大型风电机组塔筒振动应变测量.docx
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大型风电机组塔筒振动应变测量
机电工程学院
课程设计说明书
成绩：
分
湖南科技大学
课程设计名称：
题目：
学生姓名：
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指导教师：
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年月日
目录
摘要··························1
绪论··························1
第一章系统总体方案分析及确定···············5
1.1设计要求及功能描述···················5
1.2信号检测的内容要求···················6
1.3总体设计方案介绍····················6
第二章硬件电路设计····················6
2.1AT89c51单片机与ADC0808设计模块············1
2.2系统硬件电路······················1
2.3ADC0808与8051单片机的接口设计············1
2.4晶振电路及复位电路···················1
2.5传感器的电路分析····················1
第三章数据程序设计部分··················1
3.1ADC0808转换/显示程序·················1
3.2主程序开始·······················1
3.3主循环程序开始·····················1
3.4显示子程序·······················1
3.5ADC0808转换子程序···················1
3.6延时子程序·······················1
3.7段码表·························1
第四章proteus仿真····················1
第五章风电机组塔筒测量模块总成··············1
5.1系统总体方案设计····················1
5.2模块总成仿真图·····················1
5.3模块程序总成······················1
心得体会····························1
参考文献····························1
摘要
振动是宇宙普遍存在的一种现象，总体分为宏观振动（如地震、海啸）和微观振动（基本粒子的热运动、布朗运动）。
一些振动拥有比较固定的波长和频率，一些振动则没有固定的波长和频率。
两个振动频率相同的物体，其中一个物体振动时能够让另外一个物体产生相同频率的振动，这种现象叫做共振，共振现象能够给人类带来许多好处和危害。
不同的原子拥有不同的振动频率，发出不同频率的光谱，因此可以通过光谱分析仪发现物质含有哪些元素。
在常温下，粒子振动幅度的大小决定了物质的形态（固态、液态和气态）。
不同的物质拥有不同的熔点、凝固点和汽化点也是由粒子不同的振动频率决定的。
我们平时所说的气温就是空气粒子的振动幅度。
任何振动都需要能量来源，没有能量来源就不会产生振动。
物理学规定的绝对零度就是连基本粒子都无法产生振动的温度，也是宇宙的最低温度。
在日常的生活和生产活动中，我们经常可以看到物体的振动现象，例如：
运动场上秋千的摆动，汽车启动时发动机引起的车体颤动，机床的振动等。
这些振动从形式上看，有的是来回摆动，有的是往复直线运动，有的是旋转运动等，种类很多，形式不一，但它们都有一个共同的特点，即物体在运动过程中总是在它自己的平衡位置附近，一次又一次地重复地运动着。
因此，我们把物体在其平衡位置附近所做的往复性的运动称为振动。
研究振动的目的是为了了解各种机械振动的现象的机理，破译机械振动所包含的大量信息，进而对设备的状态进行监测，分析设备的潜在可能故障。
振动信号的检测在机械设备运行过程中非常重要，如何正确检测到振动信号，这在机械故障诊断中具有非常重要的意义。
不同种类的传感器，具有不同的可测频率范围，测试前应该结合研究对象的主要频率范围，来选定适当仪器。
一般来说，接触式传感器中，速度型传感器适用于测量不平衡、不对中、松动、接触等引起的低频振动，用它测量振动位移，可以得到稳定的数据。
加速度传感器适用于测量齿轮、轴承故障等引起的中、高振动信号，但用它测量振动位移，往往不太稳定。
因此，加速度传感器测量仪一般只用于测振动速度，其优点是能测到高频振动信号。
本课题主要选用位移传感器结合微分电路测得最大位移，最大速度，最大加速度，并且利用LCD显示振动信号。
绪论
几乎所有的物理现象都可看作是信号，但这里我们特指动态振动信号。
振动信号采集与一般性模拟信号采集虽有共同之处，但存在的差异更多，因此，在采集振动信号时应注意以下几点：
1.振动信号采集模式取决于机组当时的工作状态，如稳态、瞬态等；
2.变转速运行设备的振动信号采集在有条件时应采取同步整周期采集；
3.所有工作状态下振动信号采集均应符合采样定理。
对信号预处理具有特定要求是振动信号本身的特性所致。
信号预处理的功能在一定程度上说是影响后续信号分析的重要因素。
预处理方法的选择也要注意以下条件：
1.在涉及相位计算或显示时尽量不采用抗混滤波；
2.在计算频谱时采用低通抗混滤波；
3.在处理瞬态过程中1X矢量、2X矢量的快速处理时采用矢量滤波。
上述第3条是保障瞬态过程符合采样定理的基本条件。
在瞬态振动信号采集时，机组转速变化率较高，若依靠采集动态信号（一般需要若干周期）通过后处理获得1X和2X矢量数据，除了效率低下以外，计算机（服务器）资源利用率也不高，且无法做到高分辨分析数据。
机组瞬态特征（以波德图、极坐标图和三维频谱图等型式表示）是固有的，当组成这些图谱的数据间隔过大（分辨率过低）时，除许多微小的变化无法表达出来，也会得出误差很大的分析结论，影响故障诊断的准确度。
一般来说，三维频谱图要求数据的组数（△rpm分辨率）较少，太多了反而影响对图形的正确识别；但对前面两种分析图谱，则要求较高的分辨率。
目前公认的方式是每采集10组静态数据采集1组动态数据，可很好地解决不同图谱对数据分辨率的要求差异。
影响振动信号采集精度的因素包括采集方式、采样频率、量化精度三个因素，采样方式不同，采集信号的精度不同，其中以同步整周期采集为最佳方式；采样频率受制于信号最高频率；量化精度取决于A/D转换的位数，一般采用12位，部分系统采用16位甚至24位。
振动信号的采样过程，严格来说应包含几个方面：
1.信号适调
由于目前采用的数据采集系统是一种数字化系统，所采用的A/D芯片对信号输入量程有严格限制，为了保证信号转换具有较高的信噪比，信号进入A/D以前，均需进行信号适调。
适调包括大信号的衰减处理和弱信号的放大处理，或者对一些直流信号进行偏置处理，使其满足A/D输入量程要求。
2.A/D转换
A/D转换包括采样、量化和编码三个组成部分。
采样（抽样），是利用采样脉冲序列p（t）从模拟信号x（t）中抽取一系列离散样值，使之成为采样信号x（n△t）（n=0,1,2,…）的过程。
△t称为采样间隔，其倒数称1/△t＝fs之为采样频率。
采样频率的选择必须符合采样定理要求。
由于计算机对数据位数进行了规定，采样信号x（n△t）经舍入的方法变为只有有限个有效数字的数，这个过程称为量化。
由于抽样间隔长度是固定的（对当前数据来说），当采样信号落入某一小间隔内，经舍入方法而变为有限值时，则产生量化误差。
如8位二进制为28＝256，即量化增量为所测信号最大电压幅值的1/256。
第一章系统总体方案分析及确定
1.1设计要求及功能描述
（1）提出合理的大型风电机组塔筒振动、应变测量总体设计方案
（2）振动测量模块的组成及结构分析
（3）测量振动传感器的功能及选型分析
（4）振动测量模块的测量特性分析
（5）振动测量模块与单片机进行连接
（6）振动测量模块的实物调试
可以对大型风电机组塔筒振动、应变进行及时数据测量并显示，也可实现一定的阈值报警等。
1.2信号检测的内容要求
通过AT89S51单片机设计振动信号检测系统。
要求如下：
（1）振动信号的特点，选择合适的传感器，并设计相应的检测电路。
（2）将设计完成的检测电路，通过软件防真验证。
（3）主要设计指标：
可以检测出振动传感器输出电压0-5v的电压值。
（4）利用LED显示振动信号，有必要的键盘控制。
1.3总体设计方案介绍
本次振动信号检测分为硬件电路设计和软件电路设计两大部分。
硬件电路设计分为数据采集模块分析、LED显示模块设计、键盘控制模块设计、放大与滤波电路设计。
软件程序设计包括ADC0808与AT89c51单片机接口设计、键盘AT89c51单片机接口设计、LED显示器与AT89c51单片机接口设计。
第2章硬件电路设计
2.1使用AT89c51单片机与ADC0808设计数据采集系统模块
数据采集系统用于将模拟信号转换为计算机可以识别的数字信号，该系统目的是便于对一些物理量进行监视、控制。
本设计以80C51CPU为核心，配以0808A/D转换器件，使用数码管来进行显示。
系统软件可在proteus上仿真。
数据采集系统．从严格的意义上来说．应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测．并且能够对数据实行存储、处理、分析计算以及从检测的数据中提取可用的信息．供显示、记录、打印或描绘的系统。
数据采集系统一般由数据输入通道．数据存储与管理．数据处理．数据输出及显示这五个部分组成。
输入通道要实现对被测对象的检测。
采样和信号转换等工作。
数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来．建立相应的数据库．并进行管理和调用。
数据处理就是从采集到的原始数据中滤除有关干扰噪声，无关信息和必要的信息，提取出反映被测对象特征的重要信息。
另外。
就是对数据进行统计分析，以便于检索；或者把数据恢复成原来物理量的形式。
以可输出的形态在输出设备上输出，例如打印。
显示，绘图等。
数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示
本次设计是在现场物理信号通过传感器转换为0~5V的基础上。
由单片机进行远距离传输并还原为0~5V的电信号，通过数码管显示。
2.2系统硬件电路
系统硬件电路如图1：
ADC0808将0~5V模拟信号转换为00~FF数字信号并传送给51单片机，然后由51单片机进行数据存储及数据处理，最终由数码管显示，完成对模拟信号的采集。
2.3ADC0808与8051单片机的接口设计
ADC0808与单片机8051的硬件接口方式一般有：
查询方式、中断方式和等待延时方式。
本设计采用查询方式。
由于ADC0808芯片内部没有时钟脉冲源．我选择利用单片机8051提供的地址锁存控制输入信号ALE经74LS74即D触发器二分频后．作为ADC0808的时钟输入。
当CPU访问外存储器时，ALE（高电平有效，即ALE=1时锁存ABC上的地址信号，选中某路模拟量输入）的输出作为外部锁存地址的低字节的控制信号；当不访问外部存储器时，ALE端以1/6的时钟振荡频率固定地输出正脉冲。
又因ADC0808的时钟频率有一定的范围101280kHz．故我取单片机的时钟频率为12MHz。
则ALE端输出的频率为2MHz，再经二分频后为1MHz。
符合ADC0808对时钟的要求。
在仿真当中，74LS74的分频频率用1MHZ的U2（CLOCK）数字时钟激励代替。
图2-1ADC0808仿真接口图
图2-2AT89C51的接口图
2.4晶振电路及复位电路
晶振在应用具体起到的作用:
微控制器的时钟源可以分为两类：
基于机械谐振器件的时钟源，如晶振、陶瓷谐振槽路；
RC（电阻、电容）振荡器。
一种是皮尔斯振荡器配置，适用于晶振和陶瓷谐振槽路。
另一种为简单的分立RC振荡器。
基于晶振与陶瓷谐振槽路的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温度系数。
RC振荡器能够快速启动，成本也比较低，但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差，会在标称输出频率的5%至50%范围内变化。
晶振即晶体振荡器，它的基本构成大致是：
从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振；而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。
其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
图2-3晶振电路示意图
复位电路，就是利用它把电路恢复到起始状态。
就像计算器的清零按钮的作用一样，以便回到原始状态，重新进行计算。
和计算器清零按钮有所不同的是，复位电路启动的手段有所不同。
一是在给电路通电时马上进行复位操作;二是在必要时可以由手动操作;三是根据程序或者电路运行的需要自动地进行。
复位电路都是比较简单的大都是只有电阻和电容组合就可以办到了。
再复杂点就有三极管等等配合程序来进行了。
图2-4复位电路示意图
2.5传感器的电路分析
目前绝大多数车辆报警器都选用这类振动传感器。
体积为40*50*20毫米，振动检测灵敏度可以通过旋钮调节，顺时针灵敏度增加，逆时针灵敏度降低。
当检测到振动大于一定幅度时，红色的指示灯点亮，并输出报警信号。
这种传感器采用压电陶瓷片作为振动检测器件，因为压电片的谐振频率较高，所以在压电片上焊接了一段重力弹簧，既可以降低谐振频率，又能将振动效果增强，因此具有结构简单、成本低廉、灵敏度高并且连续可调等诸多优点。
图2-5加速度传感器电路图
这种传感器采用三极管集电极开路输出的驱动模式，可以和单片机系统直接接口，首先单片机将端口置1，并通过上拉电阻拉至电源正电压，当传感器检测到振动信号时Q1导通，A点由电源电压下拉到0.1V左右，蓝线也被下拉，（加入1K左右的上拉电阻后电平变化比较明显）这时单片机就能检测到端口电平变低得到报警信号了，这种结构的优点在于传感器对后续电路（单片机）的工作电压无要求，而且电路上相互隔离互不影响，可以多个传感器输出并联。
图2-6振动传感器原理图
通过简单的接口电路可以和无线发射模块、有线警号等配套使用，用途十分广泛。
还有一种接口方法，如果将100欧姆的保护电阻短路，蓝线和红线间接一个12V的继电器，这样传感器动作时继电器就会同步吸合，继电器的常开常闭触点可以灵活控制其他电路。
在仿真电路中无法仿真此种传感器，将使用滑动变阻器来控制电压输出进行仿真。
第3章数据程序设计部分
3.1ADC0808转换/显示程序
;=========================================
;ADC0808转换/显示程序
;=========================================
STARTBITP3.5;启动信号,地址锁存信号,上升沿锁存地址,下降沿开始转换
EOCBITP3.6;转换结束信号,1有效,表示转换结束
DISM0EQU30H;定义显示缓冲区
DISM1EQU31H
DISM2EQU32H
DISM3EQU33H
ADCXEQU34H;转换结果数据存放单元
LEDBTEQU35H;显示位码
3.2主程序开始
;=========================================
;主程序开始
;=========================================
RESET:
CLRSTART
MOVR0,#7FH;内存清0
CLREA:
MOV@R0,#0
DJNZR0,CLREA
3.3主循环程序开始
;=========================================
;主循环程序开始
;=========================================
MLOOP:
ACALLDISUP;调显示子程序
ACALLADC08;调转换子程序
MOVA,ADCX;取转换结果
CPLA
MOVB,#51
DIVAB;取千位
MOVDISM0,A;显示千位
MOVA,B
MOVB,#5
DIVAB
MOVDISM1,A
MOVA,B
MOVB,#10
MULAB
MOVB,#5
DIVAB
MOVDISM2,A
MOVDISM3,B
AJMPMLOOP
3.4显示子程序
;=========================================
;显示子程序
;=========================================
DISUP:
MOVLEDBT,#0FEH
MOVDPTR,#LEDTAB
MOVR0,#DISM0
DISOP:
MOVA,LEDBT
MOVP0,A;用proteus仿真必须先输出位码
RLA
MOVLEDBT,A
MOVA,@R0
MOVCA,@A+DPTR
MOVP1,A;后输出段码
ACALLDELAY
INCR0
CJNER0,#DISM0+4,DISOP
RET
3.5ADC0808转换子程序
;=========================================
;ADC0808转换子程序
;=========================================
ADC08:
SETBSTART;上升沿锁存地址
CLRSTART;下降沿启动转换
JNBEOC,$;等待转换结果
MOVADCX,P2;从P2口读取转换数据
RET
3.6延时子程序
;=========================================
;延时子程序
;=========================================
DELAY:
MOVR7,#250
DELOP:
DJNZR7,DELOP
RET
3.7段码表
;=========================================
;段码表
;=========================================
LEDTAB:
DB3fH,06H,5bH,4fH,66H;定义共阴数码管段码表
DB6dH,7dH,27H,7fH,6fH
END
第4章proteus仿真
结合以上硬件电路的设计，及软件程序的设计，进行以下的proteus电路仿真。
仿真结果如下图所示。
图4-1仿真结果图
（1）
图4-2仿真结果图
（2）
仿真结果基本上可以实现任务设计要求，在仿真当中出现了0.02V左右的误差，这是因为程序在设计过程当中，汇编语言难以实现小数运算的表示而进行近似处理造成的误差，对结果影响不大，故本设计基本实现任务要求，并可进行实际的实物连接。
第5章风电机组塔筒测量模块总成
5.1系统总体方案设计
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、人机界面设计模块
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安排以及I/0选择
4）实现各个模块较为合理组合
5）综合电路基于PROTUES的仿真
6）单片机实物焊接时，各模块位置编排，力求美观合理
7）单片机实物调试
通过对各部分模块的要求进行安排，然后进行各个模块独自设计。
最终整合各个模块，进行实物的调试。
5.2模块总成仿真图
经过小组同学的讨论，对各个部分数据模块，主程序及人机界面的结合，形成了一个可以实现对大型风电机组塔筒振动、应变的数据测量，主要的仿真界面如下图所示。
图5-1测量系统各模块总成仿真图
5.3模块程序总成
;=========================================
;ADC0808转换/显示程序
;=========================================
STARTBITP3.0;启动信号,地址锁存信号,上升沿锁存地址,下降沿开始转换
EOCBITP3.2;转换结束信号,1有效,表示转换结束
OEBITP3.1
YZANJBITP3.6
ANJBITP3.7;
DISM0EQU30H;定义显示缓冲区
DISM1EQU31H
DISM2EQU32H
DISM3EQU33H
DISM4EQU34H
DISM5EQU35H
DISM6EQU36H
DISM7EQU37H
ADCXEQU40H;转换结果数据存放单元
LEDBTEQU41H;显示位码
;=========================================
;主程序开始
;=========================================
RESET:
CLRSTART
MOVR0,#7FH;内存清0
CLREA:
MOV@R0,#0
DJNZR0,CLREA
MOVR6,#00H
MOVDISM5,#10
MOVDISM6,#10
;=========================================
;主循环程序开始
;=========================================
MLOOP:
ANJ1:
JBANJ,AD2
ACALLADC08
MOVA,ADCX;取转换结果
ACALLCUNCHU;调用存储的数据
MOVDISM4,#10
MOVDISM7,#11
ACALLKEY;应变数值显示
ACALLDISUP;调显示子程序
AJMPANJ1
AD2:
ACALLADC082
MOVA,ADCX;取转换结果
ACALLCUNCHU
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