1、重庆理工大学毕业论文 基于单片机的便携式振动仪设计编号 毕业设计（论文）题目 基于单片机的便携式振动仪设计 二级学院 电子信息与自动化学院 专 业 测控技术与仪器 班 级 110070302 学生姓名 叶宇强 学号 11007030231 指导教师 评阅教师 时 间 重庆理工大学毕业论文 基于单片机的便携式振动仪设计目录摘 要 .IAbstract.II1 绪 论 .11.1 课题的意义.11.2 国内外研究现状.21.3 本课题的研究内容和预期目标.32 便携式振动仪的总体方案设计 .53 硬件设计 .63.1 电源电路设计.63.2 传感器的选取.73.3 信号调理电路设计.93.4 A/
2、D 的选取.133.5 单片机的选取.143.6 LCD显示和键盘电路设计 .163.7 总体电路图.174 软件设计 .194.1 软件开发环境.194.2 主程序设计.194.3 LCD显示子程序 .205 系统仿真和测试结果 .236 结 论 .24致 谢 .25参考文献 .26附录 A 程序设计源程序.28文献综述 .34重庆理工大学毕业论文 基于单片机的便携式振动仪设计摘 要便携式振动测量仪是一种便携式机械振动测量仪器，能方便地测得振动加速度、速度等振动参数，可用来对旋转与往复式机器的振动进行可靠的定量评价，为机械设计与制造、军工、电力、设备管理、交通及环保部门对机器设备故障和老化信
3、号进行在线检测和监测，进行产品质量控制，进行振动试验测量和振动控制等工作提供了极大的方便。本文对目前国内外振动测量系统的发展状况进行了分析，对于存在的振动测量系统功能比较单一、携带不方便、价格昂贵等局限性，研制出了一种体积小、精度高、成本低、功能强的便携式振动仪。本便携式振动仪使用压电式传感器采集数据，测量指标是振动物体表面的加速度、速度和位移。系统采用锂电池供电，能够保证系统工作的稳定性和持续性；对于信号的调理，采用的是二阶压控电压源巴特沃斯高通滤波器，消除了干扰信号的同时保证了信号的频带宽度；在处理数据时，采用了硬件积分和软件算法相结合，提高了测量的精度的同时保证了测量的快速性。因此，通过
4、便携式测量仪的实际运用，在工业过程中的设备可以更安全、更可靠的被使用，而且保持对设备的实时监测，可以有效的防止设备损坏带来的安全隐患。关键词：振动 便携式 压电式传感器 检测 监测重庆理工大学毕业论文 基于单片机的便携式振动仪设计AbstractPortable vibration measuring instrument is a portable mechanical vibration measuring instruments, can be easily measured vibration acceleration, velocity and other parameters of
5、 vibration, the vibration can be used to rotate and reciprocating machines reliable quantitative evaluation of mechanical design and manufacturing, military, electricity, equipment management, transportation and environmental protection departments of equipment failure and aging signal line detectio
6、n and monitoring, product quality control, vibration measurement and vibration control tests and other work to provide a great convenience. In this paper,the current development situation of domestic and foreign vibration measurement system is analyzed, for existing vibration measurement system is r
7、elatively simple,portable inconvenient,expensive and other limitations, developed a small size, high accuracy, low cost, powerful, portable vibration analyzer.The meter data collection using a piezoelectric sensor, is a measure of the surface vibration acceleration, velocity and displacement.System
8、powered by lithium batteries,the system can guarantee the stability and continuity of the work;For signal conditioning, using a voltage-controlled voltage source Butterworth second order high-pass filter to eliminate the interference signal, while ensuring the width of the signal frequency;When proc
9、essing data, the use of hardware and software integration algorithms, and to improve the measurement accuracy while maintaining a rapid measurement.Therefore, the actual use of portable measuring instrument, equipment in industrial processes can be made more secure, and more reliable to be used, but
10、 also to maintain real-time monitoring of equipment, can effectively prevent equipment damage potential safety problems.Keywords: Vibration Portable Piezoelectric sensor detection monitoring重庆理工大学毕业论文 基于单片机的便携式振动仪设计01 绪 论1.1 课题的意义振动是指一个物理量在它的平均值附近不停地经过极大值和极小值而往复变化。振动是工程技术和日常生活中常见的一种现象。比如：旋转机械由于质量失衡以
11、及零部件破损在运动造成的振动；建筑受到地震或者阵风产生的振动等等。实际上，任何力学系统，任何机械、都会产生机械振动。机械振动是一种普遍存在的现象 1。机械振动在大多数情况下是有害的，它们会破坏机器正常工作的动载荷使机器加快失效，降低机器设备的使用寿命甚至导致破损，从而造成事故。同时，振动会产生噪声，从心理和生理方面危害人类的健康，因而振动被列为需要控制的公害。振动测量与分析技术的主要任务就是在于帮助人类清楚地认识振动现象，并因此而控制振动和利用振动。随着科学技术的发展，对各类机械的运转速度、承载能力、工作寿命等方面提出了越来越高的要求，同时，人们对振动所带来的危害的认识也越来越重视。因此，对振
12、动测量与分析技术的研究也就越来越深入 17。振动信号量一般是指振动位移、振动速度和振动加速度这三种量。三者之间存在确定的微分或积分关系，因此，从理论上看，只要知道其中一个信号量，便可以通过软件计算或硬件上的积分电路和微分电路得到其他两个运动量。振动信号量的测量，按振动信号转换后的形式可分为三类：机械测试法，光测法和电测法。目前广泛使用的是电测法，本论文中所设计的便携式测振仪就是基于电测法的原理对振动信号进行测量的。振动信号分析的任务就是对所测得的信号作进一步的分析，以获得各种工作状态下的振动特性，从而为技术人员做出论断提供可靠的依据。振动信号的分析可以分为时域分析，频域分析和时频域分析。工程实
13、践中，常常遇到复杂的周期和各种不规则振动，为了掌握它们包含哪些振动频率，以及各种振动频率的特征，从而分析振源，排除、避开或减小有害振动的影响，往往要研究振动与频率之间的关系，也就是进行频谱的分析。频谱分析能够得到各种频率上的幅值或能量大重庆理工大学毕业论文 基于单片机的便携式振动仪设计1小，反映机器设备的频率结构，从中可以了解机器设备各部分的工作情况，它为解决工程实践提供了许多有用的信息，所以得到了广泛的应用。振动信号是机械状态检测和诊断的基本信息来源，是机械运行状态信息的载体；振动信号分析是工程结构强度分析、机械状态检测和故障诊断的重要手段；对于某一特定的机械部件而言，它正常工作的时候会对应
14、着某一近似稳定的频率特性，而当机械部件发生结构或材料上的故障时，它的频率特性就要发生改变，这种频率特性的改变常被用来进行故障诊断。现代的工业生产系统，如电力、石化、冶金以及柔性制造等系统,由于设备群体广泛耦合，规模越来越大，各生产环节的联系也日益密切，形成了具有整体关联的生产链，并不断向高效、高速、大容量、高强度、系统化、自动化方向发展。与之相应的关键设备故障频繁停工损失及维修费用也大幅度上升。使用便携式振动测量仪能够有效的提高设备运行的安全性、可靠性、连续性，减少维护费用和生产费用。 目前许多振动测试系统已不能满足现场应用的要求。同时，随着机械设备测试诊断技术的发展，现有的振动测试系统，由于
15、速度慢、体积大、精度不高，越来越不适应野外检测的需求。所以具有更加便携式的智能化振动测试仪的发展成为一种必然。便携式振动测试仪不同于普通的振动测试仪，它采用数字处理方法和LCD数字显示，测量精度和测量稳定性都比较好，而且功能强大，能测量振动物体的加速度、速度以及位移，而且体积比较小，携带方便，在不同的工业现场都能使用，成本低，可以得到广泛的应用。1.2 国内外研究现状在20世纪60年代初，国外开始对旋转机械的振动机组、故障特点、提取振动信号和处理故障诊断信号进行了研究，逐步发展了许多旋转机械诊断故障的技术，常用的技术有波峰系数法、冲击脉冲法等。到了70年代，有的故障诊断仪器开始进入工程实用阶段
16、，如加拿大CSI仪器公司的CSI2115、CSI2400，美国亚特兰公司的M6000系列以及瑞典的SPM公司的SPM仪器系列。从 80年代开始，国内才开始对故障诊断技术进行研究，很多研究机构和高等学校对旋转机械的诊断技术和监测做了很多实验室研究以及故障分析，国内有了相似的故障诊断仪器产品堆出，但是功能上与客户的需求还是差距很大。如今，为了适应实际运用中的需求，大量的测振仪被开发出来，但国内对于便携式振动仪这一方面与国外仍然有着不小重庆理工大学毕业论文 基于单片机的便携式振动仪设计2的差距 2。在机械测量领域，便携式振动仪以体积小、便于携带、适用范围广、灵活性高、测量对象多的特点成为这个领域的主
17、力。经过几十年的发展，国外出现了不少测量振动的产品，有的性能比较优良，但是国内的振动测量仪大多还停留在低档产品阶段，因此，如何研制出功能多而且价格合理的便携式振动仪是现在我们解决的一个重要的问题。现在举出一些振动测试系统存在的缺点主要表现在：1)目前使用的测振系统对传感器信号大多采用模拟处理方法，仪器的测量精度、测量值稳定性和测量数据的可用性比较差。2)工作模式简单，往往只能测量某种数据或者对某种频谱进行分析，灵活性比较差，不能满足现场测试的基本要求。3)大多数的振动测量系统便携性比较差，体积大，不便于在工业现场灵活使用。 4)人机交换效果差，由于没有强劲的多媒体硬件支持，图像显示颜色单调，分
18、辨率低，单位面积信息表达量低，这个缺点大大截止了仪表的现场分析能力。5)上层软件支持少，上层软件不光要读取测量数据，还要对数据进行管理，绘制数据的模拟变化曲线，离线分析功能。这些都是老的仪表无法提供的。6)进口振动测试系统价格昂贵，不利于广泛应用。以上几点问题限制了振动测试系统在各个领域中的广泛应用。针对以上振动测试仪的缺点，国外和国内几家公司已经研制出比较好的振动测试仪，现举例如表1-1所示。随着电子技术和数字信号处理技术的迅猛发展，包括振动测试仪在内的仪器仪表工业正在经历着一场革新。通过使用新的技术和新的理论，仪器仪表正朝着便携式方向发展。在振动测试仪这一领域中，通过使用数字信号处理技术和
19、最新的芯片技术设计使功能更强大，成本更低廉，体积更小的智能便携式仪器是振动仪发展的趋势 3。1.3 本课题的研究内容和预期目标本论文设计的便携式振动仪是由压电式加速度传感器获得被测物体的振动加速度信号，通过传感器信号电缆将加速度电压信号送入便携式振动仪进行处理。重庆理工大学毕业论文 基于单片机的便携式振动仪设计3便携式测振仪可完成位移、速度、加速度信号的转换,电压信号的放大、滤波,电压信号的数字化,测量数据的显示。这样，便携机就基本上可以完成对振动的测量及简单的数据处理。便携机通过通讯电缆可以和计算机进行数据通讯，将测量的数据传入计算机进行二次处理，通过设计好的软件进行信号分析等工作，还可将数
20、据保存在数据库中，便于以后应用。设计的重点就是在保证测振仪的测量精度的前提下，降低整机的功耗，控制整个设备的价格。本系统还提供了与PC机通信的接口，从而为设备故障诊断提供了可靠的数据源 6。具体技术指标如下： 测量范围：加速度，0.1199.9m/s2； 速度，0.0119.99m/s；频率，10Hz10KHz ； 位移，0.0011.999mm；使用环境温度，-25+60 。 精度：(数值的5%)2 个字。表1-1 国内外振动仪产品对比厂家 型号 测量振幅范围 频率范围 其他特点 参考价格( 元)VM-63 便携式测振仪位移：0.001-1.999mm速度：0.01-19.99cm/s加速度
21、0.1-199.9m/s 210Hz-10KHz1Hz-5KHz(加速度档可选)8500VM-82 振动计位移：0.001-100mm速度：0.3-10001mm/s加速度：0.02-200m/s 23Hz-500Hz3Hz-1KHz3Hz-1KHzVM-63 的改进型:重320克9800日本理音公司VA-83便携式测振仪位移：0.03-1000mm速度：3-1000cm/s加速度：0.3-1000m/s 20.1Hz-100Hz0.1Hz-10KHz0.1Hz-100KHz可存储500组数据4500GZ-6A位移：0.001-10mm速度：0.001-10mm/s加速度：0.01-100m/
22、s 20.3Hz-15Hz 5000GZ-4B位移：0.3-1000mm速度：0.01-10mm/s加速度：0.3-50m/s 210Hz-10KHz 1800北京测振仪器厂BZ8701位移：0.001-1.999mm速度：0.01-19.99cm/s加速度：0.1-10Hz-10KHz1Hz-5KHz(加速度档可3500重庆理工大学毕业论文 基于单片机的便携式振动仪设计4199.9m/s2 选)2 便携式振动仪的总体方案设计本系统是一个便携式振动测试系统，需要考虑到成本、便携性、应用范围的限制，在保证测量精度的同时必须降低系统的功耗和保持各部分的紧凑性。系统硬件的总体结构框图如图2.1所示。
23、图2.1 系统总体结构框图由图可以看出系统可以简单概括为下列模块：1)电源管理模块包括基准电压的提供和充电单元，设计中所用的所有元器件都采用5V供电。2)传感器模块采用的是压电式加速度传感器把振动信号转换成电荷信号。3)信号调理模块包括电荷放大电路、滤波电路和积分电路（一次积分和二次积分） ，该模块将传感器转换成的微弱的电压信号放大，滤波，然后通过积分电路将加速度信号转换成速度和位移，其结构框图如图2.2所示。图2.2 信号调理模块结构框图4）A/D转换电路模块是将电压模拟信号转换成数字信号以便让单片机处理。5）单片机模块是系统的核心，本系统采用的是AT89C51单片机。重庆理工大学毕业论文
24、基于单片机的便携式振动仪设计56）LCD显示模块将测量结果通过显示屏直观的显示出来。 3 硬件设计3.1 电源电路设计随着工业规模的扩大以及适应不同工业现场的应用，便携式也就成了该系统解决的重要问题。如何设计一个高效而又轻便的电源系统，以降低功耗提高待机时间是值得考虑的问题。为了解决这个问题，本系统选择了单节离子电池供电，锂电池有着其他电池所不能比拟的优点：工作电压高、重量轻、体积小、能量高、安全快速充电、允许温度范围宽、放电电流小、无记忆效应、无环境污染等等，这些决定了它在便携式振动仪系统中的主流地位。锂离子电池的主要缺点是不允许过充电和过放电。为了防止锂离子电池过充电和过放电，单体电池或电
25、池组都必须加装冲、放电及过流保护电路，并且需要专用的充电器来对锂离子电池实施最安全和最佳充电，以延长其使用寿命。一节锂电池的电压上限是4.2V，下限是2.2V，而设计中采用的CPU、放大等元器件的工作电压一般都在5V，而且有些是采用 5V供电的。所以在DC/DC转换方面要做的工作有了两个方面：一个是将锂电池通过升压转化成+5V电压；二是将+5V电压转化成-5V电压。在DC/DC 转换方面采用了 MAXIM司生产的MAX1675。MAX1675具有效率、静态电流低、超小型MAX封装、噪声低等优点。可以输出3.3V、5V固电压或25.5V可调电压。输出电压的大小主要由反馈输入引脚 FB的不同接法定的，接电阻分压反馈，可输出25.5V可调电压；接地为 +5V输出；接OUT为+3.3V 输出。具体电路如图3.1所示。MAX1675包括一个低电池电压检测比较器，用于将检测到的信号与内部参电压(1.3V)比较，并通过输出端对电池充电进行实时控制。当LBI的电压低于内部参考电压时，LBO输出低电平，低电池监控的电压阈值通过R 1和R 2设定，R 2一般选择低于260K的数值，则R 1为：21VREFTIP(3-1)其中为充电下限，等于2.2V，VREF为1.3V。所以为了减小R 3和R 3上的功耗R 1和R 2的取值不应当太小，所以取R 2200K，此时 R1136K，由于锂离子池电
