机械振动监测系统_软件部分
机械振动监测系统__软件部分[20200102175427]
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。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:机械振动,ADXL345,NRF24L01
目 录
1 引言 1
1.1 课题研究背景及其意义 1
1.2 国内外研究现状 3
1.3 发展趋势 4
2 振动监测技术 5
3 本系统总体的设计方案 6
3.1 三轴加速度计ADXL345结构和功能特性 6
3.2 NRF24L01无线收发模块的结构和功能特性 8
3.3 IIC通信串口数据传输 8
4 软件系统的设计 10
4.1 单片机软件设计 11
4.2 上位机应用软件设计 12
4.3 节点软件设计 13
5 实验对象的选择以及信号读取方式 14
6 设计调试过程 15
6.1 软件协同硬件调试过程 15
6.2 软件调试过程 16
6.3 调试结果 23
附录 28
1 引言
振动监测技术被普遍使用在以下一些方面：航空航天、车辆、兵器、火器、桥梁、纺织、日常生活、产业检测等范畴，比方说车辆防撬防拖动的防盗报警设备振动监测系统，爆破产生振动的研究，地铁行驶过程中对周围建筑所产生的影响的研究等。可以这么说,振动监测与研究技术已普遍使用在产物研究、策划、物品和运转的全部过程中。振动信号的研究和处置技巧正常可分为时域、频域、时频域分析和时段序列建模分析等方面。对振动信号从各种技能和各种角度进行研究处理，运用多样化的手段来采集振动信号特征。机械设备的高速度、机械设备规模化和自动化的发展，一方面发展了生产力，另一方面对安全维护提出了更高的要求。设备产生振动是机器在运行过程中产生的最普遍的现象，就是这小小的振动却在机械振动监测领域中占有一席之地，对振动信号的在线监测和分析可诊断系统及其部件的工作是否正常。
1.1 课题研究背景及其意义
20世纪至今,随着工业生产与科学技术的慢慢发展,设备所应具有的可靠性、可用性、可维修性以及安全性的问题逐渐浮出水面,督促大家对机械振动监测技术进行进一步的探讨。一方面,当代机器设备逐渐向大型、结构复杂、自动和连续的方向发展,机器如果产生故障,就会给生产和人们的生命财产产生致命的危害。机器如果有故障,不严重时则导致机器停止工作,并产生一定的亏损,严重的清况下使得设备严重毁坏和人员伤亡,从而引起更加惨烈的社会恶果。在这期间,机器修理所损失的费用占据了企业经营的大部分,运用状态监测系统可以提升机器运行的可靠性，拉长机器使用寿命,让机器的维修变得更加科学与高效；另一方面,传感器技术、数字信号处理技术和现代测试技术等类似学科的不断发展,尤其是计算机技术与网络技术发展的非常迅猛,并作为机器振动监测一个重要的技术支持,支撑着机械振动监测技术不断研究。在这种情况下,受医学诊断书中一些基本逻辑思维的启迪,就构成了一门新的学科——振动监测设备。
机械振动监测的研究在预防重大灾难性事项以及巨大财产损失上面拥有重大意义。在中国,1985年12月29日,仅用40秒的时间就摧毁了一台具有20万千瓦的发电机,陕西电厂一夜之间经济损失超过1000万元[1]；1986年依旧是中国的山西和陕西接连产生两起恶性事件，20万千瓦的电站机组因为运转失去平衡致使机组振动加剧,轴系部分断裂,其中伴随着零件的飞溅从而破坏厂房导致经济损失巨大；1998年中国一钢厂由于没有及时的检测振动导致大功率鼓风机的众多叶片断裂,高炉瞬间被摧毁,造成巨大的经济损失。在国外,1970年以来就直接新闻和报纸播报的就超过50起案例。1972年日本关西电力公司Kainna电厂一台60OMW汽轮发电机组,断裂为18段的严重事故,直接经济损失达到9千万马克[1]。这些设备造成的故障给生产和人们的生活造成了重大损失。对功率为200MW的一台汽轮发电机来说,停止运行一整天就少发电480万千瓦时,经济损失超过数百万元。一台重达30万吨的合成氨压缩机,停止运行一个小时所产生的损失超过几十万元。对水电火电、石油生产、冶金、设备仪器、航空航天等产业来说是需要很强的连续性、足够复杂的系统、高度自动化的巨型化生产的要求的,因此机械振动监测技术显得及其重要。70年代以来全国各地开始探索并分析振动检测技术,把它应用于实际实践中，而且获得了良好的经济效益及社会效益。汇总日本的工业设备显示，在工厂使用振动监测技术不但能减少维修成本的范围在25%~26%之间,降低灾难发生率高达75%；英国选择在2500个工厂进行实验，选择机械振动监测技术的工厂每年在维修费上就少用了3亿英镑以及监测机械设备技术的费用只需要0.5亿英镑。因此机械振动监测的研究与应用在减少不必要的经济损失上有着举足轻重的意义。
给机械振动监测提供了许多技术支持的有信息传感技术、信号处理技术和当代测试技术等，主要是计算机技术及网络技术做出了巨大支持，从而真正实现使大型机械的在线振动监测与分析。美国开始可靠性工程研究，为确保机器零部件的可靠与安全使用概率统计的方法来检测机器，据此采用适当的维修方法。这样即可以提升设备运行的可靠性也可以降低维修成本，最终得到了预想的结局。基于此,少数发达国家采取使用新的振动监测技术来进行机械的管理与维修，按照机械的振动监测与分析来预知,确定修理工作计划与时间，拟定修理方案。振动监测技术在生产使用中，将转变修理措施，经查看与熟悉机械的运行状态，降低突然发生的停止运行机器的状态与修理过剩现象，减少修理成本，获得更好的经济效益，提高了设备的可用性。
本文的振动测量的意义主要在于有以下两个方面：
(1)预防事故的发生，确保人身和设备的安全。预防事故，保证人身和设备的安全是进行机械诊断工作的首要实现的目标。大家都了解，部分机械，尤其是很多巨型机械如果产生问题就必然会引起一连串的事故，引起重大的经济亏损，乃至毁灭性的破坏。所以，只有主动开展振动检测技术才能真正维护人身和财产的安全，避免不必要的事故发生。
(2)减少不必要的经济损失。采用机械振动监测系统诊断设备将会减少不必要的经济损失，相比于不使用该系统的工厂一年内在设备突然产生故障上所产生的花费要比只进行机械振动诊断所花费的经济损失要多出数倍。外国部分实验查询指出，开展机械诊断技术能够减少巨大的经济损失。例如：英国对 2000 个工厂做过实验，最终显示，使用设备监测技术的每年的修理费将降低3亿英镑，不使用该技术的费用高达0.5亿英镑，纯利润为2.5亿英镑。如果在中国的大型电厂有故障，需要停止运行一天的话产生的亏损就高达约一百万元。因此，设备故障的有效诊断，具有明显的经济效益。
所以应用先进的振动监测与分析技术研究,确保主要机械高速，高效率与安全运作,防止产生重大的财产损失与灾难性事件,终将带来巨大的国民财富, 这是当前技术的一个重要研究问题。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外机械振动监测系统的发展现状
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。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:机械振动,ADXL345,NRF24L01
目 录
1 引言 1
1.1 课题研究背景及其意义 1
1.2 国内外研究现状 3
1.3 发展趋势 4
2 振动监测技术 5
3 本系统总体的设计方案 6
3.1 三轴加速度计ADXL345结构和功能特性 6
3.2 NRF24L01无线收发模块的结构和功能特性 8
3.3 IIC通信串口数据传输 8
4 软件系统的设计 10
4.1 单片机软件设计 11
4.2 上位机应用软件设计 12
4.3 节点软件设计 13
5 实验对象的选择以及信号读取方式 14
6 设计调试过程 15
6.1 软件协同硬件调试过程 15
6.2 软件调试过程 16
6.3 调试结果 23
附录 28
1 引言
振动监测技术被普遍使用在以下一些方面：航空航天、车辆、兵器、火器、桥梁、纺织、日常生活、产业检测等范畴，比方说车辆防撬防拖动的防盗报警设备振动监测系统，爆破产生振动的研究，地铁行驶过程中对周围建筑所产生的影响的研究等。可以这么说,振动监测与研究技术已普遍使用在产物研究、策划、物品和运转的全部过程中。振动信号的研究和处置技巧正常可分为时域、频域、时频域分析和时段序列建模分析等方面。对振动信号从各种技能和各种角度进行研究处理，运用多样化的手段来采集振动信号特征。机械设备的高速度、机械设备规模化和自动化的发展，一方面发展了生产力，另一方面对安全维护提出了更高的要求。设备产生振动是机器在运行过程中产生的最普遍的现象，就是这小小的振动却在机械振动监测领域中占有一席之地，对振动信号的在线监测和分析可诊断系统及其部件的工作是否正常。
1.1 课题研究背景及其意义
20世纪至今,随着工业生产与科学技术的慢慢发展,设备所应具有的可靠性、可用性、可维修性以及安全性的问题逐渐浮出水面,督促大家对机械振动监测技术进行进一步的探讨。一方面,当代机器设备逐渐向大型、结构复杂、自动和连续的方向发展,机器如果产生故障,就会给生产和人们的生命财产产生致命的危害。机器如果有故障,不严重时则导致机器停止工作,并产生一定的亏损,严重的清况下使得设备严重毁坏和人员伤亡,从而引起更加惨烈的社会恶果。在这期间,机器修理所损失的费用占据了企业经营的大部分,运用状态监测系统可以提升机器运行的可靠性，拉长机器使用寿命,让机器的维修变得更加科学与高效；另一方面,传感器技术、数字信号处理技术和现代测试技术等类似学科的不断发展,尤其是计算机技术与网络技术发展的非常迅猛,并作为机器振动监测一个重要的技术支持,支撑着机械振动监测技术不断研究。在这种情况下,受医学诊断书中一些基本逻辑思维的启迪,就构成了一门新的学科——振动监测设备。
机械振动监测的研究在预防重大灾难性事项以及巨大财产损失上面拥有重大意义。在中国,1985年12月29日,仅用40秒的时间就摧毁了一台具有20万千瓦的发电机,陕西电厂一夜之间经济损失超过1000万元[1]；1986年依旧是中国的山西和陕西接连产生两起恶性事件，20万千瓦的电站机组因为运转失去平衡致使机组振动加剧,轴系部分断裂,其中伴随着零件的飞溅从而破坏厂房导致经济损失巨大；1998年中国一钢厂由于没有及时的检测振动导致大功率鼓风机的众多叶片断裂,高炉瞬间被摧毁,造成巨大的经济损失。在国外,1970年以来就直接新闻和报纸播报的就超过50起案例。1972年日本关西电力公司Kainna电厂一台60OMW汽轮发电机组,断裂为18段的严重事故,直接经济损失达到9千万马克[1]。这些设备造成的故障给生产和人们的生活造成了重大损失。对功率为200MW的一台汽轮发电机来说,停止运行一整天就少发电480万千瓦时,经济损失超过数百万元。一台重达30万吨的合成氨压缩机,停止运行一个小时所产生的损失超过几十万元。对水电火电、石油生产、冶金、设备仪器、航空航天等产业来说是需要很强的连续性、足够复杂的系统、高度自动化的巨型化生产的要求的,因此机械振动监测技术显得及其重要。70年代以来全国各地开始探索并分析振动检测技术,把它应用于实际实践中，而且获得了良好的经济效益及社会效益。汇总日本的工业设备显示，在工厂使用振动监测技术不但能减少维修成本的范围在25%~26%之间,降低灾难发生率高达75%；英国选择在2500个工厂进行实验，选择机械振动监测技术的工厂每年在维修费上就少用了3亿英镑以及监测机械设备技术的费用只需要0.5亿英镑。因此机械振动监测的研究与应用在减少不必要的经济损失上有着举足轻重的意义。
给机械振动监测提供了许多技术支持的有信息传感技术、信号处理技术和当代测试技术等，主要是计算机技术及网络技术做出了巨大支持，从而真正实现使大型机械的在线振动监测与分析。美国开始可靠性工程研究，为确保机器零部件的可靠与安全使用概率统计的方法来检测机器，据此采用适当的维修方法。这样即可以提升设备运行的可靠性也可以降低维修成本，最终得到了预想的结局。基于此,少数发达国家采取使用新的振动监测技术来进行机械的管理与维修，按照机械的振动监测与分析来预知,确定修理工作计划与时间，拟定修理方案。振动监测技术在生产使用中，将转变修理措施，经查看与熟悉机械的运行状态，降低突然发生的停止运行机器的状态与修理过剩现象，减少修理成本，获得更好的经济效益，提高了设备的可用性。
本文的振动测量的意义主要在于有以下两个方面：
(1)预防事故的发生，确保人身和设备的安全。预防事故，保证人身和设备的安全是进行机械诊断工作的首要实现的目标。大家都了解，部分机械，尤其是很多巨型机械如果产生问题就必然会引起一连串的事故，引起重大的经济亏损，乃至毁灭性的破坏。所以，只有主动开展振动检测技术才能真正维护人身和财产的安全，避免不必要的事故发生。
(2)减少不必要的经济损失。采用机械振动监测系统诊断设备将会减少不必要的经济损失，相比于不使用该系统的工厂一年内在设备突然产生故障上所产生的花费要比只进行机械振动诊断所花费的经济损失要多出数倍。外国部分实验查询指出，开展机械诊断技术能够减少巨大的经济损失。例如：英国对 2000 个工厂做过实验，最终显示，使用设备监测技术的每年的修理费将降低3亿英镑，不使用该技术的费用高达0.5亿英镑，纯利润为2.5亿英镑。如果在中国的大型电厂有故障，需要停止运行一天的话产生的亏损就高达约一百万元。因此，设备故障的有效诊断，具有明显的经济效益。
所以应用先进的振动监测与分析技术研究,确保主要机械高速，高效率与安全运作,防止产生重大的财产损失与灾难性事件,终将带来巨大的国民财富, 这是当前技术的一个重要研究问题。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外机械振动监测系统的发展现状
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