机械振动监测系统_硬件设计
机械振动监测系统_硬件设计[20200102175504]
随着机械设备的精密程度、复杂程度及自动化程度越来越高，机械装备状态监测和故障诊断技术越来越受到重视。而机械振动是机械设备运行中的一个重要的特征参数，因此，机械振动监测是机械设备状态监测和故障诊断的重要手段。 本文主要以STC89C51单片机为核心，采用三轴加速度ADXL345传感器进行振动信号的采集，配以NRF24L01无线收发模块传输数据，采用串口技术的IIC串口将获得的动态数据传送到上位机，由上位机软件平台完成振动信号的波形显示，振幅、平均值、均方根值的计算，以及频谱分析、数据的存储和历史数据查询完成对振动信号的监测 为实现机械振动监测的低成本低功耗无线监测由STC89C52单片机作为主控制器完成数据采集,以NRF24L01为核心器件的无线模块传输数据，采用无线监测软件，研制一套全新的机械振动监测系统，结果表明，该系统实现了对振动信号的接收与显示，并具有数据的存储功能，系统性能良好，完全能实现对振动信号的采集。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:ADXL345；NRF24L01；振动信号；STC89C52
目 录
1 引言 1
1．1 课题背景与意义 1
1．2 国内外现状 1
2 系统方案论证 2
2.1 传感器模块方案比较 2
2.2 主控模块方案比较 7
2.3 无线传输模块方案比较 10
3 系统总体方案 13
3.1 机械振动监测系统的设计思路 13
3.2 总体框架设计 13
4 各模块的电路设计 14
4.1 电源模块设计—LM7805稳压器9V干电池供电 14
4.2 传感器模块电路设计 16
4.3 STC89C52单片机模块电路设计 17
4.5 显示模块电路设计 20
5 安装调试与分析 21
总 结 23
致 谢 25
参 考 文 献 26
附录A： 27
附录B： 28
附录C： 29
1 引言
1.1 课题背景意义
工业化大发展给人类带来了生活和生产上的大变革，人们越来越依赖现代化机械给我们带来的便捷，但无法回避的一个事实是每年因为机械设备故障造成的人员损失经济损失着实让人伤心。国内外都经历过飞机坠毁、轮船沉没、大楼倾倒、大型设备炸毁这类灾难性事故，这样的人间惨剧造成了恶劣的社会影响。在某种程度上来说，这些事故都是可以预防或避免的，例如：震惊全国的上海楼脆脆事件，如果有一套专业的房屋大楼振动监测系统，这样的劣质大楼根本建不起来；还有最近几年，国内某些工厂的大型压缩机由于振动不正常而造成设备的破坏，如果设备装备有专业的振动监测系统这样的问题可以及时发现及时解决。类似事件屡见不鲜[1]。因此给关键设备安装振动监测系统是十分必要的。一些优秀的有远见的企业或工厂早早的认识到了机械振动监测的重要性，并且早早的安装了相关系统，从长远看，这给企业带来的经济效益是无法估计的，同时也给社会带来积极的影响。
随着人类科技水平的迅猛发展，特别是计算机无线网络的发展，使得无线传感器网络的兴起得到了质的飞跃，这使得无线代替传统有线成为不可阻挡的大方向。相对于传统的有线传感器装置，无线具有高灵活性，高可维护性，高扩展性等巨大优势。与此同时，无线网络具有不错的容错性能，进而整个无线传感器监测系统的鲁棒性得以大幅提高，并且传感器节点可以移动，系统的动态拓扑结构也有了不错的改善。鉴于以上优点基于无线传感器网络的机械振动监测系统成为业界的新热点。
1.2 国内外现状
机械振动监测技术在最近几年的设备安全保障方面得到了长足的发展，这发展离不开广大技术人员对于这一课题的贡献[2]。对故障原因的研究是振动监测技术的基础。从技术发展的角度来说，它大致经过了两个过程（1）计算机为核心，通过传感器收集数据，形成实时监测系统（2）人工智能、高效的无线网络的进步，机械振动监测也更加人性化，网络化。
从上个世纪八十年代伊始，国外尤其是美国已经将各种以数据处理为中心的系统应用在实际生产生活中。例如：美国的WHEC(Wesitnghouse Electric Corpoaritno)早在80年代初就致力于建立故障诊断规则库，时至今日已经发展为故障专家诊断系统；IRD(Iniemational Research Development Mechnaalysis) 公司的IQZ000系统囊括了在线实时监测、振动状态实时分析、设备故障预报、故障修理计划的确定等内容。BN（BentylNvadaa）TSI、DDM、TDM、ADRE一3；Atinaat公司的M6000；英国中心的电力部门的trbine监控设备和测试设备监控系统；日本三菱的旋转机械健康监控系统[3]。
1986年我国对机械振动状态监测技术开始研究，在此之前，我国的大型机器设备都是购买国外的监测系统，但国外系统高昂的费用使得很多工厂望而却步。八十年代中后期以来，将“发展以状态监测为基础的预防修理体系”作为六、七、八连续三个五年计划的重大攻关研究课题。前前后后共有三十几个研究院，研究所，十几所国内著名高校，八十几个企业研究部参与攻关，功夫不负有心人，经过十几年的不断探索与发现，取得了傲人的成果。开发出例如：哈工大的MMMD-2系统；西交大的RB-20系统；郑州工学院的RMMDS系统；北京机械学院的BJD-Z系列等等。这些具有我国自主知识产权的系统被广泛应用于机器制造，电子生产，能源勘探，化工安全，运输监控，航空航天，军事等领域产生了深远的影响。时至今日，虽不敢说我国的机械振动监测系统水平赶超国际但也算是紧跟时代的脚步。
目前，我国通过对国外技术的学习与消化，正在推广将实时在线监测系统取代传统的人工定期检查，停机维护的方式。有条件，有能力的公司或工厂，已经尝试使用网络化，智能化的故障诊断分析专家系统，并且取得了可观的经济效益。
2 系统方案论证
2.1 传感器模块方案比较
振动传感器种类很多，目前常用的有两种，一种是按输入传感器振动信号性质来划分，另一类按传感器变换原理来划分。按输入振动信号性质不同可划为:加速度、速度、位移等。
依照转换的原理可以分为很多的电阻传感器，电感传感器，电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器等。振动传感器的选择必须考虑到传感器机能要求:静态特性和动态特性。静态特性的参数大致有3种分别是:线性度、灵敏度、分辨率。和传感器的动态特性用它来表示一些标准输入信号的响应。频率响应作为传感器的动态特性原因是机械振动的信号能够用正弦波显示。
2.1.1 电涡流传感器模块
涡流位移传感器它和其他两种传感器最大的区别是不必与被测物体接触就能测量设备的振动，因此它被广泛的利用。涡流传感器端部有一个线圈，线圈中通有高频(1-ZMHz)交流电力。附近的线圈导体表面时，由于线圈磁通穿过导体，导体和感应涡流磁链，通过初级线圈，线圈和涡流“线圈”形成一定的耦合变压器[4]。之间的耦合系数大小和两者之间的距离，测量涡流的变化，可以找到改变线圈和导体表面的距离。
2.1.2 速度传感器模块
惯性速度传感器是一种接触式传感器，它将被测物体的绝对振动速度转变为可动部分相对于外壳的相对振动速度，然后动力变换部位将相对振动速度变换为电动势，测量电动势即可计算出被测对象的振动速度。惯性速度传感器即有较高的灵敏度和较低的输出阻抗，又能输出较强的功率信号，所以它不容易受到电磁场干扰，对比较复杂，需要很长导线的现场，仍然能获得较高的信噪比。传感器之间的频率范围0.008 IkHz，不需要前置放大器专用，简单的安装和使用，但由于测量频率范围是有限的，所以一般用于测量非旋转部件如承载力、稳定的旋转机械振动的外壳。
2.1.3 加速度模块
加速度传感器是某些晶体材料、压电陶瓷等秦错酸铅(PbZr03PbTi03)加速度传感器机电换能器的压电效应制成的[6]。传感器具有动态范围大、测量频率范围(0.0002 - 10 khz)，振动加速度测量大，因此更适合于那些振动频率高的地方，比如说旋转机械轴承和套壳。虽然高速运转的机械振动频率比较高，幅度也大但加速度幅值仍有一定的规模，因此，高频率的振动的加速度传感器是更理想的选择。
随着机械设备的精密程度、复杂程度及自动化程度越来越高，机械装备状态监测和故障诊断技术越来越受到重视。而机械振动是机械设备运行中的一个重要的特征参数，因此，机械振动监测是机械设备状态监测和故障诊断的重要手段。 本文主要以STC89C51单片机为核心，采用三轴加速度ADXL345传感器进行振动信号的采集，配以NRF24L01无线收发模块传输数据，采用串口技术的IIC串口将获得的动态数据传送到上位机，由上位机软件平台完成振动信号的波形显示，振幅、平均值、均方根值的计算，以及频谱分析、数据的存储和历史数据查询完成对振动信号的监测 为实现机械振动监测的低成本低功耗无线监测由STC89C52单片机作为主控制器完成数据采集,以NRF24L01为核心器件的无线模块传输数据，采用无线监测软件，研制一套全新的机械振动监测系统，结果表明，该系统实现了对振动信号的接收与显示，并具有数据的存储功能，系统性能良好，完全能实现对振动信号的采集。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:ADXL345；NRF24L01；振动信号；STC89C52
目 录
1 引言 1
1．1 课题背景与意义 1
1．2 国内外现状 1
2 系统方案论证 2
2.1 传感器模块方案比较 2
2.2 主控模块方案比较 7
2.3 无线传输模块方案比较 10
3 系统总体方案 13
3.1 机械振动监测系统的设计思路 13
3.2 总体框架设计 13
4 各模块的电路设计 14
4.1 电源模块设计—LM7805稳压器9V干电池供电 14
4.2 传感器模块电路设计 16
4.3 STC89C52单片机模块电路设计 17
4.5 显示模块电路设计 20
5 安装调试与分析 21
总 结 23
致 谢 25
参 考 文 献 26
附录A： 27
附录B： 28
附录C： 29
1 引言
1.1 课题背景意义
工业化大发展给人类带来了生活和生产上的大变革，人们越来越依赖现代化机械给我们带来的便捷，但无法回避的一个事实是每年因为机械设备故障造成的人员损失经济损失着实让人伤心。国内外都经历过飞机坠毁、轮船沉没、大楼倾倒、大型设备炸毁这类灾难性事故，这样的人间惨剧造成了恶劣的社会影响。在某种程度上来说，这些事故都是可以预防或避免的，例如：震惊全国的上海楼脆脆事件，如果有一套专业的房屋大楼振动监测系统，这样的劣质大楼根本建不起来；还有最近几年，国内某些工厂的大型压缩机由于振动不正常而造成设备的破坏，如果设备装备有专业的振动监测系统这样的问题可以及时发现及时解决。类似事件屡见不鲜[1]。因此给关键设备安装振动监测系统是十分必要的。一些优秀的有远见的企业或工厂早早的认识到了机械振动监测的重要性，并且早早的安装了相关系统，从长远看，这给企业带来的经济效益是无法估计的，同时也给社会带来积极的影响。
随着人类科技水平的迅猛发展，特别是计算机无线网络的发展，使得无线传感器网络的兴起得到了质的飞跃，这使得无线代替传统有线成为不可阻挡的大方向。相对于传统的有线传感器装置，无线具有高灵活性，高可维护性，高扩展性等巨大优势。与此同时，无线网络具有不错的容错性能，进而整个无线传感器监测系统的鲁棒性得以大幅提高，并且传感器节点可以移动，系统的动态拓扑结构也有了不错的改善。鉴于以上优点基于无线传感器网络的机械振动监测系统成为业界的新热点。
1.2 国内外现状
机械振动监测技术在最近几年的设备安全保障方面得到了长足的发展，这发展离不开广大技术人员对于这一课题的贡献[2]。对故障原因的研究是振动监测技术的基础。从技术发展的角度来说，它大致经过了两个过程（1）计算机为核心，通过传感器收集数据，形成实时监测系统（2）人工智能、高效的无线网络的进步，机械振动监测也更加人性化，网络化。
从上个世纪八十年代伊始，国外尤其是美国已经将各种以数据处理为中心的系统应用在实际生产生活中。例如：美国的WHEC(Wesitnghouse Electric Corpoaritno)早在80年代初就致力于建立故障诊断规则库，时至今日已经发展为故障专家诊断系统；IRD(Iniemational Research Development Mechnaalysis) 公司的IQZ000系统囊括了在线实时监测、振动状态实时分析、设备故障预报、故障修理计划的确定等内容。BN（BentylNvadaa）TSI、DDM、TDM、ADRE一3；Atinaat公司的M6000；英国中心的电力部门的trbine监控设备和测试设备监控系统；日本三菱的旋转机械健康监控系统[3]。
1986年我国对机械振动状态监测技术开始研究，在此之前，我国的大型机器设备都是购买国外的监测系统，但国外系统高昂的费用使得很多工厂望而却步。八十年代中后期以来，将“发展以状态监测为基础的预防修理体系”作为六、七、八连续三个五年计划的重大攻关研究课题。前前后后共有三十几个研究院，研究所，十几所国内著名高校，八十几个企业研究部参与攻关，功夫不负有心人，经过十几年的不断探索与发现，取得了傲人的成果。开发出例如：哈工大的MMMD-2系统；西交大的RB-20系统；郑州工学院的RMMDS系统；北京机械学院的BJD-Z系列等等。这些具有我国自主知识产权的系统被广泛应用于机器制造，电子生产，能源勘探，化工安全，运输监控，航空航天，军事等领域产生了深远的影响。时至今日，虽不敢说我国的机械振动监测系统水平赶超国际但也算是紧跟时代的脚步。
目前，我国通过对国外技术的学习与消化，正在推广将实时在线监测系统取代传统的人工定期检查，停机维护的方式。有条件，有能力的公司或工厂，已经尝试使用网络化，智能化的故障诊断分析专家系统，并且取得了可观的经济效益。
2 系统方案论证
2.1 传感器模块方案比较
振动传感器种类很多，目前常用的有两种，一种是按输入传感器振动信号性质来划分，另一类按传感器变换原理来划分。按输入振动信号性质不同可划为:加速度、速度、位移等。
依照转换的原理可以分为很多的电阻传感器，电感传感器，电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器等。振动传感器的选择必须考虑到传感器机能要求:静态特性和动态特性。静态特性的参数大致有3种分别是:线性度、灵敏度、分辨率。和传感器的动态特性用它来表示一些标准输入信号的响应。频率响应作为传感器的动态特性原因是机械振动的信号能够用正弦波显示。
2.1.1 电涡流传感器模块
涡流位移传感器它和其他两种传感器最大的区别是不必与被测物体接触就能测量设备的振动，因此它被广泛的利用。涡流传感器端部有一个线圈，线圈中通有高频(1-ZMHz)交流电力。附近的线圈导体表面时，由于线圈磁通穿过导体，导体和感应涡流磁链，通过初级线圈，线圈和涡流“线圈”形成一定的耦合变压器[4]。之间的耦合系数大小和两者之间的距离，测量涡流的变化，可以找到改变线圈和导体表面的距离。
2.1.2 速度传感器模块
惯性速度传感器是一种接触式传感器，它将被测物体的绝对振动速度转变为可动部分相对于外壳的相对振动速度，然后动力变换部位将相对振动速度变换为电动势，测量电动势即可计算出被测对象的振动速度。惯性速度传感器即有较高的灵敏度和较低的输出阻抗，又能输出较强的功率信号，所以它不容易受到电磁场干扰，对比较复杂，需要很长导线的现场，仍然能获得较高的信噪比。传感器之间的频率范围0.008 IkHz，不需要前置放大器专用，简单的安装和使用，但由于测量频率范围是有限的，所以一般用于测量非旋转部件如承载力、稳定的旋转机械振动的外壳。
2.1.3 加速度模块
加速度传感器是某些晶体材料、压电陶瓷等秦错酸铅(PbZr03PbTi03)加速度传感器机电换能器的压电效应制成的[6]。传感器具有动态范围大、测量频率范围(0.0002 - 10 khz)，振动加速度测量大，因此更适合于那些振动频率高的地方，比如说旋转机械轴承和套壳。虽然高速运转的机械振动频率比较高，幅度也大但加速度幅值仍有一定的规模，因此，高频率的振动的加速度传感器是更理想的选择。
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