镗孔振动测量系统设计 - 图文

陕西理工学院毕业设计论文

仪表采用AI仪表常用的F型结构，外部尺寸为(4839631 10)mm ．在变压器等元器件选择时考虑满足安装空间和散热的要求。

2.2.2 功能模块设计

（1）电源模块

系统需要为电涡流位移传感器提供±12 V的电源，为单片机及AD737等提供±5 V的电源。查阅资料，由7800和7900系列搭配使用，构成同时输出正、负压的稳压电源。该电路的特点是公用一套整流滤波电路。由于负载与电源公共地未连通，需增an-极管VD起保护作用。 （2）低通滤波器

受各种干扰因素影响，振动信号通常分布在一个较宽的频带范围内，而有用的特征信息则往往集中在一个或几个频带内。滤除干扰信号，可以提高信噪比。运用由二阶压控电压源组成的有源4阶低通切比雪夫滤波器 。其设计指标如下：截止频率为2 kHz；阻带为5 kHz，衰耗45 dB以上；增益为1．586。根据滤波电路公式求出各参数，再通过实验对此单元进行独立验证。可以得出，这种滤波器通带增益稳定，过渡带较陡峭，增益衰减较快。 （3）显示模块

显示电路用来实时显示测量量和报警设定值等信息。系统采8位数码管和驱动芯片MAX7219 。MAX7219是一种可编程串口显示驱动芯片，仅需单片机的3个引脚便可以实现全部功能，与传统的驱动芯片相比，节省了很多引脚资源，并且稳定性高。 （4）串口通信模块

利用RS一232接口实现单片机与上位机的串口通信，采用(9600，8，N，1)通信协议，即波特率为9 600 bit／s，传送或接收8个数据位，没有校验检查，1个停止位，起始位一直存在。

（5）单片机系统和报警系统

考虑到低功耗和经济性，选用51内核的STC12C5410AD单片机，芯片内部有512个字节RAM存储器和l0个ROM存储器，无需外部扩展数据存储器，具有较高的系统可靠性。此外，芯片自带8路l0位A／D转换电路，6个中断源，2个l6位定时器，大大方便了系统的设计。报警装置主要是为在振幅超过给定值之后产生报警信号。系统设计两级报警模式和报警设定值在线修改功能。一级报警通过指示灯来显示，二级报警通过继电器切断设备电源。继电器采用SPDT单刀双掷型继电器，完全隔离的干触点输出，可以接常闭或常开端子。继电器最大负载为1O A，可以直接连接任何PLC或DCS，也可以控制报警器、机

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组继电器等。 （6）检波电路

峰峰值反映了振动的最大幅值，在振动仪表设计中采用峰峰值作为测量振动位移的参数 。峰峰值测量常用方法有2种：软件实现、硬件实现。利用软件求取振动峰峰值占用单片机大量资原，会使系统的实时性降低。要建立高可靠性和实时性强的测量系统，硬件测量能够克服软件的不足。具体实现是利用价格便宜的AD737真有效值测量芯片，引入程序算法和数字滤波，换算得到振动的峰峰值。此法与峰峰值检波电路实现方法相比，克服了检波电路的波动性，具有电路简单、稳定性好、抗干扰能力强的特点。

2.2.3 软件设计

软件的功能是对有效值直流转换器输出的直流信号进行A／D转换、数字滤波、抗干扰和峰峰值转换，然后输出显示、判断报警、向上位机传送数据，并实现相应的按键操作 。采用递推平均值法提高系统测量数据的精度和稳定性。软件流程见图2.6

系统上电 中断进入 系统初始化 数字滤波峰峰值转化 静态位移显示 报警的判断 调整传感器 结果显示数据输出 等待中断 （a）

一次数据处理结束 （b）

图2.6 软件流程图

2.3方案三

双通道振动测量系统的设计

根据任务要求，本方案分为以下几个模块：传感器模块、转换器模块、处理器模块和显示器模块，其系统原理框图如图2.7所示。

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图2.7 系统原理框图

2.3.1 整体设计

双通道振动测量系统就是用来将镗杆振动的振幅直观的显现出来的一种测量仪器。电涡流传感器是将被测非电量的变化转换为电压量变化的一种传感器。其结构简单、高分辨力、可非接触测量。这是它的独特优点。可用于测量位移、振动等参数。传感器出来的信号经过后续转换电路变成电压信号，这种信号属于模拟量，在经过放大器后送入模数转换器变成数字量，之后送到单片机进行处理，并最终显示出来。如图2.8所示

2.3.2 功能模块设计

传感器：BENTLY 3300 XL 8m 电涡流感器，通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值，对镗杆振动的测量方式必须是非接触式的，所以选用电涡流感器。

转换器：目前最常用的是双积分式和逐次逼近式。根据实用性和性价比，选择ADC0809实现模拟量到数字量的转换。ADC0809是CMOS工艺,采用逐次逼近法的8为A/D转换芯片。芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，片内除了A/D转换部分外还有多路模拟开关部分。多路开关有8路模拟量输入端，最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。

控制器：以AT89S51单片机为核心，由它于体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、位移、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪

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表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用模拟电路或数字电路更加强大，移植性强。虽然单片机种类繁多，各具特色，但仍以89C51为核心的单片机占主流。它价格低廉、品种齐全、应用软件丰富、支持环境充分、开发方便。

显示器：显示器是计算机的主要输出设备，它把运算结果、程序清单等以字符的形式显示出来，以供用户查阅。目前常用的显示器有LED显示器和LCD显示器。其中液晶显示器LCD以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、没有电脑辐射、寿命长等优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。本设计拟采用LCD1602字符型液晶模块，它是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等，常用的是2行16个字的1602液晶模块。1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)。

图2.8 系统原理图

2.4 设计方案论证

方案一是制一个简易的弓形传感装置，再采用普通的电子设备即可测出微动振幅的量值。而且由于弓形传感器可直接将位移信号转换为电信号输出，中间环节少．因而该

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