，数字，符号等形式的专属用途。所谓1602LCD，就是16×2，也就是最大32个字节。它是由多个8×5的字节位等点阵构成，每一个点阵字节位可显示一种文字，每一种字节与每一行字节间都有一段间距，既有字节间的间距，又有行间的间距。8×5点阵可以看成是8排5列，每个位置对应着一个led灯，并且等间分布，一个灯代表一个像素点，灯的亮灭用来表示字。1602引脚排列及外形尺寸图如图2.5所示。

图2.5液晶显示1602引脚排列及尺寸

　　表2液晶显示1602引脚说明

表3主要技术参数

液晶显示1602控制方式：

1.直接控制方式，LCD 1602中有8条数据线、3条控制线E、RS、R/W连接到单片机上，均能正常工作。通常情况下，只要把指令或数据写到LCD1602上就可以了，所以可以把LCD1602的读/写选控端口直接连到地，可以省下一条数据线。其中，VO端口为液晶对比度调节端口，一般只需接10千欧姆的电平器就可以进行对比度调节；还可以通过将一个合适大小的电阻器从该端口接地来进行调节，但是电阻的大小要通过调试来确定。

2.间接控制方式，间接控制方式又称四线制工作方式，因为HD44780具有的4位数据总线的功能，是一种电路接口的简化方式。为减少线路数目，与单片机通讯仅用DB4~DB7引脚，首先传送4位高位的数据或指令，然后传送4位地位的数据或指令。为了能够降低对微控制器数据输入与输出的需求，可以充分利用四线并口通信的优势，在设计产品的过程中，如果单片机的输入与输出端口比较紧张，就可以考虑采用这种方法。

　2.2.3单片机芯片STC89C52

宏晶科技公司正在大力推广STC89C52RC/RD+系列的单片机是新一代抗干扰能力极强，速度极快，功耗极低的系列单片机，它的指令程序与传统的8051单片机完全一致，可以随意选择12个时钟/机器周期或者选择6个时钟/机器周期，而在最新版的D版中，还集成了MAX810的特殊复位电路。

特点：

工作的电压：3.4V到5.5V（5V版），2.0V到3.8V（3V版)。

工作频率限制：（0-40）MHz，相当于基础版8051的（0～80）MHz.实际工作的频率能达到48MHz.

用户有（4-64）K应用程序空间。

芯片上集成了1280个字节或512个字节的RAM。

通用的输入/输出端口（32/36个），重置之后的结果是：P1/P2/P3/P4为准双向口/弱上拉（常规8051的输入/输出端口），PO端口作为开漏输出，应用于总线扩展的时候，它不需要添加上拉电阻，应用作输出端口的时候，它需要添加一个上拉电阻。

系统中可编程/应用中可编程（ISP/IAP）

EEPROM功能。

看门狗。

内置MAX810特殊的重置电路（仅适用于D型），当外接的晶体小于20 M，可省掉外接的重置电路

16位定时器/计数器有3个

工作温度的限制：（0-75）℃/（-40-+85）℃。

封装：封装有4种类型可选（LQFP-44/PDIP-40/PLCC-44/PQFP-44）

选择STC89C51单片机的原因：它可以降低制作成本，提升性能，可以直接调用原来的程序，不需要对硬件进行任何修改，从而使产品体积更小、重量更轻、功耗更低。STC89C51单片机引脚排列图如图2.6所示。

图2.6单片机STC89C51引脚排列

　　引脚排列说明：

其中，P1口为8位I/O口，P3口为外设口，包括UART、定时器/计数器等外设。EA/VPP为外部程序存储器使能/编程电压，PSEN为程序存储器地址锁存器片选输入，ALE/PROG为地址锁存器使能/编程输入，M0-M3为存储器类型选择输入，RD为读控制输入，WR为写控制输入，XTAL1和XTAL2为晶体振荡器的输入和输出。

2.2.4远程监测蓝牙HC-05

性能简述

蓝牙2.0带EDR，2Mbps-3Mbps调制度

外置8Mbit FLASH

低电压3.3V工作

可选PIO控制

标准HCI端口(UART or USB)

USB协议:Full Speed USB1.1,Compliant With 2.0

RoHS制程

引脚半孔

　2.4GHz无线收发射

自适应跳频技术

芯片体积很小

简单设计电路

有内置天线,

蓝牙功率高

存储温度：-40到+85℃

工作温度：-25到+75℃

协波干扰：2.4MHz

发射功率3dBm

CSR BC04

基本没有误码率（传输链路产生信号衰变例外）

线路处理线路中

模块可以作为SMD贴片工艺

无线收发

灵敏度有80dBm

功率可调输出

特征

低功耗

高性能无线收发系统

低成本

图2.7蓝牙模块引脚图

　　表4蓝牙HC-05引脚说明

2.2.5电流与电压信号的数模转换PCF8591

目前，电流检测方法有很多种，比如按照检测方式不同可分为接触检测和非接触检测；根据被测对象的区别，可将其划分为直流型和交流型两种；根据其频率范围大小，可将其划分为窄带型和宽带型。就目前而言电流检测技术通常是多路检测，能同时检测到多个装置。霍尔电流传感器，是一种常见的电流传感器，这种传感器是一种无接触的，能够探测到各种各样不同的电流。它的工作原理是利用安培定律，通过测量导线的磁场所引起的霍尔电势，进而求出导线的电流。霍尔电流传感器的工作机理，使其具有无接触和电磁隔离的特性。另外，霍尔电流传感器还拥有很好的性能，它的测量速度快，工作带宽广，检测范围广，特别适用于对发电机电刷的电流进行检测[14]。

测压技术在导电滑环中，电刷丝与导电滑环接触时，其接触压力过大对导电性、磨损率和使用寿命有较大的影响。接触压力的选取是根据导电滑环所传导的电流和压力来决定的。因为电流和电压越大，所需的接触压力就越大。又因为接触压力越大时，接触电阻就会越小，所以不会产生电火花和电蚀现象。根据弹性元件的弹性变形特性来进行测量。当被测量的应力作用于弹性元件时，它就会发生形变，而由其所产生的弹力将被测量的应力相抵消。因此可以通过测量弹性单元的变形量来测量弹性力。

因为本次设计是模拟设计无法与大型同步发电机实地监测，将电流以及电刷压力等两个状态量采用电平模拟！模拟参数量的实时数据。温度进行实际监测，所以设计采用电平，通过PFC8591进行数模转换来模拟电流和压力参数量。

PCF8591是一个8位低功耗，单芯片，单电源的COMS数据采集装置。该芯片的规格有4个模拟输入，1个模拟输出，以及12 C串行总线接口。

设置编程硬件地址的有三个地址引脚，分别是AO,A1和A2。允可同时让八个装置与12 C总线相连，且无需附加硬件。采用两路双向12c总线串行将地址和控制数据传送到设备。其主要功能有：有可多次使用的模拟输入、高效率的跟踪和保持功能、8位制的数模相互转换。转换速率高。

特性

单电源

工作电压（2-6）V

低待机电流

通过12c总线串行输入/输出

地址由3个硬件地址引脚决定

采样率由12c总线速度决定

有4个模拟输入通过编程当作差分输入口或者单端口

可选择自动递增通道

模拟电压范围从Vss到Vdd

片上跟踪和保持电路

8位逐次逼近A/D转换

一个DAC模拟输出

所以本设计优选PCF8591，其功能引脚图如图2.8所示

芯片PCF8591引脚说明

AINO-AIN3：模拟输入，

AOUT：模拟输出

A0-A1：硬件设备地址。

GND：负极地

VREF：参考电压的输入。

EXT：振荡输入，内部/外部的切换。

OSC：振荡器的输入/输出。

SCL：时钟的输入。

SDA：数据的输入/输出。

AGND：模拟地，参考地。

　2.3硬件电路设计

原理图整体视图，包含单片机部分、电平转换部分、供电电路部分、18B20温度传感器部分、1602液晶显示部分、HC-05蓝牙部分如图2.9所示。

图2.9整体原理图

　　2.3.1单片机部分

单片机芯片，用5V电源提供电压。VCC引脚接入电源的正5V电压，GND引脚接入电源的负5V电压，他通过XTAL1和XTAL2晶振信号输入端，与晶振电路部分共同作用下，产生振荡，使电路工作在稳定的频率范围内，为系统提供基本的时钟脉冲信号，晶振电路中电容，作为负载电容，实现了调频滤波的作用，提高了整个电路，稳定性！

RST/VPD是复位端口，输入高电平有效，与复位电路连接，控制单片机芯片的复位功能。

P1口，作为输入口，P1.0口和P1.1口，作为电流，压力信号的模拟信号，输入口，P1.7口，作为温度信号的输入口。

P0口，与液晶显示部分相连，作为液晶显示输出口。P3口中P3.1和P3.2，与蓝牙模块相连，做无线数据传输的输出端.单片机部分原理图如图2.10所示。

图2.10单片机STC89C52

　　2.3.2电平转换部分

电平转换部分采用芯片式PCF8591，他的检测输入通道有四个AIN0到AIN3，本次设计使用到两个AIN0和AIN1，通过两个电位器模拟压力，电流输出量，AIN0模拟压力，AIN1模拟电流，通过两个电位器，输出一个0到5伏的模拟信号，信号经过AD芯片，把模拟信号转换为数据，并做简单的数据处理，再将数据通过SCL以及SDA两个通讯接口，这两个输出端口将数据传送给单片机芯片，并进行输出控制。电平转换部分原理图如图2.11所示。

图2.11电位器信号转换部分

　　2.3.3供电电路部分

供电部分采用USB来提供5V电压，采用USB供电电源电路的优点有，输出电压稳定不易产生波动，取材方便，可以采用可移动电源，提供电压。

供电部分采用单刀双置开关，作为总电源开关，并且采用两个电容，一个0.1uF瓷片电容，一个220uF电解电容，做滤波电容，通过0.1uF瓷片电容过滤高频杂波，220uF电解电容过滤低频杂波。P1是接USB的圆孔插口。供电路部分原理图如图2.12所示。

图2.12供电电路部分

　　2.3.4温度传感器部分

温度传感器18B20与单片机芯片相连的串口是唯一的I/O数据输入输出接口，采用单总线的方式连接。温度检测如图2.13所示。

图2.13温度检测部分

　　2.3.5液晶显示部分

液晶显示部分是通过1602液晶显示器来完成的。它是由多个液晶块组成的，是一种针对数字和符号显示的液晶屏。运用起来简单方便，且符合设计要求。给液晶显示屏提供5V电压，通过输入输出端口与单片机芯片，通信接口连接。数据经过单片机处理，将数据传输到液晶显示器显示。液晶显示部分原理图如图2.14所示。

图2.14液晶显示部分

　　2.3.6蓝牙部分

蓝牙模块HC-05，优点，功耗低，又有内置天线，不需要天线调试，工作电压低，能做到高性能无限收发系统，成本低，操作简单，且符合本设计要求。他通过RXD，TXD两个串口与，单片机芯片连接，单片机发送什么他就发送什么，操作简便。蓝牙模块原理图如图2.15所示。

图2.15蓝牙无线部分

　　2.4电路板PCB

通过原理图的设计，对PCB板进行，排版，布线，覆铜，封装。根据设计需求，以最简单，最可靠的方式排版，最终得出，封装电路板，如图2.16所示。

图2.16电路板PCB

　　2.5本章小结

第二章硬件设计，我们根据设计的需求对发电机的电刷电流，压力，温度三个参数量进行监测并实施远程监控，分析与设计，系统方案。构造出整体框架和系统流程，筛选出所需要的温度检测元件18B20，显示设备1602，系统主要芯片STC89C51，对电流压力参数量进行模拟的电平转换芯片PCF8591以及够做到远程监控的蓝牙芯片HC-05。以上材料都具有操作简单，成本低，性能好，供电电压低，功耗低，且符合本设计要求等优点。根据所选硬件材料，区分六大板块设计原理图，最主要的是，系统核心单片机部分，作为系统的核心枢纽，需要连接其他各个部分！电平转换部分以及温度传感器为单片机提供参数信号，单片机进行数据处理，将信号输出传给液晶显示部分以及远程蓝牙监测部分。液晶显示部分进行数据显示，蓝牙部分进行无线传输。供电部分给其他所有部分提供5V低电压。六大部分综合完成，本次原理图设计。通过需求分析，方案设计，硬件选型以及原理图设计最终完成硬件设计。

　3.软件设计

　　3.1单片机主程序

程序设计，我们需要做到设计需求，首先，主程序里面设置头文件，其中包括几个库函数，一个蓝牙传输库函数，AD转换库函数，温度检测库函数，以及液晶显示库函数。采集并接收，AD转换的电流，压力模拟信号。将采集的数据修改为显示数组。因为需要空耗，单片机的机械周期，需要设置一个一秒的延迟函数，做一个循环的加减程序，空耗它的循环周期。做好准备辅助程序部分，进入主程序，首先，对器件等进行初始化，初始化液晶，初始化串口，初始化温度等。初始化过后会进入主循环，主循环开始，先一秒延迟，然后同步检测温度，检测压力，检测电流，然后把压力和电流的整数数值，转化成字符组字符串。然后在液晶显示屏上显示出来显示之后，然后通过串口向蓝牙传输数据所有过程完成之后，再次进入主循环，循环往复。程序流程图，如图3.1所示。

图3.1主程序流程图

　　3.2温度子程序

设置抬头温度传感器18b20程序，做准备程序，记录采集温度的温度信息单位为0.1度。将记录到的信息转化为显示数组，可以用来直接显示，采集和计算温度的变量，在18B20自带的eeprom中，报警的低温度值与高温度值。准备程序完成后进行温度采集主程序。采集温度和储存中的温度值，开启温度转换，取整数读数，对温度进行判断是否为负，得到温度具体数值。温度子程序流程，如图3.2所示。

图3.2温度程序流程

　　3.3本章小结

第三章程序设计，为了满足设计要求，需要调用，库函数，其中包括温度检测库函数，AD转换库函数，蓝牙传输库函数以及液晶显示库函数等。根据设计需求，单片机主要程序，需满足，初始化器件，然后延迟一秒，同步对温度，压力以及电流参数量进行检测，并将模拟量的整数数值转换成字符组合，字符串并将数据传输给液晶屏，在液晶屏上显示出来。最后，通过串口向蓝牙传输数据。通过对主程序不停循环，达到对参数量的监测变化。

　4.仿真建模及调试

　　4.1仿真软件介绍

本次设计仿真软件运用到Proteus，本次设计仿真软件运用到Proteus，这款软件由英国一家知名的实验室中心电子公司发布，是一款EDA工具软件。该系统不但具备其他EDA软件所没有的模拟功能，而且还可以对MCU及其周边设备进行模拟。是一种较好的模拟MCU及其周边设备的工具。尽管在我国的普及才刚刚开始，但是它已经得到了大批单片机爱好者欢迎，从事单片机教学的老师的青睐，以及部分科研人员将其致力于单片机的开发与应用。

在国内外Proteus都应用广泛，从原理布图到代码调试，再到MCU和外部电路的协作模拟，再到一键转换到PCB的设计，真正地完成了从概念到产品的整体设计。在全球范围内，它是唯一一个将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三位一体的设计平台。它的处理器模型支持很多芯片进行模拟，比如8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。在2010年，又增加了Cortex和DSP系列处理器，并不断地增加其他系列处理器模型。在编译上，还支持各种类型的编译器，如IAR,Keil,Matlab等。

功能特点

原理布图

互动的电路仿真

PCB自动或人工布线

SPICE电路仿真

仿真处理器及其外围电路

功能模块

智能原理图设计

完善的电路仿真功能

实用的PCB设计平台

可以进行软件调试，并且具有高效率，功能强大，兼容性强，易使用，仿真精度高，有自带的元器件等优点。

4.2仿真模型搭建

使用Proteus从元件库，中找到设计所需元件。找到，找到单片机芯片，DS 18b20温度检测器，LCD液晶显示屏，AD转换芯片PCF8591，瓷片电容，电解电容，晶振，按动开关以及电阻等，元器件。并按照原理图设计进行连线。仿真模型如图4.1所示。

图4.1仿真模型图

　　4.3仿真运行测试

仿真软件搭建完成过后，试运行没有异常情况，初始运行参数，初始温度为28.2℃，初始压力74N，初始电流为63A，如图4.2所示。

　4.3.1温度调节测试

仿真初始运行过后，进行温度调节测试，改变温度，看是显示是否有变化。改变温度过后，温度由28.2℃降到了20.2℃，运行参数显示如图4.3所示。

通过测试，仿真能够完成温度调节，实现温度监测。

　4.3.2电流调节测试

仿真初始运行过后，进行电流调节测试，改变电流，看是显示是否有变化。改变电流过后，电流由67A升到了76A，运行参数显示如图4.4所示。

通过测试，仿真能够完成电流调节，实现电流监测。

　4.3.3压力调节测试

仿真初始运行过后，进行压力调节测试，改变压力，看是显示是否有变化。改变压力过后，压力由76N降到56N，运行后的参数如图4.5所示。

通过测试，仿真能够完成压力调节，实现压力监测。

　4.4本章小结

根据实验要求，选择具有高效率，功能强大，兼容性强，易使用仿真精度高，有自带元器件的仿真软件Proteus，进行仿真模型的搭建以及运行测试，根据原理图设计，搭建满足所需的仿真模型，并完成调试，成功的实现了温度调节，电流调节以及压力调节，能够使整个仿真模型，实现对温度，电流压力的监测。

　5.实物测试

　　5.1实物运行调节

实物主要分为三大板块，单片机板块，显示板块以及蓝牙模块。如图5.1所示。

实物组装后，上电展示，初始运行参数为，初始温度29.3℃，初始电流33A，初始压力37N.如图5.2所示。

　5.1.1温度调节

上电初始运行后，进行温度调节测试，通过温度传感器U3，改变周围温度环境调节温度，看显示屏是否有变化，改变温度过后，温度由29.3℃升高到了30.9℃，运行参数显示，如图5.3所示。

通过测试，能够完成温度调节，实现温度监测。

5.1.2电流调节

上电初始运行后，进行电流调节测试，通过电平器R2，改变模拟电流大小，显示屏是否变化，改变电流过后，电流由33A下降到了15A，运行参数显示，如图5.4所示。

通过测试，能够完成电流调节，实现电流监测。

　5.1.3压力调节

上电初始运行后，进行压力调节测试，通过电平器R1，改变模拟压力大小，看显示屏是否有变化，改变压力过后，压力由37N升高到了50N，运行参数显示，如图5.5所示。

通过测试，能够完成压力调节，实现压力监测。

　　5.2蓝牙无限远程测试

测试的数据由蓝牙HC-05传输到手机上，对温度，电流压力三个参数量进行监测且实时更新。手机端蓝牙监测数据显示如图5.6所示。

通过调试，采用单一变量法，看是否满足设计要求对三个参数量分别监控，然后做一个整体控制，调试结果显示，可以做到设计要求。以上调试的参数量可以应用到电刷监测中，只需要将各类传感器，放置于电沙需要监测部位，便能够做到，分别对电刷的，电流，压力以及温度进行监测。并，通过无线蓝牙与手机终端蓝牙调试器APP，相配合可以做到远程监控。

　5.3本章小结

第五章是实物测试，根据设计需求，测试实物是否满足实际需要，分别对其进行了上电测试，温度调节，电流调节以及压力调节，等四个部分测试。并且能够圆满完成测试，实现对温度，电流，压力等三个参数量的监测。实物检测完毕，对无线传输进行检测，根据测试结果显示，手机终端能够实时更新实物所检测的温度，电流，压力等参数量，满足设计要求。

6.总结

本次设计研究，通过查找学习大量文献，以设计和分析大型同步发电机电刷状态远程监测系统主旨，以提高发电机的可靠性和运行效率为目的。在本研究中，我们深入研究了同步发电机的工作原理、结构和电刷系统的重要性。根据研究的主要内容，取得以下结论：

(1)通过详细分析电刷与发电机性能之间的关系，确定了需要监测的关键参数，如电刷电流，压力和温度等。

(2)基于这些分析结果，我们设计并实现了一个远程监测系统，该系统能够实时采集、传输和存储电刷系统的数据。通过使用合适的传感器和数据采集装置，我们能够实时监测关键参数的变化，并将数据传输到远程服务器进行存储和分析。

(3)通过实际测试和数据分析，我们验证了该远程监测系统的有效性和实用性。系统能够及时监测到点刷系统的异常情况.这有助于提高发电机的可靠性，降低维护成本，并提高发电厂的运行效率。

(4)然而，我们也发现了一些改进的空间。未来的研究可以考虑引入机器学习和人工智能技术，以实现更准确和智能的故障诊断和预测。

(5)此外，可以为系统增加报警系统和警示功能。融合多种监测手段、优化数据处理和故障预测模型，以及实施实时监测和远程报警等方面也是可以进一步改进和拓展的方向。

(6)未来可以考虑开发一个综合的管理平台，用于集成和管理多个发电机的电刷系统远程监测。这样可以实现对整个发电厂的电刷系统进行集中监控和管理，提高运维效率。

(7)在远程监测系统的设计中，必须确保系统的安全性，防止系统被攻击和破坏。因此，未来可以加强系统的安全性设计和加密技术。

　致谢

时光荏苒，我的心情难以平静，欢快而又充实的大学生活就即将结束，过去的四年里，如果没有那么多的人给予我的帮助与支持，定然无法完成，有这么多的信任和支持再加上自己4年的努力付出，随着论文的完成，我的大学生活也即将结束。

论文最终定笔，要感谢的人很多，首先要感谢我的论文导师，我的论文可以完成，归功于老师的指导，老师功不可没。老师知识渊博，严谨治学，工作做风高尚，老师对自己严厉苛刻，却平易近人。具有强大且独特的人格魅力对我们造成深远影响。论文的整个进程，老师贯穿始终，花费了大量的心血。指导我论文的写作方向和框架，对论文监督查阅，指正其中的错误，让我有了修改的目标，在他的教导下，别具一格的思路让我受到了启发。老师任务艰巨，要指导很多同学的论文，但他依旧一对一指导。让我们克服了写论文过程中的困难，在这里，向老师表示由衷的感谢，感谢老师对我们无私的奉献。

同时论文的顺利完成，也离不开学校，是学校给予了我一个学习与求知平台。让我有了提升自己的机会，给予了我人生的转变，使我能力提高！所以在此由衷的感谢重庆理工大学对学子的培养与帮助！

论文的完成还应该要感谢，我的父母，父母生育养育了我。在他们的培养下，我成功的进入了大学的校门。是他们给了我启蒙的教育。使我的人生步上了正轨。在这里，真诚的感谢父母，养育我教育我。

最后，还要需要感谢我的舍友，在我的论文修改过程里，提供修改方法，给我极大的帮助。我论文书写遇到困难的时候积极帮助，帮我查阅资料，查找各种文献。

欢迎各位评审老师评阅！

　参考文献

[1]张晨曦.发电机碳刷电流在线测量在火电厂中的应用[C]//.2022年电力行业技术监督工作交流会暨专业技术论坛论文集.[出版者不详],2022.044266.

[2]牛野.同步发电机励磁碳刷电流监测系统[D].哈尔滨理工大学,2016.

[3]范宜林.同步发电机有刷励磁系统异常运行分析及处理[J].山东工业技术,2015.02.222.

[4]陈涛涛,马宏忠.双馈异步发电机电刷滑环系统状态监测技术研究现状与发展[J].电工电能新技术,2013,32(03):89-94.

[5]马铭远,发电机电刷电流在线监测方法及监测系统.北京市,中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司,2015-05-18.

[6]张晨曦.发电机碳刷电流在线测量在火电厂中的应用[C]//.2022年电力行业技术监督工作交流会暨专业技术论坛论文集.[出版者不详],2022.044266.

[7]胡庆雄,屈文锋,王勤.大型水轮发电机励磁碳刷过热原因分析与预防处理[J].中国水能及电气化,2017(09):23-26.

[8]党晓强,刘俊勇,杨可,雷霞.大型发电机状态监测与故障诊断[J].电气时代,2006(01):62-64.

[9]刘光临,符向前,蒋劲,陈启卷.大型水轮发电机组状态监测与故障诊断系统[J].华中科技大学学报(自然科学版),2006.01.024.

[10]刘光临,大型水轮发电机组状态监测与故障诊断理论与应用研究.湖北省,湖北清江水电开发有限责任公司,2004-01-01.

[11]朱介南,缪思恩,王昌乾.大型汽轮发电机组振动状态远程监测与故障诊断系统的实现[J].汽轮机技术,2003(01):5-7.

[12]张国强.汽轮发电机故障分析与诊断[D].华北电力大学（北京）,2011.

[13]吕帅.汽轮发电机故障分析与诊断[J].化工管理,2015(36):37.

[14]孙万童.基于多源信息融合的大型发电机碳刷在线监测与故障诊断研究[D].重庆理工大学,2020.000247.

[15]杨斌文.水轮发电机集电环的损蚀与维护[J].小水电,1996(04):44-45.

[16]周泽贤.同轴励磁机换相电刷偏离几何中心线引起的故障分析[J].中国设备工程,2001(11):13-15.

[17]赵力芬,贾育康.300MW汽轮发电机励磁电刷故障分析及对策[J].山西电力,2006(01):30-33.

[18]贾育康,赵从众.300MW汽轮发电机励磁电刷故障分析及对策[J].科学之友(学术版),2005(02):7-9.

[19]邓向辉,霍志成,王铁锋.同步发电机的直流励磁机换向器片间电刷火花的原因分析与解决方法[J].科技资讯,1672-3791.2008.14.081.

[20]王鲁锋.汽轮发电机励磁电刷的改造[J].电世界,2015,56(04):11.

[21]周振恩.岩滩水电站5号水轮发电机转子碳刷跳火原因及处理[J].红水河,2016,35(06):94-95.

[22]Jiazhong Xu,Bo You,Lei Ma.Research and development of DSP based servo motion controller[C].The 7th World Congress on Intelligent Control and Automation,Chongqing,2008,7720-7725.

[23]S.Patel.Development of ASIC chip-set for high-end network processing application a case study[C].The 15th International Conference,Bangalore,2002,789-794.

[24]M.Shiraishi.A simultaneous coefficient calculation method for sincN FIR filters[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Fundamental Theory and Applications,2003,50(4):523-529.

[25]Wen Ma,Jianguo Huang.Accurate time delay estimation based on SINC filtering[C].Signal Processing on the 6th International Conference,2002,2,1621-1624.

[26]J.Bihan.Coefficients and generating functions of the sincN FIR filters[C].Communication Systems Networks and Digital Signal Processing(CSNDSP)on the 7th International Symposium,Newcastle upon Tyne,2010,5-9.

[27]Alam Md.Morshed,Shahjalal Md.,Rahman Md.Habibur,Nurcahyanto Himawan,Prihatno Aji Teguh,Kim Youngjin,Jang Yeong Min.An energy and leakage current monitoring system for abnormality detection in electrical appliances[J].Scientific Reports,2022,12(1),1-11