便携式振动仪—毕业论文检查版

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1、. 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 指导教师 评阅教师 时 间.目录摘 要IAbstractII1 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/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19

2、4.3 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.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

3、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.AbstractPortable vibration measuri

4、ng instrument is a portable mechanical vibration measuring instruments, can be easily measured vibration acceleration, velocity and other parameters of vibration, the vibration can be used to rotate and reciprocating machines reliable quantitative evaluation of mechanical design and manufacturing, m

5、ilitary, electricity, equipment management, transportation and environmental protection departments of equipment failure and aging signal line detection and monitoring, product quality control, vibration measurement and vibration control tests and other work to provide a great convenience. In this p

6、aper,the current development situation of domestic and foreign vibration measurement system is analyzed, for existing vibration measurement system is relatively simple,portable inconvenient,expensive and other limitations, developed a small size, high accuracy, low cost, powerful, portable vibration

7、 analyzer.The meter data collection using a piezoelectric sensor, is a measure of the surface vibration acceleration, velocity and displacement.System powered by lithium batteries,the system can guarantee the stability and continuity of the work;For signal conditioning, using a voltage-controlled vo

8、ltage source Butterworth second order high-pass filter to eliminate the interference signal, while ensuring the width of the signal frequency;When processing data, the use of hardware and software integration algorithms, and to improve the measurement accuracy while maintaining a rapid measurement.T

9、herefore, the actual use of portable measuring instrument, equipment in industrial processes can be made more secure, and more reliable to be used, but also to maintain real-time monitoring of equipment, can effectively prevent equipment damage potential safety problems.Keywords:Vibration Portable P

10、iezoelectric sensor detection monitoring.1 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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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,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

16、仪这一方面与国外仍然有着不小的差距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。

17、 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

18、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。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

19、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：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日本理音公司VM-63 便携式测振仪位

20、移：速度：加速度210Hz-10KHz1Hz-5KHz8500VM-82 振动计位移：0.001-100mm速度：0.3-10001mm/s加速度：0.02-200m/s23Hz-500Hz3Hz-1KHz3Hz-1KHzVM-63 的改进型:重320克9800VA-83便携式测振仪位移：0.03-1000mm速度：3-1000cm/s加速度：0.3-1000m/s20.1Hz-100Hz0.1Hz-10KHz0.1Hz-100KHz可存储500组数据4500北京测振仪器厂GZ-6A位移：0.001-10mm速度：0.001-10mm/s加速度：0.01-100m/s20.3Hz-15Hz50

21、00GZ-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：加速度：210Hz-10KHz1Hz-5KHz35002 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。 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

22、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 4A/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。 6LCD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

23、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,

24、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比较,并通过输出端对电池充电进行实时

25、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R1和R2设定,R2一般选择低于260K的数值,则R1为：其中为充电下限,等于2.2V,VREF为1.3V。所以为了减小R3和R3上的功耗R1和R2的取值不应当太小,所以取R2200K,此时R1136K,由于锂离子池电压低于2.2V时,将造成永久性破坏,所以将R1的值取稍大一些为140K。 在将+5V电压转换为-5V电压时,采用了DC/DC反相集成电路ICL7660。ICL7660时Harris公司采用CMOS工艺制造的高效率、小功耗直流电压转换器,可单电源转换成对称输出的双电源,它的主要特点是： 1工作范围宽：

26、1.5V10.5V； 2低功耗,静态电流小于0.5mA； 3转出电流10mA,典型电源转换效率为98； 4外围电路简单,接2个电容即可工作。图3.1DC/DC转换电路图3.2 传感器的选取 传感器是能够感受规定的被测量并按照一定得规定转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。在振动测量中,把被测的振动力学参数转换成电学参数的装置称为振动测量传感器。压电式传感器的压电元件时利用压电材料制成的,当有一力作用在压电材料上时,传感器就有电荷输出。压电传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为前提的19。 便携式振动仪的组成根据所用传感器的不同而有不同的形式,如：位移传感器、速度传感器

27、和加速度传感器等。加速度传感器通常可以做的比速度传感器的尺寸小、重量轻,且工作频率较宽。在测量时,不仅传感器对试件振动特性的影响小,而且所测得结果也更接近某个点,而不是某个面的振动,同时能更好的适应振动频率的要求。所以近年来有使用加速度传感器代替速度传感器的倾向22。 在振动测量中,加速度传感器直接受振动加速度信号,它的输出信号与振动加速度成正比。如果再经过一、二次积分网络,还可测得振动速度和振动位移。加速度传感器有多种结构型式,如压电式加速度传感器和电容式加速度传感器等。由于压电式加速度传感器有着体积小、重量轻、坚实可靠、灵敏度较高、可用频率范围较宽等优点,所以它在振动测量中得到较为广泛的应

28、用8。本设计采用的是压电式加速度传感器,它输出的是电荷信号和加速度信号成正比,其输出阻抗很大,固有频率比较高,能够适用于一般的机械振动的变化范围。本设计采用YD系列压电式传感器YD-14。 压电式加速度传感器在振动测试领域中是应用最广泛的传感器之一,因为它具有工作频带宽、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、不易损坏等有点。压电式传感器主要利用压电晶体受压缩时产生压电效应,产生电荷量,主要结构形式有周边压缩式、中心压缩式和剪切式等,不论采用何种形式,其力学模型均可简化为一个单自由度质量弹簧系统,如图3.2所示。 图3.2 压电式加速度传感器的力学模型m-质量、K-弹簧、C-阻尼 由于电压传感器采用

29、空气阻尼,即C很小趋于零,当被测频率n 时,我们可得到传感器质量块与基座的相对位移d与振动加速度a成正比。根据压电效应的原理,当晶体上收到振动作用力后,将产生电荷量,该电荷量Q与作用力F成正比,即：其中：dj 压电常数、M敏感质量、a振动加速度。 本文选择的YD1压电传感器的技术指标为： 1电荷灵敏度: 610 2频率响应: 110,000 3工作温度: -40+80 4最大可测加速度: 2000 5安装螺纹mm: M5 6外形尺寸mm: 15 六方28 7重量g: 263.3 信号调理电路设计信号调理模块的主要作用是将压电式加速度传感器输出的电荷信号转换成电压信号,再经过放大、滤波、积分,转

30、换成可以输入到A/D的信号。3.3.1 电荷放大电路设计 振动测量仪的信号调理电路主要有电荷放大器、滤波器、积分电路组成。压电加速度传感器要求高输入阻抗的电荷放大器传感器的前置放大电路是测振仪电路中直接和传感器连接的部分,对传感器的输出信号进行变换。测振仪中使用的压电晶体加速度传感器,输出电荷信号,所以前置放大电路采用电荷放大器的形式,其输出电压正比于输入电荷。另外还可以将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源输出,起到了阻抗变换的作用。电路原理图如图3.3所示。 图3.3 电荷放大器电路原理图 压电晶体加速度传感器的工作原理是:具有压电效应的物质在受到外界压力时产内部电场,从而在两个输出极板上分

31、别产生一定数量的极性相反的电荷Q,此时压电片相当于一个电容器,其电容值为Ca,图中虚线部分就是压电晶体加速度传感器的等效电路。压电片两板之间输出电压Ua=Q/Ca,考虑到放大器A输入阻抗中的电容Cc,连接电缆的电容Cc,则整个传感器的等效电容C=Ca+ Cc+Ci,此时传感器之间输出部分的实际电压为U=C/Q。但是由于放大器输入阻抗中的电阻Ra以及压电晶体传感器输出电阻Ra不可能是无穷大的,所以将有一部分电荷通过Ri和Ra泄漏掉,导致压电晶体两块极板之间的电压不断下降,这和电容放电的情况类似,极板之间的输出电压将以时间常数RC衰减,衰减的快慢由决定,一般情况下有RaRi,所以尽量增加前置放大电

32、路的输入电阻是压电传感器对前置放大器的主要技术要求之一。电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的运算放大器,由于理想的电荷放大器是纯电容反馈,对于直流信号来说相当于开环,有很大的零点漂移,所以为了稳定工作点,应该在反馈电容C的两端并联一个很大的直流反馈电阻Rf,如图2.4所示。放大器的输出表达式为：+ 因为电荷放大器的开环增益A很大,所以gFg ,CFC ,则公式可以简化为： 3-4 由此可知输出电压U0不但取决于输入电荷Q、反馈电容CF,还与反馈电阻RF和工作频率有关。 当工作频率很低的时候,gF的影响不能够忽略,频率降低,gF/W增大,当其增大到等于时,U0的幅值下降到原来的0.707。

33、此时对应的频率就是电荷放大器的下限频率,即 当频率很高时,由公式可知当CFgF/jw ,输出U0与频率gF无关,其频率上限主要决定于运算放大器的频率响应和输入电缆的影响。若电缆太长,杂散电容和导线电阻增加,将影响电荷放大器的高频特性。由于便携式测振仪的频率测量范围最大是10kHz,相对这个频率而言,运算放大器的高频响应可以不加考虑,另外测振仪电路和传感器的连接电缆很短,一般只有15mm左右,所以电缆对电荷放大器频率上限的影响也可以忽略不计.综上所述,设计电荷放大器的关键是运算放大器、反馈电容和反馈电阻的选择。根据上述原则,我们选用TI公司研制的TLC27M7高精密两路、低功耗运算放大器,双电源

34、供电,输入阻抗达1012,最大输入失调电压0.5mV,共模抑制比91dB,噪声电压32nV/HZ,其输入阻抗很高,能够满足电荷放大器的设计要求。另外,在反馈电容选择上充分考虑电荷放大器的增益和输入端电容,以及噪声、零漂等因素,我们选择反馈电容CF是0.01F,确定反馈电容之后根据频率响应和阻抗匹配等因素确定反馈电阻,同时经过多次在标准振动台做试验,选择Rf=22M,此时求出电荷放大器的低频下限频率是0.72Hz,满足设计要求7。3.3.2 电压放大电路设计 经过电荷放大器输出的电压信号仍然很微弱,为了满足测量精度的要求,对输出电压需要进行高倍放大后才能够进入A/D转换。充分利用TLC27M7运

35、放噪声小、精度高、共模抑制比高以及双电源供电,增益可以很大的优势,以满足抗混淆滤波和A/D采样进行信号处理的要求。 根据技术要求及市场情况,选择模拟器件公司生产的AD626差分运算放大器。AD626既能用单电源供电,也能用双电源供电,视需要和可能灵活应用。用5V电源电压工作时,运放输出电压为+0.03V +4.7V,此时电路增益为10。如果外接一个电阻,就能很容易实现增益的调节；如果用一个电容连到FILTER引脚和模拟地之间,就能提供低通滤波器的作用。其主要引脚图示于表3-1所示。表3-1 引脚图 引脚 符号 功能1,8-IN,+IN差分输入负端和正端2ANALOG GND模拟地3-V负电源输

36、入端。单电源供电时,接地；双电源供电时,接负电源6+V正电源输入端4FILTER滤波器输出端。该端与地之间接某一电容,就能实现低通滤波的功能5OUT输出端7G=100增益选择端。该端接地,G100；悬空,G10利用AD626能方便实现低通滤波器的功能,只要在滤波器引脚和地之间连接一个电容,就能进行低通滤波,其电路如图3.4所示。将引脚7接入地之可以得到的放大倍数为100,即K=100。图3.4 AD626电路图3.3.3 积分电路设计 本设计智能化振动测试仪的测量的基本参数是加速度,速度和位移,系统所采用的传感器是压电式加速度传感器,所以必须把加速度信号转换为速度和位移信号,加速度和速度、位移

37、之间存在积分关系,这部分设计的目的就是设计积分电路把加速度信号转换为速度和位移信号。1一级积分电路设计 一级积分器电路设计需要把加速度信号转换为速度信号,电路图如图3.5所示。图3.5 一级积分电路图2二级积分电路设计 二级积分器电路设计需要把速度速度信号转换为位移信号,电路图如图3.6所示。图3.6 二级积分器电路3.4 A/D 的选取A/D转换器是一种能把输入模拟电压或电流变成与它成正比的数字量,即能把被控制对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。A/D转换器种类很多,但从原理上通常可分为以下四种：计数器式A/D转换器、双积分式A/D转换器,逐次逼近式A/D转换器和并行A/D转换器

38、。本设计采用的是逐次逼近式A/D转换器。ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器,可以和微机直接接口。ADC0809由8路模拟开关、地址锁存器与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。ADC0809采用的是双列直插式封装,有28条引脚,其技术指标如下： 1分辨率：8位 2转换时间：100us 3转换误差/LSB：1/ 2 1 4模拟输入范围/V：0+5V 5工作电压/V：单电源+5V 6基准电压： V REF VCC , V REF 0其外部封装图如图3.7所示。图3.7 ADC0809的外部封装图其中各引脚功能具体如下： 1IN

39、0-IN7为八路模拟电压输入线,用于输入被转换的模拟电压。 2地址输入和控制 ALE为地址所存允许输入线,高电平有效。当ALE线为高电平时,ADDA 、ADDB、ADDC 三条地址线上的地址信号得以锁存,经译码后控制8路模拟开关工作。ADDA 、ADDB、ADDC为地址输入线,用于选择IN0-IN7上的哪一路模拟电压送给比较器进行A/D 转换。 3数字量输出及控制线START为启动脉冲输入线,该线上的正脉冲由CPU 送来,宽度应大于100ns,上升沿清零SAR,下降沿启动ADC工作。EOC为装换金属输入线,改线上的高电平表示A/D转换已结束,数字量已锁入三态输入锁存器2-1-2-8 为数字量输

40、出线,2-1为最高位。OE为输出允许线,高电平时能使2-1-2-8 引脚上输出转换后的数字量。 4电源线及其其他CLOCK为时钟输入线,用于为ADC0809提供逐次比较所需640kHz使中国脉冲序列。VCC为+5V电源输入线,GND为地线。VREF和VREF为参考电压输入线,用于给电阻阶梯网络供给标准电压。VREF常和VCC相连,VREF常接地或负电源电压。3.5 单片机的选取 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100

41、次。之所以选择该器件,是应为它采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案14。其主要特性有： 1与MCS-51兼容 24K字节可编程闪烁存储器 3寿命: 1000写/擦循环 4数据保留时间：10年 5全静态工作：0Hz-24MHz 6片内振荡器和时钟电路 71288位内部RAM 832可编程I/O线 9两个16位定时器/计数器 105个中断源 11可编程串行通道 12低功耗的闲

42、置和掉电模式其外部封装图如3.8所示。图3.8 AT89C51单片机外部封装图3.6 LCD显示和键盘电路设计1 LCD显示 本系统设计所选用的液晶显示器件为LCD1602,其主要技术参数：显示容量:162个字符芯片工作电压:4.55.5V工作电流:2.0mA模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.954.35mm对于LCD的引脚功能说明,LCD1602采用标准的15脚无背光或16脚带背光接口,各引脚接口说明如下表3-2所示。表3-2 LCD的引脚功能编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数

43、据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极2 键盘电路设计为了简便硬件电路,本设计只设计了两种按键来进行人机互动。复位按钮,用来给单片机进行复位操作,电路图如图3.9所示。图3.9 复位电路图显示切换按钮,是用来切换显示加速度、速度、位移三个检测参数,本设计中使用了两个独立按键来选择显示对应通道的电压,其中KEY1每按一下通道数就减1并在LCD1602上显示对应通道的电压,KEY2每按一下通道数就加1并在LCD1602上显示对应通道的电压,这样就十分方便查看不同通道的数据。键盘与单片机的连接电路如图3.10所示：图3.1

44、0 切换电路图3.7 总体电路图图3.10 数据采集和处理模块电路图图3.11A/D转换和LCD显示模块电路图4 软件设计4.1 软件开发环境KeilC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51编译器的功能不断增强,使你可以更加贴近CPU本身,及其它的衍生产品。C51已被完全集成到uVision4的集成开发环境中,这个集成开发环境包含：编译器,汇编器,实时操作系统,项目管理器,调试器10。4.2 主程序设计整个系统软件设计主要是将被测量的数据采集到系统中,通过数据处理把被测量的数字显示在系统的显示屏上。系统采用模块化编程,将各部分功

45、能分别实现,然后按自上而下的顺序执行,其中包含的功能子程序有：数据采集子程序、数据处理子程序、数值显示子程序。主程序流程图如图4.1所示：图4.1 主程序流程图其程序代码为：void main LcdInit;TimeInit;while AdTr; delay; AdTr; delay; AdTr; delay;disp;disp;keyscan; 4.3 LCD显示子程序LCD显示部分软件是根据LCD1602显示驱动程序来编写的,其LCD显示部分流程图如图4.2所示。如图4.2 LCD 流程图其程序代码为：/*初始化函数*/void LcdInitlcdrw=0;delay;lcden=0

46、;/使能位置低电平 write_com;write_com;write_com;write_com;write_com;delayl;/*写命令函数*/void write_comlcdrs=0;P0=com;delay;lcden=1;delay;lcden=0;/*写数据函数*/void write_datalcdrs=1;P0=date;delay;lcden=1;delay;lcden=0;void dispwrite_com;whilewrite_data; p+; 5 系统仿真和测试结果根据方案设计结果,进行了硬件电路在Proteus下的仿真。当通过电位器调节AD转换器输入端的电压

47、时,模拟电压值经过A/D转换后,经由单片机将转换后的电压值发送至P0口,供LCD进行显示。仿真过程描述：通过KEIL软件对所编程序进行编译,生成.hex文件,在Proteus软件中,用MCS51单片机调用.hex,即可进行硬件的仿真。该仿真包括两部分：对3路电压进行采集,经由A/D转换器进行转化,转化后的16进制数存于单片机的内部存储器中。对转换后的电压进行显示。将内部存储器中存储的转化后的电压对应的16进制数付给P0口,由LCD进行显示。调节电位器LCD的显示数据也会发生变化。假设a=100m/s2仿真数据如图5.1、5.2、5.3所示。如图5.1 通道1数据采集如图5.2 通道2数据采集如

48、图5.3 通道3数据采集6 结 论 本文主要介绍了一种便携式振动仪的总体结构的设计以及各个模块的结构和具体实现细节,该系统采用嵌入式系统的设计方法,把当今的IC技术、嵌入式技术、通讯技术、数字信号处理技术和故障诊断理论结合在一起,设计并开发了一种智能化、高性能的振动测试分析仪。该仪表具有以下主要特点： 1在信号采集方面使用压电式加速度传感器,保证了采集数据的频带宽度。 2在数据处理中采用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。 3人机交换效果好,本系统提供了良好的人机交互环境,键盘可操作性好,LCD 显示可持续性强,上位机界面可维护性好。 4通讯采用RS232 接口

49、,极大提高了数据传输的速度,并为二次开发提供了良好的基础。 5本振动测量系统便携性比较好,体积小,便于在工业现场灵活使用。 6系统成本低廉,利于广泛应用。 最后通过对测振仪进行仿真分析,证明该测振仪满足各项性能指标,设计方案是可行的。 由于时间和成本的关系,文中还有许多不足和有待改进之处。目前本测振仪还不具有打印测量结果,这不利于大量的测量数据的保存。另外没有只在硬件方面进行抗干扰方面的设计,没有在软件方面进行标定,还需要大量的时间进行软件设计和数据标定。由于测量加速度、速度和位移时所需要完成的工作量各不相同,所需要花费的时间也不相同。所以手动切换时需要控制时间,否则显示的并不是本次测量的真实

50、结果,可以将采样率适当提高,以提高测量精度和减小纹波或者设计更加合理的人机接口。本文设计便携式测振仪只能对振动的测试数据做简单的处理和分析,它还不能单独作为故障振动诊断的辅助工具。所以在后续的工作中,为配合仪器设备的开发,需要设计一套振动测试数据处理与分析软件。致 谢经过半年的忙碌,本次毕业论文设计已经接近尾声,作为一个本科生,由于知识和经验的缺乏,难免有许多考虑不周全的地方,诚心希望老师和同学给与指导和修改。 首先我要感谢我的导师鲁进老师近半年来对我的指导和谆谆教诲。本研究是在鲁进老师的全力指导下完成的,从论文的选题、实验方案的制定和实施到论文的修改定稿,鲁老师都倾注了大量的心血和经历。她精

51、益求精的工作作风,对科学研究的执着以及对事业的热爱深深感染了我,这些都是我终身学习的榜样和努力地方向！每念至此,崇高的敬意不禁油然而生,在此,我谨向导师表示我最衷心的感谢！ 此外,还要感谢在大学四年中帮助我的人,感谢电子信息与自动化学院测控技术与仪器的所有老师在学习上的点拨和指导,以及提供大量学习资源的图书馆。同时,也要感谢在论文写作过程中,帮助过我、并且共同奋斗四年的大学同学们,能够顺利完成论文,是因为一路上有你。再次衷心地感谢所有在我论文写作过程中给予过我帮助的人们,谢谢你们！参考文献1 于洋等.机械振动检测仪器的研制J.仪表技术与传感器,2008,9:36-45.2 邵根富,林燕雄.智能

52、振动测量仪的设计J.测控技术,2007,12:22-25.3 祝刚等.振动测试仪检测装置的设计J.传感器与仪器仪表,2007,187-188.4 葛杨翔等.压电双晶片的静动态特性分析与测量J.压电与声光,2006,28 :621-623.5 程振宇等.便携式振动测量系统的研制J.仪表技术与传感器,2000,5:22-246 张思主编.振动测试与分析技术M.北京: 清华大学出版社, 1992;124-125.7 郑方,徐明星.信号处理原理M.北京:清华大学出版社,2007.8 单成祥,牛彦文,张春.传感器原理及应用M.北京:国防工业出版社,2006.9 胡汉才.单片机原理及其接口技术M.北京:清

53、华大学出版社,2004.10 赵景波,王劲松等.PROTEL2004电路设计M.北京:电子工业出版社,2007.11 孙传友,孙晓斌,汉泽西,张欣.测控系统原理与设计M.北京：北京航空航天 大学出版社,2002.12 李晓雷.机械振动基础M.北京:北京理工大学出版社.2005.13 Albert Krohn. Inexpensive and Automatic Calibration for Acceleration Sensors. Telecooperation Office Universit at Karlsruhe.14 张友善等.单片微型机原理应用与实验M.上海:复旦大学出版社,1

54、992.15 纪宗南编著.8098单片微型机应用实例M.XX:XX电子科技大学出版社, 1994:16-45.16 周荣华.加速度计灵敏度校准方法的研究J.汽车科技,2005,.17 陈如华.振动测量系统的分析与探讨J.电子工程,1996:67-72.18 程振宇,于华滨.便携式振动测量系统的研制J仪器技术与传感器,2004 :22-24.19 黄贤武,郑筱霞.传感器原理与应用M.XX:电子科技大学出版社,2005: 111-12220 郁有文,常健,程继红.传感器原理与工程应用M.2 版.XX:XX电子科大 学出版社2004:103-11221 黄继昌,许巧鱼,张海贵.传感器工作原理及应用实

55、例M.北京:人民邮电出 版社1998:16022 卓敏.基于压电加速度计的振动测量原理与应用J.航空精密制造技术, 200423 陈云庆.振动测量在故障诊断中的应用J.上海计量测试,2005:31-3424 G.DMicheli,RKGupta,Hardware/Software Codesign,IEEE Proceedings,Mar 1997,VOL 85,No3：349365.25 WWolf A Decade of Hardware/Software Codesign,IEEE Computer magzine,April 2003：38-43.附录A 程序设计源程序#include

56、#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*定义LCD1602*/sbit lcdrs=P30;/数据命令选择位sbit lcden=P31;/使能位sbit lcdrw=P32;/*定义ADC0808接口信息*/sbit ADA=P20;sbit ADB=P21;sbit ADC=P22;sbit EOC=P23;sbit CLK=P24;sbit START=P25;sbit OE=P26;/*键盘管脚定义*/sbit key1=P33;sbit key2=P37;/*定义数据*/uchar tab1=48,4

57、6,48,48,48,46,48,48,48,46,48,48,48,46,48,48;/存放AD采集数据uchar tab2=48,46,48,48,48,46,48,48,48,46,48,48,48,46,48,48;uchar tab3=TONGLU:;uchar tab4=DIANYA:;uchar tab5=12345678;uchar num,m=0,getdata=0;uint temp=0;/*延时函数*/void delayuchar x,y;for0;x-for0;y-;void delayluchar i;for0;i-delay;/*写命令函数*/void write_comlcdrs=0;P0=com;delay;lcden=1;delay;lc