電機軸承外圈故障診斷裝置的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 線標準規定了21個信號和25個引腳，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數情況下主要使用主通道。完整的RS232C接口采用標準的25芯插頭；對于一般雙工通信，常用9芯插頭，僅需幾條信號線就可實現，最簡單的通訊方式只需3根引線，包括一條發送線、一條接收線和一條地線。 由于RS232C的邏輯0電平規定為+5~+15V，邏輯1電平規定為15~ 5V，因此，在與TTL電路接口時必須經過電平轉換。下面簡單介紹一下常用的RS232C電平轉換芯片MAX232。 MAX232是MAXIM公司生產的、包含兩路接收器和驅動器的RS232C電平轉換芯片，適用于各種232通信接口。MAX232芯片內部有一個電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電源電壓變換成為RS232C輸出電平所需的+10V或10V電壓。所以，采用此芯片接口的串行通信系統只需單一的＋5V電源就可以了。由于其適應性強，加之價格低廉，硬件接口簡單，所以被廣泛采用。MAX232引腳功能說明第一部分是電荷泵電路。由6腳和4只電容構成。功能是產生+12v和12v兩個電源，提供給RS232串口電平的需要。 第二部分是數據轉換通道。由11114腳構成兩個數據通道。其中13腳（R1IN）、12腳(R1OUT)、11腳(T1IN)、14腳(T1OUT)為第一數據通道。8腳(R2IN)、9腳(R2OUT)、10腳(T2IN)、7腳(T2OUT)為第二數據通道。TTL/CMOS數據從T1IN、T2IN輸入轉換成RS232數據從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS232數據從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數據后從R1OUT、R2OUT輸出。 第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC(+5v)。 串口接入電路圖 由硬件電路獲得所需的振動信號以后，需進行A/D采集，通過串口通訊傳入PC機中，使用上位機程序進行后續處理。A/D采集功能及傳輸功能采用C8051F340單片機上集成的USB和10位ADC轉換模塊來實現。采集模塊的總體電路原理圖 采集模塊的原理總圖本系統主要有兩大部分：上位機微處理器控制系統和下位機測量系統。上位機微處理器控制系統是控制系統的核心，是負責與下位機通信并完成信息收集和與計算機串口通信功能的，具體由通過單片機內部集成的USB與計算機的連接部分、單片機和信號分析三部分組成。下位機測量系統負責對測量點的振動信號測量，上位機控制系統的主要組成硬件有： C8051F340單片機、下位機信息采集系統的硬件組成有振動信號傳感器、C8051F340單片機、74CH14信號處理芯片。C8051F340單片機74CH14AD544LPC機MAX232 下位機結構圖MAX232PC機C8051F340單片機AD544L74CH14 上位機結構圖4 系統軟件設計系統的軟件主要是根據單片機對振動信號的分析，利用C語言和匯編語言在MATLAB軟件中實現的通過導入數字信號中實現軸承故障的診斷跟檢測。主程序調用三個子程序，分別是振動信號采集程序、特征故障頻率選擇程序、數據上傳程序。（1） 振動信號采集程序：對信號采集模塊送過來的數據進行處理，進行判斷。（2）數據上傳程序：檢測采集過來的含有故障特性頻率的數字信號。（3） 系統框圖見附錄按照模塊化設計的思想，系統中各主要功能模塊均編成獨立的函數在主程序中加以調用，程序主要由以下功能模塊組成：基于74CH14觸發器震動信號采集函數、AD轉換程序、基于MAX232的串口通信程序。數據處理程序對接收到的有效數據進行簡單的計算處理后將其通過串口發送到計算機，進一步的分析和處理。 根據硬件整體設計方案，本系統的軟件設計采用模塊化、結構化得設計方法，整個系統為上位機程序設計部分和下位機程序部分，其中下位機主要包括信號監測模塊、數據轉換模塊，上位機主要包括數據處理模塊。軟件的整體設計流程如圖。整個系統的各個部分都是服務于數據處理這個目的。所以，在整個系統的軟件設計中，數據處理是關鍵。初始化信號采集送pc數據處理發送數據接收數據 主程序流程圖由于軸承的振動產生的振動頻率經振動傳感器轉換為振動信號，由于信號的電壓很低，需要基于AD554L放大芯片的放大電路進行放大，然后再由濾波電路進行濾波，才能獲得A/D轉換器所需要的具有特征振動頻率的模擬信號，由A/D轉換器進行模轉數，獲得數字信號。由于本系統不需要電腦與單片機進行反饋，C8051F340單片機用于對軸承故障診斷中測試信號的采集, 由于C8051F340單片機內部集成了高精度時鐘源、電壓調節器、A/D轉換器以及用于A/D轉換的參考電壓源等豐富的片上外設, 因此在對數據采集模塊硬件設計時, 無需擴展上述模塊, 使得硬件結構簡單, 集成度高. 通過片上MAX232接口, C8051F340單片機與PC機連接。 REGIN為內部電壓調節器輸入端, 可以外接5V電源, 也可以與VBUS連接, 單片機由USB供電. 此時, C8051F340單片機的VDD端可看作+3. 3V電源, 可給外部器件供電. P2. 0~ P2. 3為四路模擬輸入通道. C8051F340單片機片內10位A/D測量的輸入范圍為0~VREF* 1023/1024,選擇內部參考電壓VREF=2. 44V, 因加速度傳感器電壓輸出范圍為 12~ + 12V, 需加處理電路，使其達到單片機A/D的可測量范圍。設備啟動初始化YD12Pc機初始化AD544L初始C8051F340內部的10位AD轉換模塊MAX232串口 信號采集及傳輸的流程圖 AD采集使用C8051F340單片機內部集成的10位ADC對四路信號采樣. 經過濾波和檢波之后, 振動信號為包含故障特征的低頻信號, 頻率范圍僅為數KHz, 故由采樣定理知采樣頻率選擇25KHz已足夠。 ADC0轉換啟動方式為定時器2溢出啟動,定時器2工作于16位自動重裝載模式, 其重裝載值決定ADC0的采樣頻率. 使用C8051F340單片機內部模擬多路選擇器AMXU0配置ADC0為單端輸入方法, 選擇P2. 0~P2. 3腳作為四路模擬輸入通道。上位機( PC機)決定對哪一路信號采樣,通過USB發送該通道號到單片機中, 修改多路選擇器AMXU0的正輸入通道選擇寄存器AMX0P的值, 指向相應的模擬輸入通道, AD開始對該通道采樣。傳感器信號放大器AD轉換模塊PC機 AD采集流程圖要完成通信, 需要PC端與C8051F340單片機端共同協作. 在單片機端, 單片機C8051F340是整個系統的核心，10位ADC轉換模塊對輸入的模擬信號進行采集，（9腳）接收，（8腳）輸入到其內部的一個8位地址和控制寄存器，單片機采集的數據通過串口（2腳）經MAX3232轉換RS232電平向上位機傳輸,對采集/傳輸的數據進行監測。 PC機端單片機端 用戶程序用戶應用程序 單片機MAX232主機驅動串口器件驅動 串口通訊流程PC機端串口通信PC機端應用程序主要用于完成用戶圖形界面和基于MAX232串口通信程序兩大功能, 從而實現人機交互, 并將用戶輸入的指令和采集模塊采集的數據通過串口總線在PC機和C8051F340之間進行傳遞。在應用程序中, 分別讀取C8051F340單片機通過串口傳送過來的四路信號并作相應處理: 速度值顯示處理。 均值和峰值繪制波形, 并計算出值。 濾波和檢波之后的包絡信號,通過FFT運算, 進行頻域處理, 繪制出頻譜圖. 四路信號都可保存, 需要時可以回放。 上傳到PC進行頻譜分析FFT（Fast Fourier Transformation），即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的。它對傅氏變換的理論并沒有新的FFT算法圖(Bufferfly算法)發現，但是對于在計算機系統或者說數字系統中應用離散傅立葉變換，可以說是進了一大步。設x(n)為N項的復數序列，由DFT變換，任一X（m）的計算都需要N次復數乘法和N1次復數加法，而一次復數乘法等于四次實數乘法和兩次復數加法，一次復數加法等于兩次實數加法，即使把一次復數乘法和一次復數加法定義成一次“運算”（四次實數乘法和四次實數加法），那么求出N項復數序列的X（m）,即N點DFT變換大約就需要N^2次運算。當N=1024點甚至更多的時候，需要N2=1048576次運算，在FFT中，利用WN的周期性和對稱性，把一個N項序列（設N=2k,k為正整數），分為兩個N/2項的子序列，每個N/2點DFT變換需要（N/2）2次運算，再用N次運算把兩個N/2點的DFT變換組合成一個N點的DFT變換。這樣變換以后，總的運算次數就變成N+2*（N/2)^2=N+N^2/2。繼續上面的例子，N=1024時，總的運算次數就變成了525312次，節省了大約50%的運算量。而如果我們將這種“一分為二”的思想不斷進行下去，直到分成兩兩一組的DFT運算單元，那么N點的DFT變換就只需要Nlog2N次的運算，N在1024點時，運算量僅有10240次，是先前的直接算法的1%，點數越多，運算量的節約就越大，這就是FFT的優越性。對于表面損傷累故障，要用共振解調法，通過檢波器進行分揀，得到只含有故障特征頻率的低頻信號。對這一低頻信號進行頻譜分析從而診斷出軸承是否有故障。由于在實際應用中，滾動軸承的振動信號含有大量的隨機成分，所以即使對該故障軸承，其特征頻率成分在軸承中也不是很明顯。為了能夠使圖譜比較清晰的表現出故障特征那部分的頻譜，常采用先用模擬的或者數字的方法對信號進行檢波跟濾波，以提高噪聲比，突出故障特征信息。還有就是進行多次FFT運算然后取平均值。FFT運算的源程序代碼如附錄。結論本文詳細的介紹了系統所需要的元器件，根據系統方案的要求詳細的論證了實現軸承故障診斷的具體設計思路及系統的總體框架并詳盡的闡述了系統的硬件結構和軟件設計。本設計是以單片機C