基于單片機(jī)的便攜式振動(dòng)儀設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

.Word資料畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目基于單片機(jī)的便攜式振動(dòng)儀設(shè)計(jì)Word資料目錄 TOC\o"1-2"\h\u24043摘要 I32412Abstract II222111緒論 159671.1課題的意義 1213971.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2230891.3本課題的研究內(nèi)容和預(yù)期目標(biāo) 3134462便攜式振動(dòng)儀的總體方案設(shè)計(jì) 5147833硬件設(shè)計(jì) 644413.1電源電路設(shè)計(jì) 6104693.2傳感器的選取 7191083.3信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 986893.4A/D的選取 13177533.5單片機(jī)的選取 146123.6LCD顯示和鍵盤電路設(shè)計(jì) 16112423.7總體電路圖 17189634軟件設(shè)計(jì) 19105874.1軟件開發(fā)環(huán)境 191084.2主程序設(shè)計(jì) 19301934.3LCD顯示子程序 20227575系統(tǒng)仿真和測(cè)試結(jié)果 2326706結(jié)論 2414299致謝 2513801參考文獻(xiàn) 26877附錄A程序設(shè)計(jì)源程序 2829647文獻(xiàn)綜述 34Word資料摘要便攜式振動(dòng)測(cè)量儀是一種便攜式機(jī)械振動(dòng)測(cè)量儀器，能方便地測(cè)得振動(dòng)加速度、速度等振動(dòng)參數(shù)，可用來對(duì)旋轉(zhuǎn)與往復(fù)式機(jī)器的振動(dòng)進(jìn)行可靠的定量評(píng)價(jià)，為機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、軍工、電力、設(shè)備管理、交通及環(huán)保部門對(duì)機(jī)器設(shè)備故障和老化信號(hào)進(jìn)行在線檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制，進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)量和振動(dòng)控制等工作提供了極大的方便。本文對(duì)目前國內(nèi)外振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了分析，對(duì)于存在的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)功能比較單一、攜帶不方便、價(jià)格昂貴等局限性，研制出了一種體積小、精度高、成本低、功能強(qiáng)的便攜式振動(dòng)儀。本便攜式振動(dòng)儀使用壓電式傳感器采集數(shù)據(jù)，測(cè)量指標(biāo)是振動(dòng)物體表面的加速度、速度和位移。系統(tǒng)采用鋰電池供電，能夠保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和持續(xù)性；對(duì)于信號(hào)的調(diào)理，采用的是二階壓控電壓源巴特沃斯高通濾波器，消除了干擾信號(hào)的同時(shí)保證了信號(hào)的頻帶寬度；在處理數(shù)據(jù)時(shí)，采用了硬件積分和軟件算法相結(jié)合，提高了測(cè)量的精度的同時(shí)保證了測(cè)量的快速性。因此，通過便攜式測(cè)量儀的實(shí)際運(yùn)用，在工業(yè)過程中的設(shè)備可以更安全、更可靠的被使用，而且保持對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以有效的防止設(shè)備損壞帶來的安全隱患。關(guān)鍵詞：振動(dòng)便攜式壓電式傳感器檢測(cè)監(jiān)測(cè)Word資料AbstractPortablevibrationmeasuringinstrumentisaportablemechanicalvibrationmeasuringinstruments,canbeeasilymeasuredvibrationacceleration,velocityandotherparametersofvibration,thevibrationcanbeusedtorotateandreciprocatingmachinesreliablequantitativeevaluationofmechanicaldesignandmanufacturing,military,electricity,equipmentmanagement,transportationandenvironmentalprotectiondepartmentsofequipmentfailureandagingsignallinedetectionandmonitoring,productqualitycontrol,vibrationmeasurementandvibrationcontroltestsandotherworktoprovideagreatconvenience.Inthispaper,thecurrentdevelopmentsituationofdomesticandforeignvibrationmeasurementsystemisanalyzed,forexistingvibrationmeasurementsystemisrelativelysimple,portableinconvenient,expensiveandotherlimitations,developedasmallsize,highaccuracy,lowcost,powerful,portablevibrationanalyzer.Themeterdatacollectionusingapiezoelectricsensor,isameasureofthesurfacevibrationacceleration,velocityanddisplacement.Systempoweredbylithiumbatteries,thesystemcanguaranteethestabilityandcontinuityofthework;Forsignalconditioning,usingavoltage-controlledvoltagesourceButterworthsecondorderhigh-passfiltertoeliminatetheinterferencesignal,whileensuringthewidthofthesignalfrequency;Whenprocessingdata,theuseofhardwareandsoftwareintegrationalgorithms,andtoimprovethemeasurementaccuracywhilemaintainingarapidmeasurement.Therefore,theactualuseofportablemeasuringinstrument,equipmentinindustrialprocessescanbemademoresecure,andmorereliabletobeused,butalsotomaintainreal-timemonitoringofequipment,caneffectivelypreventequipmentdamagepotentialsafetyproblems.Keywords:VibrationPortablePiezoelectricsensordetectionmonitoringWord資料1緒論1.1課題的意義振動(dòng)是指一個(gè)物理量在它的平均值附近不停地經(jīng)過極大值和極小值而往復(fù)變化。振動(dòng)是工程技術(shù)和日常生活中常見的一種現(xiàn)象。比如：旋轉(zhuǎn)機(jī)械由于質(zhì)量失衡以及零部件破損在運(yùn)動(dòng)造成的振動(dòng)；建筑受到地震或者陣風(fēng)產(chǎn)生的振動(dòng)等等。實(shí)際上，任何力學(xué)系統(tǒng)，任何機(jī)械、都會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)是一種普遍存在的現(xiàn)象[1]。機(jī)械振動(dòng)在大多數(shù)情況下是有害的，它們會(huì)破壞機(jī)器正常工作的動(dòng)載荷使機(jī)器加快失效，降低機(jī)器設(shè)備的使用壽命甚至導(dǎo)致破損，從而造成事故。同時(shí)，振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲，從心理和生理方面危害人類的健康，因而振動(dòng)被列為需要控制的公害。振動(dòng)測(cè)量與分析技術(shù)的主要任務(wù)就是在于幫助人類清楚地認(rèn)識(shí)振動(dòng)現(xiàn)象，并因此而控制振動(dòng)和利用振動(dòng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)各類機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)速度、承載能力、工作壽命等方面提出了越來越高的要求，同時(shí)，人們對(duì)振動(dòng)所帶來的危害的認(rèn)識(shí)也越來越重視。因此，對(duì)振動(dòng)測(cè)量與分析技術(shù)的研究也就越來越深入[17]。振動(dòng)信號(hào)量一般是指振動(dòng)位移、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度這三種量。三者之間存在確定的微分或積分關(guān)系，因此，從理論上看，只要知道其中一個(gè)信號(hào)量，便可以通過軟件計(jì)算或硬件上的積分電路和微分電路得到其他兩個(gè)運(yùn)動(dòng)量。振動(dòng)信號(hào)量的測(cè)量，按振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換后的形式可分為三類：機(jī)械測(cè)試法，光測(cè)法和電測(cè)法。目前廣泛使用的是電測(cè)法，本論文中所設(shè)計(jì)的便攜式測(cè)振儀就是基于電測(cè)法的原理對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的。振動(dòng)信號(hào)分析的任務(wù)就是對(duì)所測(cè)得的信號(hào)作進(jìn)一步的分析，以獲得各種工作狀態(tài)下的振動(dòng)特性，從而為技術(shù)人員做出論斷提供可靠的依據(jù)。振動(dòng)信號(hào)的分析可以分為時(shí)域分析，頻域分析和時(shí)頻域分析。工程實(shí)踐中，常常遇到復(fù)雜的周期和各種不規(guī)則振動(dòng)，為了掌握它們包含哪些振動(dòng)頻率，以及各種振動(dòng)頻率的特征，從而分析振源，排除、避開或減小有害振動(dòng)的影響，往往要研究振動(dòng)與頻率之間的關(guān)系，也就是進(jìn)行頻譜的分析。頻譜分析能夠得到各種頻率上的幅值或能量大小，反映機(jī)器設(shè)備的頻率結(jié)構(gòu)，從中可以了解機(jī)器設(shè)備各部分的工作情況，它為解決工程實(shí)踐提供了許多有用的信息，所以得到了廣泛的應(yīng)用。振動(dòng)信號(hào)是機(jī)械狀態(tài)檢測(cè)和診斷的基本信息來源，是機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)信息的載體；振動(dòng)信號(hào)分析是工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、機(jī)械狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷的重要手段；對(duì)于某一特定的機(jī)械部件而言，它正常工作的時(shí)候會(huì)對(duì)應(yīng)著某一近似穩(wěn)定的頻率特性，而當(dāng)機(jī)械部件發(fā)生結(jié)構(gòu)或材料上的故障時(shí)，它的頻率特性就要發(fā)生改變，這種頻率特性的改變常被用來進(jìn)行故障診斷?，F(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，如電力、石化、冶金以及柔性制造等系統(tǒng),由于設(shè)備群體廣泛耦合，規(guī)模越來越大，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的聯(lián)系也日益密切，形成了具有整體關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)鏈，并不斷向高效、高速、大容量、高強(qiáng)度、系統(tǒng)化、自動(dòng)化方向發(fā)展。與之相應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)備故障頻繁停工損失及維修費(fèi)用也大幅度上升。使用便攜式振動(dòng)測(cè)量儀能夠有效的提高設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性、連續(xù)性，減少維護(hù)費(fèi)用和生產(chǎn)費(fèi)用。目前許多振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的要求。同時(shí)，隨著機(jī)械設(shè)備測(cè)試診斷技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，由于速度慢、體積大、精度不高，越來越不適應(yīng)野外檢測(cè)的需求。所以具有更加便攜式的智能化振動(dòng)測(cè)試儀的發(fā)展成為一種必然。便攜式振動(dòng)測(cè)試儀不同于普通的振動(dòng)測(cè)試儀，它采用數(shù)字處理方法和LCD數(shù)字顯示，測(cè)量精度和測(cè)量穩(wěn)定性都比較好，而且功能強(qiáng)大，能測(cè)量振動(dòng)物體的加速度、速度以及位移，而且體積比較小，攜帶方便，在不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)都能使用，成本低，可以得到廣泛的應(yīng)用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在20世紀(jì)60年代初，國外開始對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)機(jī)組、故障特點(diǎn)、提取振動(dòng)信號(hào)和處理故障診斷信號(hào)進(jìn)行了研究，逐步發(fā)展了許多旋轉(zhuǎn)機(jī)械診斷故障的技術(shù)，常用的技術(shù)有波峰系數(shù)法、沖擊脈沖法等。到了70年代，有的故障診斷儀器開始進(jìn)入工程實(shí)用階段，如加拿大CSI儀器公司的CSI2115、CSI2400，美國亞特蘭公司的M6000系列以及瑞典的SPM公司的SPM儀器系列。從80年代開始，國內(nèi)才開始對(duì)故障診斷技術(shù)進(jìn)行研究，很多研究機(jī)構(gòu)和高等學(xué)校對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的診斷技術(shù)和監(jiān)測(cè)做了很多實(shí)驗(yàn)室研究以及故障分析，國內(nèi)有了相似的故障診斷儀器產(chǎn)品堆出，但是功能上與客戶的需求還是差距很大。如今，為了適應(yīng)實(shí)際運(yùn)用中的需求，大量的測(cè)振儀被開發(fā)出來，但國內(nèi)對(duì)于便攜式振動(dòng)儀這一方面與國外仍然有著不小的差距[2]。在機(jī)械測(cè)量領(lǐng)域，便攜式振動(dòng)儀以體積小、便于攜帶、適用范圍廣、靈活性高、測(cè)量對(duì)象多的特點(diǎn)成為這個(gè)領(lǐng)域的主力。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國外出現(xiàn)了不少測(cè)量振動(dòng)的產(chǎn)品，有的性能比較優(yōu)良，但是國內(nèi)的振動(dòng)測(cè)量儀大多還停留在低檔產(chǎn)品階段，因此，如何研制出功能多而且價(jià)格合理的便攜式振動(dòng)儀是現(xiàn)在我們解決的一個(gè)重要的問題?，F(xiàn)在舉出一些振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在：1)目前使用的測(cè)振系統(tǒng)對(duì)傳感器信號(hào)大多采用模擬處理方法，儀器的測(cè)量精度、測(cè)量值穩(wěn)定性和測(cè)量數(shù)據(jù)的可用性比較差。2)工作模式簡(jiǎn)單，往往只能測(cè)量某種數(shù)據(jù)或者對(duì)某種頻譜進(jìn)行分析，靈活性比較差，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的基本要求。3)大多數(shù)的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)便攜性比較差，體積大，不便于在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)靈活使用。4)人機(jī)交換效果差，由于沒有強(qiáng)勁的多媒體硬件支持，圖像顯示顏色單調(diào)，分辨率低，單位面積信息表達(dá)量低，這個(gè)缺點(diǎn)大大截止了儀表的現(xiàn)場(chǎng)分析能力。5)上層軟件支持少，上層軟件不光要讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，繪制數(shù)據(jù)的模擬變化曲線，離線分析功能。這些都是老的儀表無法提供的。6)進(jìn)口振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)價(jià)格昂貴，不利于廣泛應(yīng)用。以上幾點(diǎn)問題限制了振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。針對(duì)以上振動(dòng)測(cè)試儀的缺點(diǎn)，國外和國內(nèi)幾家公司已經(jīng)研制出比較好的振動(dòng)測(cè)試儀，現(xiàn)舉例如表1-1所示。隨著電子技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，包括振動(dòng)測(cè)試儀在內(nèi)的儀器儀表工業(yè)正在經(jīng)歷著一場(chǎng)革新。通過使用新的技術(shù)和新的理論，儀器儀表正朝著便攜式方向發(fā)展。在振動(dòng)測(cè)試儀這一領(lǐng)域中，通過使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和最新的芯片技術(shù)設(shè)計(jì)使功能更強(qiáng)大，成本更低廉，體積更小的智能便攜式儀器是振動(dòng)儀發(fā)展的趨勢(shì)[3]。1.3本課題的研究內(nèi)容和預(yù)期目標(biāo)本論文設(shè)計(jì)的便攜式振動(dòng)儀是由壓電式加速度傳感器獲得被測(cè)物體的振動(dòng)加速度信號(hào)，通過傳感器信號(hào)電纜將加速度電壓信號(hào)送入便攜式振動(dòng)儀進(jìn)行處理。便攜式測(cè)振儀可完成位移、速度、加速度信號(hào)的轉(zhuǎn)換,電壓信號(hào)的放大、濾波,電壓信號(hào)的數(shù)字化,測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示。這樣，便攜機(jī)就基本上可以完成對(duì)振動(dòng)的測(cè)量及簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理。便攜機(jī)通過通訊電纜可以和計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，將測(cè)量的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行二次處理，通過設(shè)計(jì)好的軟件進(jìn)行信號(hào)分析等工作，還可將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，便于以后應(yīng)用。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是在保證測(cè)振儀的測(cè)量精度的前提下，降低整機(jī)的功耗，控制整個(gè)設(shè)備的價(jià)格。本系統(tǒng)還提供了與PC機(jī)通信的接口，從而為設(shè)備故障診斷提供了可靠的數(shù)據(jù)源[6]。具體技術(shù)指標(biāo)如下：測(cè)量范圍：加速度，0.1～199.9m/s2；速度，0.01～19.99m/s；頻率，10Hz～10KHz；位移，0.001～1.999mm；使用環(huán)境溫度，-25～+60℃。精度：(數(shù)值的±5%)±2個(gè)字。表1-1國內(nèi)外振動(dòng)儀產(chǎn)品對(duì)比廠家型號(hào)測(cè)量振幅范圍頻率范圍其他特點(diǎn)參考價(jià)格(元)日本理音公司VM-63便攜式測(cè)振儀位移：0.001-1.999mm速度：0.01-19.99cm/s加速度0.1-199.9m/s210Hz-10KHz1Hz-5KHz(加速度檔可選)8500VM-82振動(dòng)計(jì)位移：0.001-100mm速度：0.3-10001mm/s加速度：0.02-200m/s23Hz-500Hz3Hz-1KHz3Hz-1KHzVM-63的改進(jìn)型:重320克9800VA-83便攜式測(cè)振儀位移：0.03-1000mm速度：3-1000cm/s加速度：0.3-1000m/s20.1Hz-100Hz0.1Hz-10KHz0.1Hz-100KHz可存儲(chǔ)500組數(shù)據(jù)4500北京測(cè)振儀器廠GZ-6A位移：0.001-10mm速度：0.001-10mm/s加速度：0.01-100m/s20.3Hz-15Hz5000GZ-4B位移：0.3-1000mm速度：0.01-10mm/s加速度：0.3-50m/s210Hz-10KHz1800BZ8701位移：0.001-1.999mm速度：0.01-19.99cm/s加速度：0.1-199.9m/s210Hz-10KHz1Hz-5KHz(加速度檔可選)35002便攜式振動(dòng)儀的總體方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是一個(gè)便攜式振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，需要考慮到成本、便攜性、應(yīng)用范圍的限制，在保證測(cè)量精度的同時(shí)必須降低系統(tǒng)的功耗和保持各部分的緊湊性。系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖由圖可以看出系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單概括為下列模塊：1)電源管理模塊包括基準(zhǔn)電壓的提供和充電單元，設(shè)計(jì)中所用的所有元器件都采用±5V供電。2)傳感器模塊采用的是壓電式加速度傳感器把振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)。3)信號(hào)調(diào)理模塊包括電荷放大電路、濾波電路和積分電路（一次積分和二次積分），該模塊將傳感器轉(zhuǎn)換成的微弱的電壓信號(hào)放大，濾波，然后通過積分電路將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成速度和位移，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。圖2.2信號(hào)調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)框圖4）A/D轉(zhuǎn)換電路模塊是將電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以便讓單片機(jī)處理。5）單片機(jī)模塊是系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)采用的是AT89C51單片機(jī)。6）LCD顯示模塊將測(cè)量結(jié)果通過顯示屏直觀的顯示出來。3硬件設(shè)計(jì)3.1電源電路設(shè)計(jì)隨著工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大以及適應(yīng)不同工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，便攜式也就成了該系統(tǒng)解決的重要問題。如何設(shè)計(jì)一個(gè)高效而又輕便的電源系統(tǒng)，以降低功耗提高待機(jī)時(shí)間是值得考慮的問題。為了解決這個(gè)問題，本系統(tǒng)選擇了單節(jié)離子電池供電，鋰電池有著其他電池所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)：工作電壓高、重量輕、體積小、能量高、安全快速充電、允許溫度范圍寬、放電電流小、無記憶效應(yīng)、無環(huán)境污染等等，這些決定了它在便攜式振動(dòng)儀系統(tǒng)中的主流地位。鋰離子電池的主要缺點(diǎn)是不允許過充電和過放電。為了防止鋰離子電池過充電和過放電，單體電池或電池組都必須加裝沖、放電及過流保護(hù)電路，并且需要專用的充電器來對(duì)鋰離子電池實(shí)施最安全和最佳充電，以延長其使用壽命。一節(jié)鋰電池的電壓上限是4.2V，下限是2.2V，而設(shè)計(jì)中采用的CPU、放大等元器件的工作電壓一般都在＋5V，而且有些是采用±5V供電的。所以在DC/DC轉(zhuǎn)換方面要做的工作有了兩個(gè)方面：一個(gè)是將鋰電池通過升壓轉(zhuǎn)化成+5V電壓；二是將+5V電壓轉(zhuǎn)化成-5V電壓。在DC/DC轉(zhuǎn)換方面采用了MAXIM司生產(chǎn)的MAX1675。MAX1675具有效率、靜態(tài)電流低、超小型μMAX封裝、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)?？梢暂敵?.3V、5V固電壓或2－5.5V可調(diào)電壓。輸出電壓的大小主要由反饋輸入引腳FB的不同接法定的，接電阻分壓反饋，可輸出2－5.5V可調(diào)電壓；接地為+5V輸出；接OUT為+3.3V輸出。具體電路如圖3.1所示。MAX1675包括一個(gè)低電池電壓檢測(cè)比較器，用于將檢測(cè)到的信號(hào)與內(nèi)部參電壓(1.3V)比較，并通過輸出端對(duì)電池充電進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。當(dāng)LBI的電壓低于內(nèi)部參考電壓時(shí)，LBO輸出低電平，低電池監(jiān)控的電壓閾值通過R1和R2設(shè)定，R2一般選擇低于260KΩ的數(shù)值，則R1為：(3-1)其中為充電下限，等于2.2V，VREF為1.3V。所以為了減小R3和R3上的功耗R1和R2的取值不應(yīng)當(dāng)太小，所以取R2＝200KΩ，此時(shí)R1≈136KΩ，由于鋰離子池電壓低于2.2V時(shí),將造成永久性破壞，所以將R1的值取稍大一些為140KΩ。在將+5V電壓轉(zhuǎn)換為-5V電壓時(shí)，采用了DC/DC反相集成電路ICL7660。ICL7660時(shí)Harris公司采用CMOS工藝制造的高效率、小功耗直流電壓轉(zhuǎn)換器，可單電源轉(zhuǎn)換成對(duì)稱輸出的雙電源，它的主要特點(diǎn)是：1)工作范圍寬：1.5V～10.5V；2)低功耗，靜態(tài)電流小于0.5mA；3)轉(zhuǎn)出電流10mA，典型電源轉(zhuǎn)換效率為98％；4)外圍電路簡(jiǎn)單，接2個(gè)電容即可工作。圖3.1DC/DC轉(zhuǎn)換電路圖3.2傳感器的選取傳感器是能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定得規(guī)定轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。在振動(dòng)測(cè)量中，把被測(cè)的振動(dòng)力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換成電學(xué)參數(shù)的裝置稱為振動(dòng)測(cè)量傳感器。壓電式傳感器的壓電元件時(shí)利用壓電材料制成的，當(dāng)有一力作用在壓電材料上時(shí)，傳感器就有電荷(或電壓)輸出。壓電傳感器的工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為前提的[19]。便攜式振動(dòng)儀的組成根據(jù)所用傳感器的不同而有不同的形式，如：位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器等。加速度傳感器通?？梢宰龅谋人俣葌鞲衅鞯某叽缧　⒅亓枯p，且工作頻率較寬。在測(cè)量時(shí)，不僅傳感器對(duì)試件振動(dòng)特性的影響(附加質(zhì)量)小，而且所測(cè)得結(jié)果也更接近某個(gè)點(diǎn)，而不是某個(gè)面的振動(dòng)，同時(shí)能更好的適應(yīng)振動(dòng)頻率的要求。所以近年來有使用加速度傳感器代替速度傳感器的傾向[22]。在振動(dòng)測(cè)量中，加速度傳感器直接受振動(dòng)加速度信號(hào)，它的輸出信號(hào)與振動(dòng)加速度成正比。如果再經(jīng)過一、二次積分網(wǎng)絡(luò)，還可測(cè)得振動(dòng)速度和振動(dòng)位移。加速度傳感器有多種結(jié)構(gòu)型式，如壓電式加速度傳感器和電容式加速度傳感器等。由于壓電式加速度傳感器有著體積小、重量輕、堅(jiān)實(shí)可靠、靈敏度較高、可用頻率范圍較寬等優(yōu)點(diǎn)，所以它在振動(dòng)測(cè)量中得到較為廣泛的應(yīng)用[8]。本設(shè)計(jì)采用的是壓電式加速度傳感器，它輸出的是電荷信號(hào)和加速度信號(hào)成正比，其輸出阻抗很大，固有頻率比較高，能夠適用于一般的機(jī)械振動(dòng)的變化范圍。本設(shè)計(jì)采用YD系列壓電式傳感器YD-1[4]。壓電式加速度傳感器在振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域中是應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，因?yàn)樗哂泄ぷ黝l帶寬、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便、不易損壞等有點(diǎn)。壓電式傳感器主要利用壓電晶體受壓縮時(shí)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，產(chǎn)生電荷量，主要結(jié)構(gòu)形式有周邊壓縮式、中心壓縮式和剪切式等，不論采用何種形式，其力學(xué)模型均可簡(jiǎn)化為一個(gè)單自由度質(zhì)量—彈簧系統(tǒng)，如圖3.2所示。圖3.2壓電式加速度傳感器的力學(xué)模型（m-質(zhì)量、K-彈簧、C-阻尼）由于電壓傳感器采用空氣阻尼，即C很?。ㄚ呌诹悖?，當(dāng)被測(cè)頻率ω<<ωn時(shí)，我們可得到傳感器質(zhì)量塊與基座的相對(duì)位移d與振動(dòng)加速度a成正比。根據(jù)壓電效應(yīng)的原理，當(dāng)晶體上收到振動(dòng)作用力后，將產(chǎn)生電荷量，該電荷量Q與作用力F成正比，即：(3-2)其中：dj－壓電常數(shù)、M－敏感質(zhì)量、a－振動(dòng)加速度。本文選擇的YD－1壓電傳感器的技術(shù)指標(biāo)為：1)電荷靈敏度(pC/ms-2):6～102)頻率響應(yīng)(Hz±1dB):1～10,0003)工作溫度(℃):-40～+804)最大可測(cè)加速度(ms-2):20005)安裝螺紋（mm）:M56)外形尺寸（mm）:15六方×28(mm)7)重量（g）:263.3信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理模塊的主要作用是將壓電式加速度傳感器輸出的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)過放大、濾波、積分，轉(zhuǎn)換成可以輸入到A/D的信號(hào)。3.3.1電荷放大電路設(shè)計(jì)振動(dòng)測(cè)量儀的信號(hào)調(diào)理電路主要有電荷放大器、濾波器、積分電路組成。壓電加速度傳感器要求高輸入阻抗的電荷放大器傳感器的前置放大電路是測(cè)振儀電路中直接和傳感器連接的部分，對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行變換。測(cè)振儀中使用的壓電晶體加速度傳感器，輸出電荷信號(hào)，所以前置放大電路采用電荷放大器的形式，其輸出電壓正比于輸入電荷。另外還可以將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源輸出，起到了阻抗變換的作用。電路原理圖如圖3.3所示。圖3.3電荷放大器電路原理圖壓電晶體加速度傳感器的工作原理是:具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)在受到外界壓力時(shí)產(chǎn)內(nèi)部電場(chǎng)，從而在兩個(gè)輸出極板上分別產(chǎn)生一定數(shù)量的極性相反的電荷Q，此時(shí)壓電片相當(dāng)于一個(gè)電容器，其電容值為Ca，圖中虛線部分就是壓電晶體加速度傳感器的等效電路。壓電片兩板之間輸出電壓Ua=Q/Ca，考慮到放大器A輸入阻抗中的電容Cc，連接電纜的電容Cc，則整個(gè)傳感器的等效電容C=Ca+Cc+Ci，此時(shí)傳感器之間輸出部分的實(shí)際電壓為U=C/Q。但是由于放大器輸入阻抗中的電阻Ra以及壓電晶體傳感器輸出電阻Ra不可能是無窮大的，所以將有一部分電荷通過Ri和Ra泄漏掉，導(dǎo)致壓電晶體兩塊極板之間的電壓不斷下降，這和電容放電的情況類似，極板之間的輸出電壓將以時(shí)間常數(shù)τ≈RC(R=Ri//Ra≈Ri)衰減，衰減的快慢由τ決定，一般情況下有Ra>>Ri，所以盡量增加前置放大電路的輸入電阻是壓電傳感器對(duì)前置放大器的主要技術(shù)要求之一。電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有深度電容負(fù)反饋的運(yùn)算放大器，由于理想的電荷放大器是純電容反饋，對(duì)于直流信號(hào)來說相當(dāng)于開環(huán)，有很大的零點(diǎn)漂移，所以為了穩(wěn)定工作點(diǎn)，應(yīng)該在反饋電容C的兩端并聯(lián)一個(gè)很大的直流反饋電阻Rf，如圖2.4所示。放大器的輸出表達(dá)式為：(3-3)因?yàn)殡姾煞糯笃鞯拈_環(huán)增益A很大，所以(1+A)gF>>g,(1+A)CF>C,則公式可以簡(jiǎn)化為：（3-4）由此可知輸出電壓U0不但取決于輸入電荷Q、反饋電容CF，還與反饋電阻RF和工作頻率ω有關(guān)。當(dāng)工作頻率ω很低的時(shí)候,gF的影響不能夠忽略，頻率降低,gF/W增大，當(dāng)其增大到等于時(shí)，U0的幅值下降到原來的0.707。此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率就是電荷放大器的下限頻率，即(3-5)(3-6)當(dāng)頻率很高時(shí)，由公式(2-6)可知當(dāng)CF>>gF/jw，輸出U0與頻率gF無關(guān)，其頻率上限主要決定于運(yùn)算放大器的頻率響應(yīng)和輸入電纜的影響。若電纜太長，雜散電容和導(dǎo)線電阻增加，將影響電荷放大器的高頻特性。由于便攜式測(cè)振儀的頻率測(cè)量范圍最大是10kHz，相對(duì)這個(gè)頻率而言，運(yùn)算放大器的高頻響應(yīng)可以不加考慮，另外測(cè)振儀電路和傳感器的連接電纜很短，一般只有15mm左右，所以電纜對(duì)電荷放大器頻率上限的影響也可以忽略不計(jì).綜上所述，設(shè)計(jì)電荷放大器的關(guān)鍵是運(yùn)算放大器、反饋電容和反饋電阻的選擇。根據(jù)上述原則，我們選用TI公司研制的TLC27M7高精密兩路、低功耗運(yùn)算放大器，雙電源供電(±5V)，輸入阻抗達(dá)1012Ω，最大輸入失調(diào)電壓0.5mV，共模抑制比91dB,噪聲電壓32nV/HZ，其輸入阻抗很高，能夠滿足電荷放大器的設(shè)計(jì)要求。另外，在反饋電容選擇上充分考慮電荷放大器的增益(增益主要由電容CF決定)和輸入端電容(包括傳感器電容、連接線電容、運(yùn)放輸入阻抗電容等)，以及噪聲、零漂等因素，我們選擇反饋電容CF是0.01μF，確定反饋電容之后根據(jù)頻率響應(yīng)和阻抗匹配等因素確定反饋電阻，同時(shí)經(jīng)過多次在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)做試驗(yàn)，選擇Rf=22MΩ，此時(shí)求出電荷放大器的低頻下限頻率是0.72Hz，滿足設(shè)計(jì)要求[7]。3.3.2電壓放大電路設(shè)計(jì)經(jīng)過電荷放大器輸出的電壓信號(hào)仍然很微弱(5-6mV)，為了滿足測(cè)量精度的要求，對(duì)輸出電壓需要進(jìn)行高倍(100倍以上)放大后才能夠進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換。充分利用TLC27M7運(yùn)放噪聲小、精度高、共模抑制比高以及雙電源供電，增益可以很大的優(yōu)勢(shì)，以滿足抗混淆濾波和A/D采樣進(jìn)行信號(hào)處理的要求。根據(jù)技術(shù)要求及市場(chǎng)情況，選擇模擬器件公司生產(chǎn)的AD626差分運(yùn)算放大器。AD626既能用單電源供電，也能用雙電源供電，視需要和可能靈活應(yīng)用。用＋5V電源電壓工作時(shí)，運(yùn)放輸出電壓為+0.03V—+4.7V，此時(shí)電路增益為10。如果外接一個(gè)電阻，就能很容易實(shí)現(xiàn)增益(10～100)的調(diào)節(jié)；如果用一個(gè)電容連到FILTER引腳和模擬地之間，就能提供低通濾波器的作用。其主要引腳圖示于表3-1所示。表3-1引腳圖引腳符號(hào)功能1,8-IN,+IN差分輸入負(fù)端和正端2ANALOGGND模擬地3-V負(fù)電源輸入端。單電源供電時(shí)，接地；雙電源供電時(shí)，接負(fù)電源6+V正電源輸入端4FILTER濾波器輸出端。該端與地之間接某一電容，就能實(shí)現(xiàn)低通濾波的功能5OUT輸出端7G=100增益選擇端。該端接地，G＝100；懸空，G＝10利用AD626能方便實(shí)現(xiàn)低通濾波器的功能，只要在濾波器引腳和地之間連接一個(gè)電容，就能進(jìn)行低通濾波，其電路如圖3.4所示。將引腳7接入地之可以得到的放大倍數(shù)為100，即K=100。圖3.4AD626電路圖3.3.3積分電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)智能化振動(dòng)測(cè)試儀的測(cè)量的基本參數(shù)是加速度，速度和位移，系統(tǒng)所采用的傳感器是壓電式加速度傳感器，所以必須把加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度和位移信號(hào)，加速度和速度、位移之間存在積分關(guān)系，這部分設(shè)計(jì)的目的就是設(shè)計(jì)積分電路把加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度和位移信號(hào)。1)一級(jí)積分電路設(shè)計(jì)一級(jí)積分器電路設(shè)計(jì)需要把加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度信號(hào)，電路圖如圖3.5所示。圖3.5一級(jí)積分電路圖2)二級(jí)積分電路設(shè)計(jì)二級(jí)積分器電路設(shè)計(jì)需要把速度速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移信號(hào)，電路圖如圖3.6所示。圖3.6二級(jí)積分器電路3.4A/D的選取A/D轉(zhuǎn)換器是一種能把輸入模擬電壓或電流變成與它成正比的數(shù)字量，即能把被控制對(duì)象的各種模擬信息變成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信息。A/D轉(zhuǎn)換器種類很多，但從原理上通?？煞譃橐韵滤姆N：計(jì)數(shù)器式A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器和并行A/D轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)采用的是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0809是一種8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和微機(jī)直接接口。ADC0809由8路模擬開關(guān)、地址鎖存器與譯碼器、比較器、256電阻階梯、樹狀開關(guān)、逐次逼近式寄存器SAR、控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成。ADC0809采用的是雙列直插式封裝，有28條引腳，其技術(shù)指標(biāo)如下：1)分辨率：8位2)轉(zhuǎn)換時(shí)間：100us3)轉(zhuǎn)換誤差/LSB：±1/2～±14)模擬輸入范圍/V：0～+5V5)工作電壓/V：?jiǎn)坞娫?5V6)基準(zhǔn)電壓(VREF)：VREF(+)≤VCC,VREF(+)≥0其外部封裝圖如圖3.7所示。圖3.7ADC0809的外部封裝圖其中各引腳功能具體如下：1)IN0-IN7(8條)為八路模擬電壓輸入線，用于輸入被轉(zhuǎn)換的模擬電壓。2)地址輸入和控制(4條)ALE為地址所存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，ADDA、ADDB、ADDC三條地址線上的地址信號(hào)得以鎖存，經(jīng)譯碼后控制8路模擬開關(guān)工作。ADDA、ADDB、ADDC為地址輸入線，用于選擇IN0-IN7上的哪一路模擬電壓送給比較器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。3)數(shù)字量輸出及控制線(11條)START為啟動(dòng)脈沖輸入線，該線上的正脈沖由CPU送來，寬度應(yīng)大于100ns,上升沿清零SAR，下降沿啟動(dòng)ADC工作。EOC為裝換金屬輸入線，改線上的高電平表示A/D轉(zhuǎn)換已結(jié)束，數(shù)字量已鎖入三態(tài)輸入鎖存器2-1-2-8為數(shù)字量輸出線，2-1為最高位。OE為輸出允許線，高電平時(shí)能使2-1-2-8引腳上輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。4)電源線及其其他(5條)CLOCK為時(shí)鐘輸入線，用于為ADC0809提供逐次比較所需640kHz使中國脈沖序列。VCC為+5V電源輸入線，GND為地線。VREF(+)和VREF(-)為參考電壓輸入線，用于給電阻階梯網(wǎng)絡(luò)供給標(biāo)準(zhǔn)電壓。VREF(+)常和VCC相連，VREF(-)常接地或負(fù)電源電壓。3.5單片機(jī)的選取AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。之所以選擇該器件，是應(yīng)為它采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案[14]。其主要特性有：1)與MCS-51兼容2)4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器3)壽命:1000寫/擦循環(huán)4)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年5)全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz6)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路7)128×8位內(nèi)部RAM8)32可編程I/O線9)兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器10)5個(gè)中斷源11)可編程串行通道12)低功耗的閑置和掉電模式其外部封裝圖如3.8所示。圖3.8AT89C51單片機(jī)外部封裝圖3.6LCD顯示和鍵盤電路設(shè)計(jì)1)LCD顯示本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所選用的液晶顯示器件為LCD1602,其主要技術(shù)參數(shù)：①顯示容量:16×2個(gè)字符②芯片工作電壓:4.5—5.5V③工作電流:2.0mA(5.0V)④模塊最佳工作電壓:5.0V⑤字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm對(duì)于LCD的引腳功能說明，LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的15腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如下表3-2所示。表3-2LCD的引腳功能編號(hào)符號(hào)引腳說明編號(hào)符號(hào)引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號(hào)14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極2)鍵盤電路設(shè)計(jì)為了簡(jiǎn)便硬件電路，本設(shè)計(jì)只設(shè)計(jì)了兩種按鍵來進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)。①復(fù)位按鈕，用來給單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作，電路圖如圖3.9所示。圖3.9復(fù)位電路圖②顯示切換按鈕，是用來切換顯示加速度、速度、位移三個(gè)檢測(cè)參數(shù)，本設(shè)計(jì)中使用了兩個(gè)獨(dú)立按鍵來選擇顯示對(duì)應(yīng)通道的電壓，其中KEY1每按一下通道數(shù)就減1并在LCD1602上顯示對(duì)應(yīng)通道的電壓，KEY2每按一下通道數(shù)就加1并在LCD1602上顯示對(duì)應(yīng)通道的電壓，這樣就十分方便查看不同通道的數(shù)據(jù)。鍵盤與單片機(jī)的連接電路如圖3.10所示：圖3.10切換電路圖3.7總體電路圖圖3.10數(shù)據(jù)采集和處理模塊電路圖圖3.11A/D轉(zhuǎn)換和LCD顯示模塊電路圖4軟件設(shè)計(jì)4.1軟件開發(fā)環(huán)境KeilC51標(biāo)準(zhǔn)C編譯器為8051微控制器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)境,同時(shí)保留了匯編代碼高效,快速的特點(diǎn)。C51編譯器的功能不斷增強(qiáng)，使你可以更加貼近CPU本身，及其它的衍生產(chǎn)品。C51已被完全集成到uVision4的集成開發(fā)環(huán)境中，這個(gè)集成開發(fā)環(huán)境包含：編譯器，匯編器，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，項(xiàng)目管理器，調(diào)試器[10]。4.2主程序設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是將被測(cè)量的數(shù)據(jù)采集到系統(tǒng)中，通過數(shù)據(jù)處理把被測(cè)量的數(shù)字顯示在系統(tǒng)的顯示屏上。系統(tǒng)采用模塊化編程，將各部分功能分別實(shí)現(xiàn)，然后按自上而下的順序執(zhí)行，其中包含的功能子程序有：數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、數(shù)值顯示子程序。主程序流程圖如圖4.1所示：圖4.1主程序流程圖其程序代碼為：voidmain(){ LcdInit(); TimeInit(); while(1) { AdTr(0,0,0,0);delay(5); AdTr(1,0,0,1);delay(5); AdTr(0,1,0,2);delay(5); disp(0,0,tab3); disp(1,0,tab4); keyscan(); } }4.3LCD顯示子程序LCD顯示部分軟件是根據(jù)LCD1602顯示驅(qū)動(dòng)程序來編寫的,其LCD顯示部分流程圖如圖4.2所示。如圖4.2LCD流程圖其程序代碼為：/*初始化函數(shù)*/voidLcdInit(){ lcdrw=0; delay(5); lcden=0;//使能位置低電平write_com(0x38); write_com(0x0c); write_com(0x06); write_com(0x01); write_com(0x80); delayl(20);}/*寫命令函數(shù)*/voidwrite_com(ucharcom){ lcdrs=0; P0=com; delay(10); lcden=1; delay(10); lcden=0;}/*寫數(shù)據(jù)函數(shù)*/voidwrite_data(uchardate){ lcdrs=1; P0=date; delay(10); lcden=1; delay(10); lcden=0;}voiddisp(ucharh,l,uchar*p){ write_com(0x80+h*0x40+l); while(*p!='\0') { write_data(*p); p++; }}5系統(tǒng)仿真和測(cè)試結(jié)果根據(jù)方案設(shè)計(jì)結(jié)果，進(jìn)行了硬件電路在Proteus下的仿真。當(dāng)通過電位器調(diào)節(jié)AD轉(zhuǎn)換器輸入端的電壓時(shí)，模擬電壓值經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)由單片機(jī)將轉(zhuǎn)換后的電壓值發(fā)送至P0口，供LCD進(jìn)行顯示。仿真過程描述：通過KEIL軟件對(duì)所編程序進(jìn)行編譯，生成.hex文件，在Proteus軟件中，用MCS51單片機(jī)調(diào)用.hex，即可進(jìn)行硬件的仿真。該仿真包括兩部分：⑴對(duì)3路電壓進(jìn)行采集，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的16進(jìn)制數(shù)存于單片機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)器中。⑵對(duì)轉(zhuǎn)換后的電壓進(jìn)行顯示。將內(nèi)部存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)化后的電壓對(duì)應(yīng)的16進(jìn)制數(shù)付給P0口，由LCD進(jìn)行顯示。調(diào)節(jié)電位器LCD的顯示數(shù)據(jù)也會(huì)發(fā)生變化。假設(shè)a=100m/s2仿真數(shù)據(jù)如圖5.1、5.2、5.3所示。如圖5.1通道1數(shù)據(jù)采集如圖5.2通道2數(shù)據(jù)采集如圖5.3通道3數(shù)據(jù)采集6結(jié)論本文主要介紹了一種便攜式振動(dòng)儀的總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)和具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，該系統(tǒng)采用嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，把當(dāng)今的IC技術(shù)、嵌入式技術(shù)、通訊技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和故障診斷理論結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種智能化、高性能的振動(dòng)測(cè)試分析儀。該儀表具有以下主要特點(diǎn)：1)在信號(hào)采集方面使用壓電式加速度傳感器，保證了采集數(shù)據(jù)的頻帶寬度。2)在數(shù)據(jù)處理中采用硬件積分和軟件算法相結(jié)合，提高了測(cè)量的精度的同時(shí)保證了測(cè)量的快速性。3)人機(jī)交換效果好，本系統(tǒng)提供了良好的人機(jī)交互環(huán)境，鍵盤可操作性好，LCD顯示可持續(xù)性強(qiáng)，上位機(jī)界面可維護(hù)性好。4)通訊采用RS232接口，極大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋槎伍_發(fā)提供了良好的基礎(chǔ)。5)本振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)便攜性比較好，體積小，便于在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)靈活使用。6)系統(tǒng)成本低廉，利于廣泛應(yīng)用。最后通過對(duì)測(cè)振儀進(jìn)行仿真分析，證明該測(cè)振儀滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)方案是可行的。由于時(shí)間和成本的關(guān)系，文中還有許多不足和有待改進(jìn)之處。目前本測(cè)振儀還不具有打印測(cè)量結(jié)果，這不利于大量的測(cè)量數(shù)據(jù)的保存。另外沒有只在硬件方面進(jìn)行抗干擾方面的設(shè)計(jì)，沒有在軟件方面進(jìn)行標(biāo)定，還需要大量的時(shí)間進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)標(biāo)定。由于測(cè)量加速度、速度和位移時(shí)所需要完成的工作量各不相同，所需要花費(fèi)的時(shí)間也不相同。所以手動(dòng)切換時(shí)需要控制時(shí)間，否則顯示的并不是本次測(cè)量的真實(shí)結(jié)果，可以將采樣率適當(dāng)提高，以提高測(cè)量精度和減小紋波或者設(shè)計(jì)更加合理的人機(jī)接口。本文設(shè)計(jì)便攜式測(cè)振儀只能對(duì)振動(dòng)的測(cè)試數(shù)據(jù)做簡(jiǎn)單的處理和分析，它還不能單獨(dú)作為故障振動(dòng)診斷的輔助工具。所以在后續(xù)的工作中，為配合儀器設(shè)備的開發(fā)，需要設(shè)計(jì)一套振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)處理與分析軟件。致謝經(jīng)過半年的忙碌，本次畢業(yè)論文設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)本科生，由于知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的缺乏，難免有許多考慮不周全的地方，誠心希望老師和同學(xué)給與指導(dǎo)和修改。首先我要感謝我的導(dǎo)師魯進(jìn)老師近半年來對(duì)我的指導(dǎo)和諄諄教誨。本研究是在魯進(jìn)老師的全力指導(dǎo)下完成的，從論文的選題、實(shí)驗(yàn)方案的制定和實(shí)施到論文的修改定稿，魯老師都傾注了大量的心血和經(jīng)歷。她精益求精的工作作風(fēng)，對(duì)科學(xué)研究的執(zhí)著以及對(duì)事業(yè)的熱愛深深感染了我，這些都是我終身學(xué)習(xí)的榜樣和努力地方向！每念至此，崇高的敬意不禁油然而生，在此，我謹(jǐn)向?qū)煴硎疚易钪孕牡母兄x！此外，還要感謝在大學(xué)四年中幫助我的人，感謝電子信息與自動(dòng)化學(xué)院測(cè)控技術(shù)與儀器的所有老師在學(xué)習(xí)上的點(diǎn)撥和指導(dǎo)，以及提供大量學(xué)習(xí)資源的圖書館。同時(shí),也要感謝在論文寫作過程中，幫助過我、并且共同奮斗四年的大學(xué)同學(xué)們，能夠順利完成論文，是因?yàn)橐宦飞嫌心?。再次衷心地感謝所有在我論文寫作過程中給予過我?guī)椭娜藗儯x謝你們！參考文獻(xiàn)[1]于洋等.機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)儀器的研制[J].儀表技術(shù)與傳感器,2008,9:36-45.[2]邵根富,林燕雄.智能振動(dòng)測(cè)量儀的設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù),2007,12:22-25.[3]祝剛等.振動(dòng)測(cè)試儀檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)[J].傳感器與儀器儀表,2007,187-188.[4]葛楊翔等.壓電雙晶片的靜動(dòng)態(tài)特性分析與測(cè)量[J].壓電與聲光,2006,28(9):621-623.[5]程振宇等.便攜式振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的研制[J].儀表技術(shù)與傳感器,2000,5:22-24[6]張思主編.振動(dòng)測(cè)試與分析技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1992;124-125.[7]鄭方，徐明星.信號(hào)處理原理[M].北京:清華大學(xué)出版社，2007.[8]單成祥,牛彥文,張春.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社，2006.[9]胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004.[10]趙景波,王勁松等.PROTEL2004電路設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.[11]孫傳友,孫曉斌,漢澤西,張欣.測(cè)控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2002.[12]李曉雷.機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社.2005.[13]AlbertKrohn.InexpensiveandAutomaticCalibrationforAccelerationSensors.TelecooperationOffice(TecO)Universit¨atKarlsruhe.[14]張友善等.單片微型機(jī)原理應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,1992.[15]紀(jì)宗南編著.8098單片微型機(jī)應(yīng)用實(shí)例[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1994:16-45.[16]周榮華.加速度計(jì)靈敏度校準(zhǔn)方法的研究[J].汽車科技,2005,(4).[17]陳如華.振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的分析與探討[J].電子工程,1996(2):67-72.[18]程振宇,于華濱.便攜式振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的研制[J]儀器技術(shù)與傳感器,2004(4):22-24.[19]黃賢武,鄭筱霞.傳感器原理與應(yīng)用[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,2005:111-122．[20]郁有文,常健,程繼紅.傳感器原理與工程應(yīng)用[M].2版.西安:西安電子科大學(xué)出版社2004:103-112．[21]黃繼昌,許巧魚,張海貴.傳感器工作原理及應(yīng)用實(shí)例[M].北京:人民郵電出版社1998:160．[22]卓敏.基于壓電加速度計(jì)的振動(dòng)測(cè)量原理與應(yīng)用[J].航空精密制造技術(shù),2004．[23]陳云慶.振動(dòng)測(cè)量在故障診斷中的應(yīng)用[J].上海計(jì)量測(cè)試,2005(6):31-34．[24]G.D．Micheli，R．K．Gupta，Hardware/SoftwareCo—design,IEEEProceedings，Mar1997，VOL85，No．3：349·365.[25]W．WolfADecadeofHardware/SoftwareCodesign，IEEEComputermagzine，April2003：38-43.附錄A程序設(shè)計(jì)源程序#include<reg52.h>#include<math.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint/********************定義LCD1602********************************/sbitlcdrs=P3^0;//數(shù)據(jù)命令選擇位sbitlcden=P3^1;//使能位sbitlcdrw=P3^2;/********************定義ADC0808接口信息********************/sbitADA=P2^0;sbitADB=P2^1;sbitADC=P2^2;sbitEOC=P2^3;sbitCLK=P2^4;sbitSTART=P2^5;sbitOE=P2^6;/*****************鍵盤管腳定義*************/sbitkey1=P3^3;sbitkey2=P3^7; /*********************定義數(shù)據(jù)********************************/uchartab1[]={48,46,48,48,48,46,48,48,48,46,48,48,48,46,48,48}; //存放AD采集數(shù)據(jù)uchartab2[]={48,46,48,48,48,46,48,48,48,46,48,48,48,46,48,48};uchartab3[]="TONGLU:";uchartab4[]="DIANYA:";uchartab5[]="12345678";ucharnum,m=0,getdata=0;uinttemp=0;/*延時(shí)函數(shù)*/voiddelay(uchart){ ucharx,y; for(x=t;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--); }voiddelayl(ucharltime){ uchari; for(i=ltime;i>0;i--) delay(255);}/*寫命令函數(shù)*/voidwrite_com(ucharcom){ lcdrs=0; P0=com; delay(10); lcden=1; delay(10); lcden=0;}/*寫數(shù)據(jù)函數(shù)*/voidwrite_data(uchardate){ lcdrs=1; P0=date; delay(10); lcden=1; delay(10); lcden=0;}voiddisp(ucharh,l,uchar*p){ write_com(0x80+h*0x40+l); while(*p!='\0') { write_data(*p); p++; }}/*初始化函數(shù)*/voidLcdInit(){ lcdrw=0; delay(5); lcden=0;//使能位置低電平write_com(0x38); write_com(0x0c); write_com(0x06); write_com(0x01); write_com(0x80); delayl(20);}voidTimeInit(){ TMOD=0x10;//定時(shí)器1工作于方式1,16位不重裝初值 TH1=(65536-200)/256;//定時(shí)200us(5KHz) TL1=(65536-200)%256; EA=1; ET1=1; TR1=1;}voidAdTr(bitADDA,ADDB,ADDC,ucharchannel){ START=0; OE=0; START=1; START=0;//A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，正脈沖啟動(dòng)選中的模擬信號(hào)開始轉(zhuǎn)換 ADA=ADDA; ADB=ADDB; ADC=ADDC; delay(5); while(EOC==0);//啟動(dòng)轉(zhuǎn)換后EOC變?yōu)長,轉(zhuǎn)換結(jié)束后變?yōu)镠 OE=1; getdata=P1; temp=getdata*1.0/255*500; OE=0; if(channel<3) { tab1[4*channel]=temp/100+0x30; tab1[4*channel+2]=(temp%100)/10+0x30; tab1[4*channel+3]=(temp%100)%10+0x30; }}voidkeyscan()/*按鍵2進(jìn)行減1*/{uintk;if(key1==0){ m--; } if(m<4) { write_com(0x80+0x07); write_data(tab5[m-1]); write_com(0x80+0x47); for(k=0;k<4;k++) write_data(tab1[4*(m-1)+k]); } while(key1==0);//等待按鍵釋放if(key2==0){ m++; } if(m<4) { write_com(0x80+0x07); write_data(tab5[m-1]); write_com(0x80+0x47); for(k=0;k<4;k++) write_data(tab1[4*(m-1)+k]); }while(key2==0);//等待按鍵釋放}voidmain(){ LcdInit(); TimeInit(); while(1) { AdTr(0,0,0,0);delay(5); AdTr(1,0,0,1);delay(5); AdTr(0,1,0,2);delay(5); disp(0,0,tab3); disp(1,0,tab4); keyscan(); } }voidt1(void)interrupt3using0{TH1=(65536-200)/256;TL1=(65536-200)%256;CLK=~CLK;}文獻(xiàn)綜述便攜式振動(dòng)測(cè)量儀的應(yīng)用姓名：葉宇強(qiáng)學(xué)號(hào)：11007030231摘要：便攜式振動(dòng)測(cè)量儀是一種便攜式機(jī)械振動(dòng)測(cè)量儀器，能方便地測(cè)得振動(dòng)加速度、速度等振動(dòng)參數(shù)，可用來對(duì)旋轉(zhuǎn)與往復(fù)式機(jī)器的振動(dòng)進(jìn)行可靠的定量評(píng)價(jià)，為機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、軍工、電力、設(shè)備管理、交通及環(huán)保部門對(duì)機(jī)器設(shè)備故障和老化信號(hào)進(jìn)行在線檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制，進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)量和振動(dòng)控制等工作提供了極大的方便。因此，通過便攜式測(cè)量儀的實(shí)際運(yùn)用，在工業(yè)過程中的設(shè)備可以更安全、更可靠的被使用，而且保持對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以有效的防止設(shè)備損壞帶來的安全隱患。關(guān)鍵詞：便攜式振動(dòng)測(cè)量儀檢測(cè)監(jiān)測(cè)1引言在現(xiàn)代的工業(yè)工程的生產(chǎn)過程中，當(dāng)機(jī)械部件發(fā)生結(jié)構(gòu)或材料上的故障時(shí)，它的頻率特性就要發(fā)生改變，通過便攜式振動(dòng)測(cè)量儀我們能夠準(zhǔn)確的對(duì)設(shè)備的故障診斷進(jìn)行修理，同時(shí)利用便攜式振動(dòng)測(cè)量儀設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，我們可以在故障擴(kuò)大前做出有效的預(yù)防；而且，就目前而言，各種頻譜分析儀用來做振動(dòng)分析，但這些儀器一般都比較大，而且有時(shí)需要與計(jì)算機(jī)通信，這對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)極為不便，開發(fā)便攜式振動(dòng)測(cè)量儀會(huì)有明顯的優(yōu)越性。便攜式振動(dòng)測(cè)量儀解決了傳統(tǒng)的振動(dòng)分析儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、操作不方便等缺點(diǎn)；又彌補(bǔ)了基于單片機(jī)的振動(dòng)采集分析儀分析能力有限、不能夠滿足振動(dòng)分析與診斷的特殊要求的不足[2]。2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，如電力、石化、冶金以及柔性制造等系統(tǒng),由于設(shè)備群體廣泛耦合，規(guī)模越來越大，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的聯(lián)系也日益密切，形成了具有整體關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)鏈，并不斷向高效、高速、大容量、高強(qiáng)度、系統(tǒng)化、自動(dòng)化方向發(fā)展。與之相應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)備故障頻繁停工損失及維修費(fèi)用也大幅度上升。使用便攜式振動(dòng)測(cè)量儀能夠有效的提高設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性、連續(xù)性，減少維護(hù)費(fèi)用和生產(chǎn)費(fèi)用。振動(dòng)信號(hào)是機(jī)械狀態(tài)檢測(cè)和診斷的基本信息來源，是機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)信息的載體。振動(dòng)信號(hào)分析是工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、機(jī)械狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷的重要手段。對(duì)于某一特定的機(jī)械部件而言，它正常工作的時(shí)候會(huì)對(duì)應(yīng)著某一近似穩(wěn)定的頻率特性，而當(dāng)機(jī)械部件發(fā)生結(jié)構(gòu)或材料上的故障時(shí)，它的頻率特性就要發(fā)生改變，這種頻率特性的改變常被用來進(jìn)行故障診斷。近年來，新的信號(hào)分析技術(shù)如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊技術(shù)、小波技術(shù)等在科學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)取得了很大的發(fā)展，這些技術(shù)都是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的，其算法可以方便地嵌入到虛擬儀器技術(shù)中?；谔摂M儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有靈活、經(jīng)濟(jì)、高效、功能強(qiáng)技術(shù)新等特點(diǎn)，它代表了未來儀器技術(shù)的發(fā)展方向。例如北京康泰電子有限公司,它是美國QUATRONIX公司在華設(shè)立的獨(dú)資公司，QUATRONIX公司總部設(shè)立在美國俄亥俄州，是專門從事測(cè)試產(chǎn)品和通訊產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)的高科技企業(yè)，北京康泰主要負(fù)責(zé)其亞洲地區(qū)的市場(chǎng)開拓、產(chǎn)品銷售、技術(shù)支持和售后服務(wù)[18]。該公司有幾種典型振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)：①Q(mào)TS3500便攜振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)：它能夠提供200kHz采樣速度，16通道動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試，每通道獨(dú)立恒流源，還可以選多種接口方式：EPP并口、USB口、Ethernet口等；②VIB20088通道便攜振動(dòng)測(cè)試儀：這是一款高速、高性價(jià)比的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、連接簡(jiǎn)便，為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試人員提供了高性能的測(cè)試解決方案；③VIB1001袖珍式測(cè)振測(cè)溫儀：該儀器精致小巧,使用方便,可通過對(duì)被測(cè)設(shè)備的振動(dòng)位移、速度(烈度)、加速度、溫度等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)來快速診斷汽輪機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、電機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，可廣泛應(yīng)用在礦山、水泥、冶金、石化、發(fā)電、機(jī)械、汽車制造等工礦企業(yè)；④ZonicBook專業(yè)振動(dòng)、噪聲測(cè)試儀：這是一款擁有8通道動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試，4通道轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入，可選配各種專業(yè)振動(dòng)分析軟件的系統(tǒng)：能夠?qū)崿F(xiàn)eZ-Analyst實(shí)時(shí)振動(dòng)噪聲分析、eZ-TOMAS機(jī)械振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)、eZ-Balance機(jī)械平衡分析、eZ-NDT/RI專業(yè)無損傷檢測(cè)等功能；⑤HYPERLINK"/portable-data-acquisition