傳感器(電機(jī)軸的偏心與震動系統(tǒng))設(shè)計報告張廷金

1、 南通大學(xué)課程設(shè)計報告 南通大學(xué) 傳感器與檢測技術(shù)課程設(shè)計設(shè)計報告 項 目： 電機(jī)軸偏心與振動檢測系統(tǒng) 班 級： 電132 姓 名： 張廷金 學(xué) 號： 1312021051 聯(lián)系方式：學(xué) 期： 2015-2016-2 前言 電機(jī)是工農(nóng)業(yè)及各行各業(yè)中使用最廣泛的動力設(shè)備，其種類繁多，數(shù)量極大，是電氣工作者在維修中涉及最多的電氣設(shè)備。維護(hù)好電機(jī)，使它處于良好的運(yùn)行狀態(tài)意義十分重大。尤其是自動生產(chǎn)線上的電動機(jī)，一旦出了故障，若不及時處理，會造成重大的經(jīng)濟(jì)損失；而發(fā)電機(jī)若發(fā)生故障造成停機(jī)，經(jīng)濟(jì)損失更大。因此，在故障發(fā)生之前進(jìn)行預(yù)報在電機(jī)的日常維護(hù)保養(yǎng)工作中至關(guān)重要。國內(nèi)外電機(jī)

2、維護(hù)的實踐證明，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術(shù)可以有效防止電機(jī)故障的發(fā)生，既減少了設(shè)備和人身的傷害，又降低了部件損耗，為實現(xiàn)節(jié)能降耗創(chuàng)造了條件，同時還可以保證生產(chǎn)均衡組織，提高作業(yè)率，獲取巨大的經(jīng)濟(jì)效益，也提高了電機(jī)的自動化控制水平。目前，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術(shù)已成為電機(jī)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的主要組成部分，所以研究電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測裝置的意義十分重大。電機(jī)設(shè)備一般工作連續(xù)性強(qiáng)且安全可靠性要求較高，在日常維護(hù)和安裝調(diào)試過程中，經(jīng)常會遇到因電機(jī)軸的竄動使電機(jī)無法可靠運(yùn)行。因此，對電機(jī)軸竄動量的在線監(jiān)測是電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的一項重要指標(biāo)。由于電機(jī)軸竄動的原因很多，僅憑耳聽，手摸的原始方法，已很難全面、準(zhǔn)

3、確的判斷電機(jī)軸的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。采用先進(jìn)的電機(jī)軸竄動在線監(jiān)測技術(shù)，通過掌握電機(jī)軸在一定時期的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，對其進(jìn)行分析，有利于電機(jī)維護(hù)人員在最合適的條件下有準(zhǔn)備的進(jìn)行停機(jī)與檢修電機(jī)，從而保證了電機(jī)的修理質(zhì)量，也減少了損失。 本設(shè)計將在前人研究的基礎(chǔ)上，利用電渦流傳感器作為測量器件，導(dǎo)出軸竄動的電壓信號，再應(yīng)用單片機(jī)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理最終開發(fā)一套電機(jī)軸振動在線監(jiān)測裝置。此在線監(jiān)測裝置在所采集的數(shù)據(jù)超出工業(yè)要求時會自動報警，讓電機(jī)維護(hù)人員及時采取相應(yīng)的操作，以達(dá)到電機(jī)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。 目錄緒論 1第1章 概述 11.1設(shè)計要求及背景 11.2設(shè)計目的 11.3設(shè)計原理 21.4 51單片機(jī)介紹 2

4、第二章 系統(tǒng)方案的設(shè)計 42.1 背景42.2 方案設(shè)計 4第三章 電機(jī)振動檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計63.1 傳感器的選型 63.2AD/DA芯片的選擇 83.3放大電路所用的芯片113.4分壓電路123.5系統(tǒng)框圖 13第四章 電動機(jī)振動檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計154.1 主程序 154.2電動機(jī)振動檢測子程序164.3顯示子程序 19第五章 電動機(jī)偏心軸檢測系統(tǒng)205.1硬件設(shè)計 205.2軟件設(shè)計21第6章 實驗結(jié)果處理分析.23第七章 總結(jié).25附錄一 參考書目.26附錄二 代碼.26緒論 本設(shè)計主要研究電機(jī)軸軸向徑向振動的檢測方法。首先提出對電機(jī)軸振動監(jiān)測的重要性，分析其軸向徑向振動的原因?？疾炝?/p>

5、目前電機(jī)軸振動監(jiān)測的手段和裝置的現(xiàn)狀，設(shè)計出了一套比較完善的在線監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)測量原理，考慮電機(jī)軸振動的頻率和特點，綜合考慮各種檢測系統(tǒng)的優(yōu)缺點，提出適合本系統(tǒng)的方案設(shè)計：采用非接觸性位移傳感器來作為測量器件，導(dǎo)出軸振動的電壓信號，分析此信號的特征，選用相匹配的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。由于本系統(tǒng)中有軸向和徑向兩路信號，需選擇相適應(yīng)的多路模擬開關(guān)，再把數(shù)據(jù)送單片機(jī)進(jìn)行處理，并進(jìn)行顯示，如果所采集的數(shù)據(jù)超出工業(yè)要求，系統(tǒng)會自動報警。系統(tǒng)的各種功能都由軟件來實現(xiàn)。軟件的設(shè)計包括主程序，定時中斷服務(wù)程序，數(shù)據(jù)的采集，顯示子程序，鍵盤子程序。第一章 概述1.1設(shè)計要求及背景 電機(jī)和所有的機(jī)器一樣，在運(yùn)行過程中有能量

6、、介質(zhì)、力、熱量、磨損等各種物理和化學(xué)參數(shù)的傳遞和變化，由此而產(chǎn)生各種各樣的信息。這些信息變化直接地反映出系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，而在正常運(yùn)行和出現(xiàn)異常時，信息變化規(guī)律是不一樣的，電機(jī)的診斷技術(shù)是根據(jù)電機(jī)運(yùn)行時不同的信息變化規(guī)律，即信息特征來判別電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)是否正常。電機(jī)故障診斷過程應(yīng)包括異常檢查、故障狀態(tài)和部位的診斷、故障類型和起因分析三部分。在這里我們主要是對電機(jī)軸軸向徑向竄動對電機(jī)的影響與檢測方法的研究。1.2設(shè)計目的1、掌握電渦流傳感器、壓電傳感器檢測系統(tǒng)的工作原理；2、掌握電機(jī)軸偏心與振動系統(tǒng)的一般設(shè)計方法；3、掌握電機(jī)軸偏心與檢測系統(tǒng)的性能指標(biāo)和調(diào)試方法。4、掌握51單片機(jī)的一些應(yīng)用。 1

7、.3設(shè)計原理通過分析，可確定需設(shè)計系統(tǒng)的電路原理框圖如下圖1.3.1所示：顯示頻率和幅值壓電傳感器渦流傳感器UA741運(yùn)放PCF8591傳感器 放大電路 濾波電路 AD轉(zhuǎn)換 51單片機(jī) 圖1.3.1 電機(jī)軸偏心與振動檢測系統(tǒng)原理框圖1.4 51單片機(jī)介紹 由于單片機(jī)技術(shù)在各個領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機(jī)。51單片機(jī)以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測控和自動化工程應(yīng)用的主要市場，成為國內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。 單片機(jī)的誕生標(biāo)志著計算機(jī)正式形成了通用計算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)兩個分支。通用計算機(jī)系統(tǒng)主要用于海

8、量高速數(shù)值運(yùn)算，不必兼顧控制功能，其數(shù)據(jù)總線的寬度不斷更新，從8位、16位迅速過渡到32位、64位，并且不斷提高運(yùn)算速度和完善通用操作系統(tǒng)，以突出其高速海量數(shù)值運(yùn)算的能力，在數(shù)據(jù)處理、模擬仿真、人工智能、圖像處理、多媒體、網(wǎng)絡(luò)通信中得到了廣泛應(yīng)用；單片機(jī)作為最典型的嵌入式系統(tǒng)，由于其微小的體積和極低的成本，廣泛應(yīng)用于家用電器、機(jī)器人、儀器儀表、工業(yè)控制單元、辦公自動化設(shè)備以及通信產(chǎn)品中，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的智能化工具。因此，單片機(jī)的出現(xiàn)大大促進(jìn)了現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，成為近代計算機(jī)技術(shù)發(fā)展史上一個重要里程碑。 由于51單片機(jī)集成了幾乎完善的中央處理單元，處理功能強(qiáng)，中央處理單元中集成

9、了方便靈活的專用寄存器，這給我們利用單片機(jī)提供了極大的便利。單片機(jī)把微型計算機(jī)的主要部件都集成在一塊芯片上，使得數(shù)據(jù)傳送距離大大縮短，運(yùn)行速度更快，可靠性更高，抗干擾能力更強(qiáng)。由于屬于芯片化的微型計算機(jī)，各功能部件在芯片中的布局和結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)化，工作也相對穩(wěn)定。51的優(yōu)點是價錢便宜,I/O口多,程序空間大。因此，測控系統(tǒng)中，使用51單片機(jī)是最理想的選擇。單片機(jī)屬于典型的嵌入式系統(tǒng)，所以它是低端控制系統(tǒng)最佳器件。單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境要求較低，軟件資源十分豐富，開發(fā)工具和語言也大大簡化。 目前的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)只能夠仿真單片機(jī)，卻沒有給用戶提供一個通用的最小系統(tǒng)。由設(shè)計的要求，只要做很小集成度的最小系統(tǒng)

10、應(yīng)用在一些小的控制單元。如圖1.4.1，其應(yīng)用特點是:（1）全部I/O口線均可供用戶使用。 （2）內(nèi)部存儲器容量有限（只有4KB地址空間）。 （3）應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性 圖1.4.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)上圖所示，其中有4個雙向的8位并行I/O端口，分別記作P0、P1、P2、P3，都可以用于數(shù)據(jù)的輸出和輸入，P3口具有第二功能為系統(tǒng)提供一些控制信號。時鐘電路用于產(chǎn)生51單片機(jī)工作所必須的時鐘控制信號，內(nèi)部電路在時鐘信號的控制下，嚴(yán)格地按時序指令工作。 51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該高增益反向放大器的輸入端為芯片的引腳XTAL1，輸出端為XTAL2。這兩個引腳跨

11、接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成了一個穩(wěn)定的自激振蕩器。電路中的微調(diào)電容通常選擇為30pF左右，該電容的大小會影響到振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶體的振蕩頻率為12MHz。 第二章 方案的設(shè)計2.1 背景隨著電機(jī)生產(chǎn)數(shù)量逐年增多，反映出的質(zhì)量問題也越來越多，其中主要是轉(zhuǎn)子軸向竄動量較大影響配套設(shè)備的正常使用，同時對電機(jī)自身軸承損壞也較大，因此對電機(jī)軸軸向和徑向竄動的檢測方法的研究意義十分重大。 另外，電機(jī)日益增多，生產(chǎn)過程也日趨復(fù)雜，對電機(jī)的一些重要和關(guān)鍵的部位和項目進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，可以獲得顯著的效益，具體說有一下幾個方面： 1) 減少突發(fā)事故

12、造成的停產(chǎn)損失； 2) 減少維修次數(shù)和維修成本； 3) 減少備件投資； 4) 提高作業(yè)率與設(shè)備服役壽命； 5) 可實現(xiàn)有計劃的停機(jī)檢查； 6) 減少人員傷亡； 7）優(yōu)化人員配置。2.2 方案設(shè)計 2.2.1系統(tǒng)研究目標(biāo)電機(jī)的振動的檢測系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，位移傳感器、PCF8591模/數(shù)轉(zhuǎn)換器及外圍電路組成。位移傳感器采用的是壓電傳感器，傳感器導(dǎo)出軸振動的電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。所有測量操作均由單片機(jī)控制軟件來完成。系統(tǒng)可以檢測位移傳感器的輸出信號。檢測人員可以

13、根據(jù)數(shù)碼顯示實時監(jiān)控到電機(jī)軸軸向和徑向振動的情況，工作人員根據(jù)實際的要求可以采取相應(yīng)措施。2.2.2 測量方法的選擇對電機(jī)來說，振動適用的主要頻率范圍是中頻，通常把振動速度作為電機(jī)振動是否正常的評估量。但根據(jù)本系統(tǒng)特征，考慮電機(jī)軸竄動的頻率，決定采用位移傳感器來作為測量元件。設(shè)計流程框圖如下圖2.2.1所示。 單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換濾波電路，分壓電路放大電路壓電傳感器顯示 圖2.2.1 振動檢測流程框圖2.2.3數(shù)據(jù)的獲取與處理2.2.3.1數(shù)據(jù)的采樣在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，必須把現(xiàn)場的各種測試參數(shù)轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可識別的數(shù)字量輸入計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理結(jié)果又必須轉(zhuǎn)換為電

14、壓或電流，以推動執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。因此，模擬信號的數(shù)字化處理在計算機(jī)控制、數(shù)字信號處理和數(shù)字通信等領(lǐng)域中占有極為重要的地位。通常模擬信號都是連續(xù)變化的，是時間的函數(shù)。通過采樣以后，將信號轉(zhuǎn)化為時間上離散的值。通常我們在工程上選擇采樣頻率的基本原則是:在滿足系統(tǒng)性能的前提下，盡可能選擇較低的采樣頻率。對大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程中的物理量的控制，采樣周期的選擇可以按表1所列數(shù)據(jù)作為參考，再經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試最后確定采樣周期。2.2.3.2數(shù)據(jù)的處理在此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)信號首先經(jīng)過功率放大器，將微弱信號轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)信號，在濾波器的作用下，盡量剔除混入原始信號中的干擾部分，在采樣、保持脈沖的作用下，將信號暫時保存起來

15、，在多路開關(guān)的作用下進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。1）功率放大器 模擬量輸入通道中的放大器主要用來提高輸入信號的信噪比及采樣數(shù)據(jù)的精度，同時滿足A/D轉(zhuǎn)換器規(guī)定的量程輸入。常用的放大器有四種類型:通用運(yùn)算放大器、儀用放大器、隔離放大器和可編程放大器。一般在滿足電氣特性的前提下，盡可能選用價格低廉、貨源充足的電子元器件。 2）濾波器 測量信號被放大的同時，混雜在其中的噪聲和干擾信號也被放大。濾波器可以用來突出有用信號而削弱其他信號。不同信號往往具有不同的頻率，因此濾波通常用具有頻率選擇特性的電路來實現(xiàn)。常用的濾波器有一階低通、二階低通和高通濾波器。在實際應(yīng)用中，先要仔細(xì)分析有用

16、信號和雜散信號的頻率關(guān)系，再來選擇合適的濾波電路。3）模數(shù)轉(zhuǎn)換器 數(shù)據(jù)采集是各種智能儀表、工控系統(tǒng)、科學(xué)試驗等工作中必不可少的任務(wù)，它是將實時變化的各種物理量如溫度、壓力、流量等先經(jīng)過各種傳感器和變換器變成電壓或電流信號，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(以下簡稱A/D)變成數(shù)字信號，送到單片機(jī)或微機(jī)進(jìn)行運(yùn)算、顯示、打印、控制等處理。A/D轉(zhuǎn)換電路是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，它將采樣獲得的連續(xù)電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。第三章 電機(jī)振動檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1傳感器的選型 3.1.1壓電傳感器 1. 壓電傳感器的工作原理 原理是：某些物質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃螘r，在一定表

17、面上將產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為 壓電效應(yīng) 。壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指：當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時,內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。逆壓電效應(yīng)是指對晶體施加交變電場引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象，又稱電致伸縮效應(yīng)。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型 5種

18、基本形式。2.選型壓電傳感器類型眾多，用到的壓電材料眾多，可分為壓電單晶壓電多晶和有機(jī)壓電材料，用的最多的是壓電多晶的各類壓電陶瓷和壓電多晶中的石英晶體，其他區(qū)壓電單晶還有適用于高溫輻射環(huán)境中的鈮酸鋰以及鎵酸鋰等，這種的若損壞扔掉會嚴(yán)重污染環(huán)境。有機(jī)壓電材料有聚二氟乙烯。聚氟乙烯、尼龍等10余種高分子材料，污染也比較嚴(yán)重，所以考慮到環(huán)保因素與經(jīng)濟(jì)性，最終選擇MiniSense 100 壓電振動傳感器。3.本次實驗所采用的傳感器是MiniSense 100 壓電振動傳感器。它有以下幾個優(yōu)點：1）高靈敏度 2）良好的頻率響應(yīng) 3）優(yōu)良的線性度 4）自屏蔽結(jié)構(gòu) 5）模擬型號輸出 6）耐高沖擊4.Mi

19、niSense 100是一款采用懸臂梁結(jié)構(gòu)的低成本的振動傳感器，通過在尾部加載一個質(zhì)量塊能在低頻下產(chǎn)生很高的靈敏度。其插針結(jié)構(gòu)易于安裝和焊接，水平安裝和垂直安裝的可選擇性適合于不同的高度。傳感器工作區(qū)域采用自屏蔽結(jié)構(gòu)，能有效地防護(hù)RFI/EMI。柔性PVDF 的一端固定，另一端懸空，使其能經(jīng)受高頻的沖擊載荷。傳感器有良好的線性度和動態(tài)測量范圍，可以用來監(jiān)測連續(xù)振動和沖擊。 質(zhì)量塊的重量可根據(jù)頻率響應(yīng)和靈敏度來調(diào)節(jié)。5.特性 . 高的電壓靈敏度（1V/g） . 諧振時電壓靈敏度為5V/g . 可水平和垂直安裝 . 自屏蔽結(jié)構(gòu) . 可焊接插針，PCB固定 . 低成本 . 線性度小于1% . 可在4

20、0Hz（2,400rpm）下工作6.性能參數(shù)（25攝氏度）參數(shù)典型值單位 電壓靈敏度（開路電壓，基線）1.1V/g 電荷靈敏度（基線）260pC/g 諧振頻率75Hz 電壓靈敏度（開路電壓，諧振點）6V/g 上限頻率（+3dB）42Hz 線性度±1% 電容244pF 耗散系數(shù)0.018(none) 慣性質(zhì)量0.3gram3.1.2本次實驗所用的壓電傳感器實物圖如下圖3.1.1：圖3.1.1 壓電傳感器實物圖3.2 AD/DA芯片的選擇3.2.1 PCF8591AD/DA芯片簡介本次設(shè)計所采用的芯片是PCF85911.PCF8591是單片、單電源低功耗8位CMOS數(shù)據(jù)采集器件，具有4個

21、模擬輸入、一個輸出和一個串行I2C總線接口。3個地址引腳A0、A1和A2用于編程硬件地址，允許將最多8個器件連接至I2C總線而不需要額外硬件。器件地址、控制和數(shù)據(jù)通道通過兩線雙向I2C總線傳輸。 器件功能包括多路復(fù)用模擬量輸入、片上跟蹤和保持功能、8位模數(shù)轉(zhuǎn)換和8位數(shù)模轉(zhuǎn)換。最大轉(zhuǎn)換速率取決于I2C總線的最高速率。2.引腳說明 AIN0AIN3：模擬信號輸入端。  A0A2：引腳地址端。 VDD、VSS：電源端。（2.56V） SDA、SCL：I2C 總線的數(shù)據(jù)線、時鐘線。 OSC：外部時鐘輸入端，內(nèi)部時鐘輸出端。 

22、;EXT：內(nèi)部、外部時鐘選擇線，使用內(nèi)部時鐘時 EXT 接地。 AGND：模擬信號地。 AOUT：D/A 轉(zhuǎn)換輸出端。 VREF：基準(zhǔn)電源端。3.地址：I2C總線系統(tǒng)中的每一片PCF8591通過發(fā)送有效地址到該器件來激活。該地址包括固定部分和可編程部分?？删幊滩糠直仨毟鶕?jù)地址引腳A0、A1和A2來設(shè)置。在I2C總線協(xié)議中地址必須是起始條件后作為第一個字節(jié)發(fā)送。地址字節(jié)的最后一位是用于設(shè)置以后數(shù)據(jù)傳輸方向的讀/寫位。（見下圖3.2.1） 圖 3.2.1 地址字節(jié)由圖可知，本實驗中讀地址為91H,寫地址為90H。4.控制字：發(fā)送到PCF8

23、591的第二個字節(jié)將被存儲在控制寄存器，用于控制器件功能（PCF8591芯片的輸入方式，輸入通道，DA轉(zhuǎn)換）。具體控制字節(jié)如下表：控制寄存器的高板字節(jié)用于允許模擬輸出，和將模擬輸入編程為單端過查分輸入。低半字節(jié)選擇一個有高板字節(jié)定義的模擬輸入通道。如果自動增量標(biāo)志置 1，每次A/D轉(zhuǎn)換后通道號將自動增加。5.D/A轉(zhuǎn)換：發(fā)送給PCF8591的第三個字節(jié)被存儲到DAC數(shù)據(jù)寄存器，并使用片上D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬電壓。這個D/A轉(zhuǎn)換器由連接至外部參考電壓的具有256個接頭的電阻分壓電路和選擇開關(guān)組成。模擬輸出電壓由自動清零單位增益放大器緩沖。這個緩沖放大器可通過設(shè)置控制寄存器的模擬輸出允許標(biāo)

24、志來開戶或關(guān)閉。在激活狀態(tài)，輸出電壓保持到新的數(shù)據(jù)字節(jié)被發(fā)送。本實驗用不到。 6.A/D轉(zhuǎn)換：A/D轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近轉(zhuǎn)換技術(shù)。在A/D轉(zhuǎn)換周期將來臨時片上D/A抓換器和高增益比較器。一個A/D轉(zhuǎn)換周期總是開始于發(fā)送一個有效讀模式地址給PCF8591之后。A/D轉(zhuǎn)換周期在應(yīng)答時鐘脈沖的后沿被觸發(fā)，并在傳輸前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果時執(zhí)行。一旦一個轉(zhuǎn)換周期被觸發(fā)，所選通道的輸入電壓采樣將保存到芯片被轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的8為二進(jìn)制碼。7.通信格式：3.2.2 PCF8591與51單片機(jī)的接法，見下圖3.2.2 圖3.2.2 PCF8591與單片機(jī)接法如上圖，AD轉(zhuǎn)換傳輸數(shù)據(jù)是通過I2C總線來實現(xiàn)的，pcf8

25、591的SCL接單片機(jī)的P1.0,SDA接單片機(jī)的P1.1,注意I2C總線上的2條信號線要接上拉電阻，具體怎么傳輸數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理由軟件實現(xiàn)，將在下面介紹中說明。3.3放大電路所用的芯片傳感器檢測出的信號，一般是比較微弱的信號，不能直接用來顯示、記錄、控制或進(jìn)行測試。因此，需將信號放大到伏特級。本次實驗采用的芯片是UA741，它是高增益運(yùn)算放大器，用于軍事，工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用.這類單片硅集成電路器件提供輸出短路保護(hù)和閉鎖自由運(yùn)作。UA741價格便宜，而且不會造成什么污染，所以選它作為運(yùn)放芯片。1.UA741 芯片引腳和工作說明： 1和5為偏置(調(diào)零端)，2為正向輸入端，3為反向輸入端，4接

26、地，6為輸出，7接電源 8空腳 圖 3.3.1 UA741運(yùn)放內(nèi)部圖2.傳感器檢測出的信號，一般是比較微弱的信號，因此本實驗用UA741和電阻組成放大電路將傳感器檢測出的信號放大，放大電路如下圖3.3.2： RfUA741 R1 12V 2 8 R2 3 6 ui 3 4 uo 圖3.3.2 放大電路接線圖 其中，R2=R1/Rf, uo=(1+Rf/R1)ui,由于壓電傳感器的輸出電壓最大是150mv,所以需要放大100倍，可設(shè)R1=1k歐，Rf=100k歐，放大倍數(shù)為101倍，約等于100倍，放大后的輸出電壓最大可達(dá)到15V，這顯然是不行的，因此要用分壓電路將電壓縮小，

27、再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。3.4分壓電路由于通過放大電路后得到的電壓大于5V，而單片機(jī)的最大電壓是5V,所以，如果大于5V的話，會燒壞單片機(jī)。因此，需要將電壓縮小在5V以內(nèi)。方案一：放大電路后接一反相電路，使電壓成比例縮小在所需的范圍內(nèi)，此時電壓是負(fù)的，再接一反相器，使電壓為正的。方案二：電阻分壓電路分壓電路是最簡單的一種，因此本實驗采用方案二，其實就是一種電阻串聯(lián)分壓的電路，電路圖如下： 運(yùn)放 6 R3 R4PCF8591圖3.4.1 電阻串聯(lián)分壓電路圖3.5由上面分析的幾種硬件和電路圖可得系統(tǒng)框圖：單片機(jī)壓電傳感器器AD轉(zhuǎn)換低通濾波 +電阻分壓電 路 運(yùn)放 -輸出：頻率f 幅值圖3.5.1 系統(tǒng)框圖

28、第四章 電機(jī)振動檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)的正常運(yùn)作必須由軟件來控制，各種功能的實現(xiàn)也由軟件來完成。軟件的設(shè)計可以分為以下模塊：主程序,  電機(jī)軸竄動檢測子程序, 顯示子程序。下面就各個模塊的功能及流程圖分別作以下介紹。 4.1主程序 電渦流傳感器檢測到的信號經(jīng)過放大電路，濾波電路后，再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，對51單片機(jī)進(jìn)行編程，把數(shù)字量通過數(shù)碼管顯示出來，如果電動機(jī)的振動太嚴(yán)重，則啟動報警裝置，開始發(fā)出燈光、音響信號。開始初始化 AD轉(zhuǎn)化 振動在正常范圍內(nèi) 否 是顯示頻率及幅值報警裝置結(jié)束4.2電機(jī)軸振動檢測子程序電機(jī)軸竄動檢測子程序主要是對電機(jī)軸竄動位

29、移量的檢測。主要實現(xiàn)如下功能：啟動A/D轉(zhuǎn)換對傳感器導(dǎo)出的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，選擇通道，兩路循環(huán)檢測一遍，將結(jié)果處理后送顯示緩沖區(qū)，如果結(jié)果越過報警限系統(tǒng)自動報警。為了保證數(shù)據(jù)的精度，而且每次數(shù)據(jù)的顯示沒有明顯偏大或偏小的。這樣不能采用中值濾波法，從濾波效果與濾波時間上來綜合考慮本系統(tǒng)采用算術(shù)平均濾波法。 這種濾波法是把N個采樣值相加，然后取其算術(shù)平均值作為本次采樣值，由公式（5）可知，這種濾波效果與所選擇采用次數(shù)N有關(guān)，N越大，則濾波效果越好，但所花費(fèi)的時間越長。所以根據(jù)系統(tǒng)特點和A/D轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換速度，這里N取4次。 同時此程序還完成對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)度變換。因為

30、為了顯示、打印、記錄以及報警等，必須把這些數(shù)字量轉(zhuǎn)換成位移的單位，以便操作人員對測量過程進(jìn)行監(jiān)視和管理。電機(jī)軸竄動檢測子程序如圖27所示。開始啟動AD轉(zhuǎn)換等待轉(zhuǎn)換結(jié)束轉(zhuǎn)換結(jié)果除4并累加4次到保持平均值越限報警標(biāo)度變換 N轉(zhuǎn)為BCD碼送顯示緩沖區(qū) Y（R1）+1=03H N Y#00H送R1返回 圖274.3顯示子程序顯示子程序功能完成竄動位移量與通道號的顯示。本系統(tǒng)工作時，先取一位要顯示的數(shù)（十六進(jìn)制數(shù)），利用軟件譯碼的方法求出待顯示數(shù)對應(yīng)的段碼，送至8155的A口，然后再將位碼送至8155C口，于是選中的顯示器點亮。若見個各位從左至右依次進(jìn)行顯示，每位數(shù)碼管顯示3ms5ms，顯示完最后一位后

31、，再重復(fù)上述過程，則可得到連續(xù)的顯示結(jié)果。顯示子程序如圖29所示。開始R0：顯示首址R2：最左位選碼向DPTR加載LED字型碼表取顯示數(shù)據(jù)查表取段碼R0+1R2右移段碼送A口位碼送C口延時35ms6位顯示完 N Y結(jié)束 圖29第五章 電機(jī)偏心軸檢測系統(tǒng)5.1硬件設(shè)計5.1.1傳感器選擇 本次實驗所選用的傳感器是渦流傳感器 1.基本原理電渦流效應(yīng)：電感線圈產(chǎn)生的磁力線經(jīng)過金屬導(dǎo)體時，金屬導(dǎo)體就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，且呈閉合回路，類似于水渦流形狀，故稱之為電渦流也叫做電渦流效應(yīng)，其實是電磁感應(yīng)原理的延伸。 注意：電渦流傳感器要求被測體必須是導(dǎo)體。 傳感器探頭里有小型線圈，由控制器控制

32、產(chǎn)生震蕩電磁場，當(dāng)接近被測體時，被測體表面會產(chǎn)生感應(yīng)電流，而產(chǎn)生反向的電磁場。這時電渦流傳感器根據(jù)反向電磁場的強(qiáng)度來判斷與被測體之間的距離。 傳感器線圈由高頻信號激勵，使它產(chǎn)生一個高頻交變磁場i，當(dāng)被測導(dǎo)體靠近線圈時，在磁場作用范圍的導(dǎo)體表層，產(chǎn)生了與此磁場相交鏈的電渦流ie，而此電渦流又將產(chǎn)生一交變磁場e阻礙外磁場的變化。從能量角度來看，在被測導(dǎo)體內(nèi)存在著電渦流損耗（當(dāng)頻率較高時，忽略磁損耗）。能量損耗使傳感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此當(dāng)被測體與傳感器間的距離d改變時，傳感器的Q值和等效阻抗Z、電感L均發(fā)生變化，于是把位移量轉(zhuǎn)換成電量。這便是電渦流傳感器的基本原理 2.原理圖5.1.1反向

33、磁場被測體電渦流探頭 產(chǎn)生磁場 線圈 圖5.1.1 渦流傳感器原理圖 3.實物如圖5.1.2圖5.1.2 渦流傳感器實物圖5.1.2 PCF8591AD/DA芯片和前面介紹的一樣，在此不再贅述。5.1.3實驗板本次實驗所用的實驗板是振蕩電路、檢測電路、放大電路這幾個電路結(jié)合在一起的，功能比較強(qiáng)大，下面根據(jù)實驗板進(jìn)行電路的分析。1.實物如圖5.1.3圖5.1.3 實驗板實物圖2.由上圖可看出放大電路用的是三極管和電阻組成的一個放大電路，原理和前面介紹的UA741類似，用渦流傳感器時，同樣，要先測出經(jīng)過放大電路過后的輸出電壓范圍，若超過5V，則需進(jìn)行將電壓縮小到5V以內(nèi)，用電阻串聯(lián)的分壓電路最為簡

34、單，也最經(jīng)濟(jì)。5.1.4分壓電路和3.4中的一樣，在此不再贅述。5.1.5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖：由以上幾部分的介紹與分析，可的下面的結(jié)構(gòu)框圖5.1.4：單片機(jī)PCF8591實驗板渦流傳感器輸出頻率與幅值圖5.1.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖5.2軟件設(shè)計軟件設(shè)計部分主要是AD轉(zhuǎn)換部分還有轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)處理部分，和前面振動檢測部分的軟件設(shè)計類似，是要放在一起處理的，AD轉(zhuǎn)換部分的程序和前面基本一樣，但編程要注意單片機(jī)從I2C總線讀地址和寫地址還有控制字節(jié)是不一樣的，具體可看前面PCF8591的介紹和第三章中的詳細(xì)介紹，在此不再贅述。 第六章 實驗結(jié)果處理分析1.按以上的分析接好線，如下圖6.1.1：圖6.1.1 接

35、線圖2.用萬用表測出最后經(jīng)過分壓電路后的電壓在5V以內(nèi)，然后接單片機(jī)，用電腦給單片機(jī)供電，如下圖6.1.2： 圖 6.1.2 接單片機(jī)后硬件圖3.用萬用表測量最后的輸出電壓，并且觀察2者示數(shù)是否相同，如下圖6.1.3：圖6.1.3 系統(tǒng)接線圖二者示數(shù)差不多，符合實驗要求，根據(jù)電壓值，判斷電機(jī)振動是否超出正常運(yùn)行的范圍，以此來檢測電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。 第七章 總結(jié)這次的課程設(shè)計主要是針對電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測而研究的。本次設(shè)計首先介紹了電機(jī)軸偏心與振動產(chǎn)生的原因，并由此引出電機(jī)軸軸向徑向位移檢測進(jìn)行的必要性。此檢測裝置是基于電渦流傳感器，由單片機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能對電機(jī)軸軸向徑向振動進(jìn)行有效

36、的監(jiān)測。本設(shè)計中重點介紹了此檢測系統(tǒng)所采用的硬件部分，最后還對實現(xiàn)各種功能的軟件進(jìn)行了簡要介紹。本系統(tǒng)的特點也是優(yōu)點就是利用數(shù)碼管顯示電機(jī)軸振動的情況，這樣就很直觀、清晰，便于管理人員的查看。另外，此系統(tǒng)速度快，準(zhǔn)確度高，對現(xiàn)場工作人員技術(shù)水平的要求也不是太高，這都是其它裝置無法比擬的地方。當(dāng)然，由于各方面因素的制約，系統(tǒng)目前還不是很完美，還需對其進(jìn)行實驗調(diào)試進(jìn)一步完善。通過本次課程設(shè)計還是學(xué)到了好多，掌握了壓電傳感器和渦流傳感器的基本用法，還有就是使用PCF8591AD/DA轉(zhuǎn)換芯片更加得心應(yīng)手，以前單片機(jī)課程設(shè)計時用過這個芯片，也是因為以前單片機(jī)課程設(shè)計時做的比較認(rèn)真，此次單片機(jī)軟件部分不

37、是很難。以前覺得放大電路好難呀，好多的放大電路，此次課程設(shè)計查了相關(guān)資料后，對幾種放大電路有了進(jìn)一步的了解，在進(jìn)行電路設(shè)計時也運(yùn)用到了，學(xué)到這么多的知識還是很開心的，學(xué)無止境，不管到什么時候都不要忘記學(xué)習(xí)。附錄一 參考書目1.電路與電子技術(shù)實驗教程 堵俊 主編2. 單片機(jī)原理及應(yīng)用（第二版） 張毅剛 彭喜元 彭宇 編著附錄二 代碼ACK BIT 20H.0SCL BIT P1.0 SDA BIT P1.1 WADD EQU 21H SUBD EQU 22HNUMBR EQU 23HNUMBW EQU 24H RDATA EQU 25H WDATA EQU 26H ORG 0000H SJMP

38、MAIN ORG 0030H MAIN: MOV WADD,#90H MOV P0,#0FFH MOV P2,#00H MOV SUBD,#40H MOV NUMBR,#1MOV NUMBW,#1MOV RDATA,#30HMOV WDATA,#40HMOV 50H,#0 MOV 51H,#0 MOV 52H,#0MOV 53H,#0M1: LCALL READI2C MOV 40H,30H MOV NUMBR,#1 MOV NUMBW,#1 LCALL DAT LCALL DISPLAY SJMP M1 DAT: MOV A,30H CLR CSUBB A,#94JNC LOOP1MOV A

39、,30HCLR CSUBB A,#89JNC LOOP6MOV A,30HCLR CSUBB A,#80JNC LOOP5MOV A,30HCLR CSUBB A,#42JNC LOOP4MOV A,30HCLR CSUBB A,#39JNC LOOP4MOV A,30HCLR CSUBB A,#32JNC LOOP5MOV A,30HCLR CSUBB A,#29JNC LOOP6MOV A,30HCLR CSUBB A,#21MOV B,#10DIV AB MOV 50H,A MOV 51H,BLJMP D1LOOP1:MOV P3,#00HMOV A,30HMOV B,#2DIV ABCLR CSUBB A,#7MOV B,#10DIV ABMOV 50H,AMOV 51H,BMOV 52H,#5BHLJMP D1LOOP4:MOV A,30HMOV B,#2DIV ABCLR CSUBB A,#5MOV B,#10DIV ABMOV 50H,AMOV 51H,BMOV 52H,#07HLJMP D1LOOP5:MOV A,30HMOV B,#2DIV ABCLR CSUBB A,#6MOV B,#10DIV ABMOV 50H,