风电机组塔筒振动监测系统设计报告.docx

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风电机组塔筒振动监测系统设计报告

课程设计报告

（2014--2015年度第二学期）

名  称：

 单片机课程设计       

题  目：

 风电机组塔筒振动检测系统 

院  系：

班  级：

学生姓名：

同组人：

学  号：

成  绩：

日期：

2015年7月5日

一．塔筒振动检测意义：

通过对塔筒振动的实时数据监测，和进一步的数据分析可以

1判断塔筒的强度，刚度，稳定性，便于维护与检修

2.实现对风电机组变载荷，变转速的检测和反馈

3.保证机组运行过程的平稳和安全可靠运行

二．塔筒振动检测基本方案

１.基本原理：

利用传感器测量塔筒的振动信号，通过信号传送线路和信号转换元件把振动信号送入单片机，再利用单片机的软件技术处理塔筒的振动信号，实时显示塔筒振动状态并将信号通过无线技术传输到检测中心，实现塔筒振动的检测。

2.功能实现：

每个风电机组塔筒可用８个传感器分别测得不同位置的各个方向上的振动信号，每个测量对象经传感器输出的８条模拟信号可输入到ADC0808的８个模拟输入端子，单片机控制选择模拟信号输入通道后，ADC0808转换为数字信号经输出通道输出到到AT89C51单片机，单片机又与数码管连接，由单片机控制将８通道的模拟量轮流转换后输出到七段数码管动态显示，由此可简单实现塔筒振动的实时简单检测。

（若要更准确的实现塔筒振动的检测，同时可将A/D转换后，数据串行口输出后经MAX232电平转换后，通过无线数据模块传到检测中心，经数据分析后得到更为准确的塔筒振动检测，以下设计中不做设计）　

系统的

运行方框图如下：

风电机组    ...     ...     ...   风电机组

传感器                 传感器

前置放大器 　...     ...     ...   前置放大器

A/D转换器  ...     ...     ...   A/D转换器

单片机     ...     ...     ...   单片机

GPRS模块     　ＧＰＲＳ网络       GPRS模块

显示电路        检测中心       显示电路

三．硬件设计

1.硬件选择

（1）.传感器选择：

加速度传感器，塔筒自身的振动主要为低频振动，因此测量塔筒的自振频率，可选用加速度传感器或电容式振动传感器。

（２）.传感器的放置：

考虑到塔筒的各个方向上的振动情况不一样，塔筒不同高度上的振幅也不一样，现将８个加速度传感器分为两组，每组四个分别置于塔筒横截面上相互垂直的X-Y方向上的四个位置（如图ａ），其中一组放置在塔筒底部，另一组靠近塔筒顶部，考虑到测量的数据的准确有效性，可将两组错开45°（如图ｂ），由此可实现塔筒各个位置振动的立体式测量，更具有准确性，而且可通过检测中心的数据分析得到非常准确的塔筒振动情况。

图ａ          图ｂ

（3）A/D转换器：

ADC0808，具有８通道模拟输入，以逐次逼近式原理进行转换，分辨率为８位，且便于模拟电路仿真。

（4）单片机：

AT89C51，与MCS-51兼容，4K字节可编程FLASH存储器，数据保留时间长，128×8位内部RAM，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。

（5）数码管：

7SEG-MPX4-CA，七段显示数码管，共阳。

（6）74LS74：

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，为了得到1MHZ的时钟频率，在电路中采用了74LS74二分频得到1MHZ的时钟频率。

（7）其他元件：

电容:

30pF×2个，1uF×1个；

电阻：

510×7个，4.7k×4个，51k×1个，1k×1个；

三极管：

MPS6514×4个；

石英晶振：

12MHZ×1个；

按钮开关一个。

2.总硬件接线图如下：

各个模块连接及说明如下：

（1）.A/D转换部分

ADC0808芯片各引脚及功能：

有28条引共脚，采用双列直插式封装。

1～5和26～28（IN0～IN7）：

8路模拟量输入端。

8、14、15和17～21：

8位数字量输出端。

22（ALE）：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

6（START）：

A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少 100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

7（EOC）：

A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

9（OE）：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

10（CLK）：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

12（VREF（+））和16（VREF（-））：

参考电压输入端

11（Vcc）：

主电源输入端。

13（GND）：

地。

23～25（ADDA、ADDB、ADDC）：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。

连接说明：

ADC0808是由单一电源，+5V供电，模拟电压的输入范围为0~5V，故本设计允许输入的模拟电压最大值为5V。

第22脚ALE为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存；6脚START为测试控制，当输入一个2us宽高电平脉冲时，就开始A/D转换；7脚EOC为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时，7脚输出高电平；9脚OE，数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数。

ADC0808的转换速度取决于芯片的时钟频率，要求时钟频率范围不高于640KHZ，在本设计中我们采用了由单片机ALE脚的六分频晶振信号再通过74LS74二分频得到，故ADC0808的工作频率为1MHZ，转换时间为1US。

连接图：

（2）.数据处理模块：

AT89C51管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（计时器0外部输入）

P3.5T1（计时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

振荡器特性:

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

连接说明：

单片机主要完成将接受到的ADC0808转换输出的二进制数值进行BCD码的转换，并完成8路数值轮流显示的功能，故需借助单片机来完成编程功能。

设计中，采用了AT89C51单片机，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

单片机中的I/O口都用做普通的输入输出口，由P1口接受AD0808送来的二进制数值，P0口是数码管数值输出口，P3.0~P3.3作为数码管的位驱动口。

为得到AD0808的时钟信号，在设计中，利用了单片机的ALE端口。

ADC0808与74LS74的连接上部分已写出。

连接图：

（3）.显示部分

要自动轮流显示模拟通道数，以及8路模拟电压数值，设计中采用了动态显示，采用7SEG-MPX4-CA，共阳。

根据数码管的参数要求，要求其驱动电流在10MA~20MA之间，在电路中采用三极管MPS6514进行扩流来驱动数码管；在本设计中段码显示是由P0口进行输出，为防止数码管灌入单片机的电流超出了允许的电流范围，在数码管与单片机的P1口之间接入了510欧姆的电阻。

硬件电路图如图 所示。

由于人眼的视觉暂留时间为0.1S，所以每位显示的间隔不能超过20ms，并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果，给人看上去每个数码管总在亮，设计中每位数值的显示时间为1ms，一个通道的数值显示包括了通