大型风电机组塔筒振动应变测量系统主程序设计Word文档格式.docx
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（2）中央处理系统组成及结构分析；
（3）主程序的流程图设计；
（4）对各个模块的子程序地址安排以及I/0选择；
（5）实现各个模块较为合理组合；
（6）综合电路基于PROTUES的仿真；
（7）单片机实物焊接时，各模块位置编排，力求美观合理；
（8）单片机实物调试；
主要参考资料：
[1]潘永雄.单片机原理与应用.北京:
电子工业出版社,2002
[2]徐新艳.单片机及工程应用.北京:
高等教育出版社,2005
[3]张毅刚.单片机原理及应用.北京高等教育出版社,2004
[4]戴胜华.单片机原理与应用北京:
北方交通大学出版社,2005
[5]周坚.单片机轻松入门.北京:
北京航空航天大学出版社,2004
摘要：
塔筒是风力发电机组中的主要支撑装置，必须有足够的强度、刚度和稳定性以保证机组安全可靠运行。
本项目通过在测量塔筒的应变和振动基础上，设定应变和振动的阈值，当塔筒所受的振动和应变超过阈值的时候，所设计的设备会报警，提示工作人员进行维修和检测。
设备的中央控制芯片是单片机，通过单片机的自动控制最终实现对风力发电机塔筒的监控。
关键词:
风力机;
塔筒;
振动;
应变
目录
第一章、总体方案设计1
1.1大型风电机组塔筒振动、应变测量系统的现状1
1.1.1概述1
1.1.2塔筒的载荷分析1
1.2提出振动、应变系统测量方案2
1.3总体设计的框图3
1.4功能单元定义4
1.4.1各个引脚以及地址定义4
第二章、功能划分及各模块任务安排5
2.1中央处理系统组成及结构分析5
2.1.1单片机选型：
5
2.1.2中央处理系统组成：
2.2功能划分以及各模块任务：
6
2.2.1电源供电模块：
2.2.2振动信号采集处理模块：
2.2.3应变信号采集处理模块：
2.2.4人机界面显示模块：
7
第三章、中央处理系统软件模块设计8
3.1主程序流程图8
3.1.1主程序流程图8
3.1.2主程序汇编代码9
3.2子程序设计8
3.2.1各模块子程序地址安排及I/O口的使用10
3.2.2I/O的分配和各个引脚使用11
3.2.3ADC0809输入通道的控制及选择12
第四章、系统仿真以及实物调试14
4.1系统仿真14
4.1.1总体仿真图14
4.1.2PROTUES仿真设计介绍14
4.2PROTUES仿真结果分析16
第五章、心得体会20
第六章、参考文献21
第一章、总体方案设计
1.1大型风电机组塔筒振动、应变测量系统的现状
1.1.1概述
塔筒是风力发电机组（风力机）中的主要支撑装置，它将机舱和风轮托举到所需的高度。
在机组的整个寿命周期内，塔筒在受到风轮、机舱以及自身重力作用的同时，还要受到各种风况（正常风况、极端风况）引起的动载荷作用，承受大小和方向随时变化的疲劳载荷和极限载荷。
因此设计时必须保证塔简具有足够的强度、刚度和稳定性。
塔筒的振动分析与控制是风力机在设计过程中必须进行的工作之一。
由于风轮在一定范围内转动，且风轮的转速时刻都在发生变化，因此设计时必须考虑风力发电机组运行时变载荷、变转速的特性，通过对各个部件动态特性及其耦合特性的设计，保证整个机组在工作过程中平稳及安全可靠地运行。
通过对塔筒振动和应变的测量和分析，可以了解实际工作过程中塔筒的振动水平，从而对塔筒进行优化设计。
1.1.2塔筒的载荷分析
目前，风电机组塔筒大都为锥形结构，其顶端安装有较大质量的机舱和在风载荷作用下旋转的风轮。
概括起来，作用在塔筒上的载荷主要有以下几类：
1）气动力：
作用在塔筒顶部的风轮上的气动力是塔筒载荷的主要来源。
此外，风载荷直接作用在塔筒上也会对塔筒产生动载荷。
2）重力：
机舱和风轮重力直接作用于塔筒顶部，是塔筒设计和机组安装时必须考虑的一个重要参数。
机舱和风轮的重心位置也是设计时必须考虑的一个重要参数。
3）惯性载荷：
由于风载荷的随机性，会引起塔筒的振动，而这种振动会产生惯性力，不但引起塔筒的附加应力，而且还会影响塔筒顶端叶轮的变形和振动。
4）控制系统的运行载荷：
风电机组在运行过程中，控制系统和保护系统使机组启动、停车（包括紧急停车）、偏航、变桨、脱网时，都会引起机组结构和塔筒部件的载荷变化。
塔筒受到多种载荷的共同作用，特别是由于风载荷的随机性，必然引起塔筒的变形和振动，而这种振动不但会引起塔筒的附加应力，而且有可能与叶片产生共振，从而影响整个风电机组组的稳定性。
因此，在风电机组组塔架设计中，必须对塔筒进行动力学分析，合理设计塔筒的强度和刚度。
通过对塔筒进行模态分析，动力响应计算等，使塔架频率（主要为一阶频率）与叶片的通过频率之间错开一定的数值，而且把机组和塔筒的振动都控制在一定的范围内。
对于钢制锥形塔筒，把机舱、风轮等近似作为集中质量作用于塔筒顶部，其1阶固有频率可用下式进行估算：
（1-1）
式中：
E—塔筒材料弹性模量
I—塔筒截面惯性矩
H—塔筒高度
m1—塔架质量
m2—机舱及风轮质量
目前，风电机组塔筒的动力学分析主要通过有限元方法（FEM）进行。
1.2提出振动、应变系统测量方案
大型风电机组塔筒振动、应变测量系统；
将该系统分为5个模块：
供电电源模块、振动信号采集模块及子程序、应变信号采集模块及相应子程序、中央处理系统及人机界面、主程序及数据处理子程序）
1、供电电源模块
1）供电电源组成及结构分析
2）根据其他模块的需求，提供不同的电压
2、振动信号采集模块及子程序
1）振动传感器功能及选型分析
2）振动测量模块的测量特性分析
3）振动测量模块与单片机进行连接
4）振动信号输出模数转换子程序设计
5）振动测量模块的实物调试
3、应变信号测量模块及子程序
1）应变片的功能及选型分析
2）应变片的测量电路设计
3）应变片的测量特性及灵敏系数测定
4）应变片信号的放大滤波电路设计
5）应变信号输出模数转换子程序设计
4、人机界面设计模块
1）确定人机界面在总系统中的定位及结构分析；
2）人机界面的功能及各个元件选型分析；
3）人机界面的输出特性及相关系数测定；
4）人机界面信号输入及其与单片机的连接；
5）显示子程序以及按键控制子程序
6）基于Proteus进行仿真模拟输出；
6）振动测量模块的实物调试
5、中央处理系统模块
1）中央处理系统组成及结构分析
2）主程序的流程图设计
3）对各个模块的子程序地址分配
4）单片机的I/O设计编排
1.3总体设计的框图
图1.1总体设计框图
1.4功能单元定义
电源模块：
1）将220V的交流电转换为直流电压，给系统各模块供电
2）单片机供电5V
3）模数转换模块5-12V
应变测量模块：
1）设计测量电路，将测得的信号转换为数字信号传送到单片机
2）应变数据存储单元为单片机50H
振动传感器测量模块：
1）检测振动信号，将测得的信号转换为数字信号传送到单片机
2）振动数据存储单元为单片机30H
A/D转换模块：
1）将振动信号转换为数字信号
2）将应变信号转换为数字信号
按键模块:
1）设置按键1用于单片机复位
2）设置按键2用于系统显示内容转换
3）设置按键3用于阈值更改
晶体管显示模块：
1）4位显示振动信号或者应变信号
2）2位显示振动信号或者应变信号的阈值
3）最后一位显示单位伏特（V）
单片机AT89S51
1）控制处理信号的测量和显示
2）对测得的信号相应的控制
第二章、功能划分及各模块任务安排
2.1中央处理系统组成及结构分析
2.1.1单片机选型：
经过比较3款典型单片机，AT89C51、AT89S51、STC89C51，从单片机的性能等方面来说，这3款芯片都属于51系列的单片机，单片机性能大同小异；
具有“三总线”构架；
40脚封装；
在内部包含4KB以上可编程Flash程序存储器；
具有3级程序存储器锁定；
可进行1000次擦/写操作；
具有待机和掉电工作方式。
就该项目所需要的性能来说，3种单片机都能实现需要的功能。
最终，结合考虑经济、实用性等因素，决定采用STC89C51。
2.1.2中央处理系统组成：
中央处理系统组成：
单片机STC89C51、复位电路、晶振电路组成的最小系统，给单片机供电的电源电压为5V。
图2.1中央处理系统复位电路、晶振电路
1）单片机STC8951的供电电压值为5V
2）ADC0809的工作电压在5-12V之间
3）单片机供电电源需要接地电容，去除电源的纹波，稳定输出电压
1）由于振动传感器的输出的比较小并且不够稳定，所以需要设置滤波以及放大电路
2）滤波的方法一般采用无源元件电容或电感,利用其对电压,电流的储能特性达到滤波的目的.由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用；
与负载串联的电感L,当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。
但是振动信号的滤波采用并联电容C。
3）模数转换器的选型，需要对比至少3款模数转换器，确定最终类型。
4）模数转换器的启动程序的设计以及与单片机的连接；
AD转换的输出端接到单片机的P0口作为输入，数据存放在单片机40H单元。
5）模数转换器与单片机的连接部分的PROTUES仿真。
6）振动传感器的输出电压与其对应的振动幅度之间的关系，通过对传感器的进行测量并且作出电压--振幅的曲线，得出最后的关系。
1）测量应变的传感器需要经过对比选型，确定比较合适的应变传感器。
2）测量应变传感器的基本电路设计，前端电路的设计
3）测量应变传感器的输入比较小，应该进行放大滤波电路。
4）模数转换器对AD089的输入信号的要求：
信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；
输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
5）输出的模拟信号与对应的应变之间的关系需要确定
6）AD转换器的输出接口与单片机的接口的为P1，输出的数据存储在50H单元。
7）模数转换器与单片机的连接部分的PROTUES仿真。
1）显示界面的器件选型，选择数码管还是LCD1602、或者彩屏显
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