2022年江西省大学生电子设计竞赛 H 题 — 分布式监控系统

2022 江西省大学生电子设计竞赛 H 题------分布式监控系统

题目编号：H 题

完成时间：2022 年 7 月

主控芯片：双 STC89C52RC

开发语言：C 语言

上位机平台：Labview

摘要

本设计为分布式监控系统 ，采用 1 主机 + 2 从机 架构，实现对直流电机与步进电机的远程控制、转速采集、实时显示及数据监控。系统以 STC89C52RC 为控制核心，通过 PWM 实现直流电机调速，采用 四相八拍 驱动步进电机；使用 TCRT5000 红外传感器 与编码器 分别完成双电机测速，转速数据可同步显示在四位数码管、串口助手、Labview 上位机 三端。系统支持按键本地控制、串口指令控制、上位机远程控制三种交互方式，结构清晰、运行稳定，全部基础与发挥指标均达标。

关键词：STC89C52；分布式监控；PWM调速；步进电机驱动；红外测速；编码器测速；Labview；双机通信

一、系统方案设计与论证

1.1 系统总体架构

系统按功能划分为八大模块：

电源模块
主控单片机模块（双 STC89C52）
直流电机驱动模块
步进电机驱动模块
红外测速模块（TCRT5000）
编码器测速模块
四位数码管显示模块
按键控制模块
串口通信 + Labview 上位机模块

1.2 方案论证与选型

1.2.1 主控芯片选择

方案一：STC15W4K32S4

高速 1T 架构，资源丰富，但成本偏高，存在资源浪费。

方案二：STC8H8K64U

高速 8051 内核，抗干扰强，但团队熟悉度不足。

方案三：STC89C52RC

经典 51 内核，性价比高、资料丰富、开发快捷，最终选定。

1.2.2 电源方案选择

方案一：线性稳压电源

纹波小，但驱动能力不足，无法带动电机负载。

方案二：开关电源 + LM2596S

输出 12V/5V 双路电压，带载能力强、效率高，最终选定。

1.2.3 显示模块论证

方案一：四位数码管

驱动简单、显示直观、成本低，最终选定。

方案二：LCD1602 液晶

显示内容多，但代码复杂、观感不直接，未选用。

1.2.4 电机驱动芯片选择

方案一：L298N

驱动能力强，但外围电路复杂、成本偏高。

方案二：ULN2003

接线简单、价格实惠、满足驱动需求，最终选定。

二、理论分析与计算

2.1 直流电机 PWM 调速原理

通过调节 PWM 脉冲占空比改变电机平均电压，实现无级调速。转速与占空比呈正相关。

2.2 步进电机转速计算

Plain 复制代码

步进电机转速 = 频率 × 60 / 200 × 细分倍数

采用 四相八拍 驱动方式，控制精度高、运行平稳。

2.3 测速原理

直流电机：TCRT5000 红外对管检测遮挡脉冲，通过脉冲频率换算转速。
步进电机：采用编码器高精度测速，数据稳定可靠。

三、硬件与软件设计

3.1 硬件电路设计

电源电路

12V 开关电源输入，经 LM2596S 转为 5V，为单片机与传感器供电。

直流电机驱动

ULN2003 放大电流，实现正反转、启停、PWM 调速。

步进电机驱动

28BYJ48 步进电机 + ULN2003，四相八拍驱动。

测速电路

TCRT5000 红外测速、编码器测速双方案。

显示电路

四位数码管动态扫描，实时刷新转速。

按键电路

实现正转、反转、加速、减速、停止功能。

3.2 软件设计流程

系统初始化
按键扫描与指令解析
电机驱动与调速控制
转速采集与数据处理
数码管实时显示
串口数据上传
Labview 上位机交互与远程控制

3.3 双机协同逻辑

主机：指令分发、数据汇总、上位机通信
从机1：直流电机控制 + 红外测速
从机2：步进电机控制 + 编码器测速

四、系统测试与结果

4.1 测试设备

电源、直流电机、步进电机、TCRT5000、编码器、数码管、示波器、万用表。

4.2 测试方法

分别对电机控制、转速测量、显示、按键、串口、上位机功能进行逐项验证。

4.3 测试结果

直流电机：PWM 调速平稳，正反转/加减速正常，红外测速准确。
步进电机：四相八拍驱动正常，加减速流畅，编码器测速稳定。
按键控制：正转、反转、加速、减速、停止响应灵敏。
三端显示：数码管、串口助手、Labview 同步刷新转速。
远程控制：上位机可正常下发指令、监控状态、绘制曲线。
分布式架构：1 主机 + 2 从机协同稳定，无数据丢包。

4.4 测试结论

系统全部基本要求与发挥要求均达标，控制稳定、测速精准、交互友好、扩展性强。

五、参考文献

童诗白,华成英.《模拟电子技术基础》.高等教育出版社,2006
阎石.《数字电子技术基础》.高等教育出版社,2006
张有志.《全国大学生电子设计竞赛培训教程》.清华大学出版社,2013
黄继昌.《数字集成电路应用300例》.人民邮电出版社,2002
孙余凯.《精选实用电子电路260例》.电子工业出版社,2007

六、附录

系统总体原理图
核心代码片段（按键扫描、数码管显示、PWM、电机驱动、测速、串口通信）
Labview 上位机工程文件
P.S：需要完整开源资料（原理图/源码/报告/上位机），后台私信即可。