基于單片機(jī)的振動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)

黃應(yīng)強(qiáng), 溫洪昌

（四川宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川宜賓，644003）

0 引言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)故障通常表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子不平衡，轉(zhuǎn)子不對(duì)中，油膜渦動(dòng)和油膜振蕩，地腳螺釘連接松動(dòng)等，這些故障特征頻率都與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速有關(guān)，等于轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)頻率及其倍頻或分頻，通過對(duì)故障特征頻率的分析，就能夠找到故障的原因[1]。對(duì)設(shè)備的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后經(jīng)過FFT變換就能得到機(jī)器振動(dòng)的頻譜分布，然后與各種振動(dòng)故障的特征頻譜分布進(jìn)行比對(duì)，從而明確故障原因，定位故障所在。目前商業(yè)化的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，如dSPACE等，價(jià)格昂貴，具有特定需求時(shí)，大多是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)[2][3]；MATLAB具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理、運(yùn)算、分析等功能，并且編程方便，在振動(dòng)信號(hào)的分析處理中得到了廣泛的應(yīng)用[4][5]，文中利用MATLAB編制了對(duì)單片機(jī)傳來的振動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存、動(dòng)態(tài)圖形顯示和頻譜分析的程序，設(shè)計(jì)制作了單片機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取的軟硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集、保存、時(shí)域波形顯示和頻譜分析功能。

1 系統(tǒng)組成及軟硬件設(shè)計(jì)

傳感器輸出的微弱信號(hào)通過程控放大、濾波等電路后接入A/D轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后將數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，顯示和分析。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

傳感器選擇了B180振動(dòng)加速度傳感器，其溫度瞬變靈敏度極低，頻響范圍： 2~5000Hz，工作溫度：-40 ~ +100℃，靈敏度：10 mV/(m/s2)，最大加速度2000 (m/s2)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

傳感器輸出的信號(hào)非常微弱，根據(jù)振動(dòng)輸出的信號(hào)幅值大小，設(shè)計(jì)了程控放大電路。由于振動(dòng)數(shù)據(jù)的頻率范圍非常廣泛、根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了高通、低通濾波電路；本設(shè)計(jì)由于硬件條件限制，初步設(shè)計(jì)測(cè)量頻率分為10～500 Hz， 10～2KHz，兩個(gè)頻段。傳感器信號(hào)處理的方案如圖2所示。

圖2 傳感器信號(hào)處理流程

圖3 傳感器信號(hào)處理電路

從圖2中可以看出，傳感器出來的交流信號(hào)，通過放大器后進(jìn)行高通濾波，一路通過低通濾波進(jìn)入多路開關(guān)，得到一定頻率范圍內(nèi)的加速度信號(hào)；另一路通過低通濾波后一方面進(jìn)入多路開關(guān)，得到較低頻段的加速度信號(hào)，根據(jù)測(cè)量需要由控制端選擇測(cè)量參數(shù)。硬件電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

1.1.1 程控放大電路

程控放大電路由CD4052（U3）模擬開關(guān)電路和27M7（U1A）運(yùn)算放大器構(gòu)成，根據(jù)被測(cè)對(duì)象的實(shí)際情況，可以直接進(jìn)入后面的濾波電路或者進(jìn)行2、4、8倍的放大，具體選擇由控制器的P2.0和P2.1控制。

1.1.2 濾波電路

集成電路U1B及電容C6、C7和電阻R5、R14等元件構(gòu)成高通濾波電路[6]，中心頻率約4 Hz，其輸出一路通過由U2A構(gòu)成的射極跟隨器，R1、C1構(gòu)成的無源低通濾波后進(jìn)入模擬開關(guān)電路U4的X0，無源低通濾波的中心頻率約500 Hz；另一路通過U2B及C2、C4和電阻R3、R4等元件構(gòu)成的低通濾波電路，中心頻率約2.5KHz，進(jìn)入模擬開關(guān)電路U4的X1路等待模數(shù)轉(zhuǎn)換；以上進(jìn)入模擬開關(guān)電路U4的信號(hào)，根據(jù)測(cè)量要求，由控制器的P2.2，P2.3選擇其中的一路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

1.1.3 控制器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器

圖4 單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換器接口電路

控制器采用與MCS51兼容的STC89C52，內(nèi)部具有8K字節(jié)的在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，內(nèi)含512字節(jié)的RAM，32個(gè)可編程I/O口線，每個(gè)口線都具有位尋址功能，3個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器等特點(diǎn)；模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ADC0809，它是8通道，8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，其價(jià)格低廉，與微機(jī)連接方便，應(yīng)用十分廣泛。控制器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的連接如圖4所示，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制信號(hào)由單片機(jī)的P1.1-P1.4控制，時(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)的P1.0提供，當(dāng)單片機(jī)的晶振為12M Hz時(shí)，P1.0引腳設(shè)置為T2模式，編程設(shè)置成輸出1M Hz的脈沖信號(hào)方式，提供給模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為時(shí)鐘信號(hào)；模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出口具有三態(tài)鎖存功能，直接與單片機(jī)的P0口連接，8路輸入通道的選擇通過單片機(jī)的P0.0，P0.1和P0.2選擇，在嚴(yán)格的時(shí)序控制下，P0口分時(shí)復(fù)用，不會(huì)影響數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的8路輸入通道地址分別為00H-07H。

當(dāng)系統(tǒng)采用單電源+5V供電時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果可用下式表示：

上式中參考電壓VREF+=5V、VREF-=0V，V為輸入信號(hào)電壓，完成一次A/D轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間與A/D轉(zhuǎn)換器特性、采樣程序等密切相關(guān),通過實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)的采樣周期約330uS，采樣頻率約3KHz。

1.1.4 通信電路

單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通訊采用 PL2303實(shí)現(xiàn)，PL2303是一種高集成度的USB - RS232雙向接口轉(zhuǎn)換器，該器件一方面從主機(jī)接收USB 數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為RS232信息流格式發(fā)送給外設(shè)，另一方面從RS232 外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)格式傳送回主機(jī)。這些工作全部由器件自動(dòng)完成。

PL2303在WindowsXP操作系統(tǒng)上模擬傳統(tǒng)COM端口，單片機(jī)的P3.0和P3.1分別接到PL2303的TXD和RXD，USB口通過排線與計(jì)算機(jī)的USB口連接，要使二者能正確通訊，必須在計(jì)算機(jī)上安裝prol i fic的USB-Serial Comm Por t驅(qū)動(dòng)程序，該程序網(wǎng)上可下載，安裝完成后，右擊桌面上我的電腦圖標(biāo)，打開屬性項(xiàng)，從設(shè)備管理器的端口項(xiàng)里面就能夠找到具體連接的是哪個(gè)USB口，從而確定程序設(shè)計(jì)時(shí)的串口號(hào)。PL2303外部電路如圖5所示。

圖5 PL2303外部電路

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括下位機(jī)和上位機(jī)兩部分，下位機(jī)程序是單片機(jī)里面的運(yùn)行程序，主要包括系統(tǒng)初始化程序，串口中斷設(shè)置程序和數(shù)據(jù)采集及發(fā)送程序，以下是采集一個(gè)端口的C語言程序，單片機(jī)晶振頻率為12MHz：

#include＜REG52.h＞

#def ine uchar unsigned char

void delay(unsigned int z);

sbit CLK=P1^0; // 1000hz

sbit OE=P1^1;

sbit ALE=P1^2;

sbit EOC=P1^3;

sbit START=P1^4;

void Main( void )

{ uchar a,j,i; //定義3個(gè)臨時(shí)字符變量

uchar b[100];

TR2=0x0; //停止T2定時(shí)器

TR0=0x0; //停止T0定時(shí)器

T2MOD=0x02; //0010(B) 設(shè)置T2為P1.0口輸出方波模式

C_T2=0; //用內(nèi)部時(shí)鐘計(jì)數(shù)

TL2=0xfd; //輸出方波頻率為1MHz

TH2=0xf f;

RCAP2L=0xfd;

RCAP2H=0xf f;

TR2 = 1;

SCON = 0x50;//REN=1允許串行接受狀態(tài)，串口工作模式2

TMOD|= 0x21;//定時(shí)器工作方式2，

PCON|= 0x80; //波特率提高一倍

TH1 = 0xF3; // 波特率4800、數(shù)據(jù)位8、停止位1。效驗(yàn)位無 (12M)

TL1 = 0xF3;

TR1 = 1; //開啟定時(shí)器1

ES = 1; //開串口中斷

EA = 1; // 開總中斷

whi le(1)

{ i=0;

whi le(i＜300) //設(shè)置一次連續(xù)采樣的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)

{ P2=0;

j=P0;

j=j&0xf8; //選擇A/D轉(zhuǎn)換的0通道

P0=j;

ALE =0;

START =0;

for(a=0;a＜50;a++);

ALE =1;

for(a=0;a＜50;a++);

START =1;

for(a=0;a＜50;a++);

START =0;

whi le(EOC==0);

OE=1;

P0=0xf f;

b[i++]=P0; }

for(i=0;i＜300;i++)//將一次采樣數(shù)據(jù)發(fā)送上位機(jī)

{ SBUF=b[i]; whi le(TI==0); TI=0;

delay(2); } } }

上位機(jī)程序采用MATLAB編寫，以下是采集數(shù)據(jù)并以波形顯示的程序片段：

s = serial(‘COM3’);% 聲明串口

set(s,’BaudRate’,4800, ‘StopBits’,1);%設(shè)置串口參數(shù)

fopen(s); %打開串口

j=0;

set(gcf,‘DoubleBuf fer’,‘on’);

whi le (j＜10) %數(shù)據(jù)接收循環(huán)設(shè)置

t ry

data = f read(s,300,’uchar’); %一次接收300個(gè)數(shù)據(jù)

data1=data/51; %將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓值

f id = fopen(‘01.txt’, ‘r+’); %打開存盤數(shù)據(jù)文件fseek(f id, 0,‘eof’); %定位到文件尾

fprint f(f id, ‘%d ‘,data); %將采樣的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到原數(shù)據(jù)文件的末端

fclose(fid); %關(guān)閉文件

i=0：1：299 %將采樣的數(shù)據(jù)以圖形的形式進(jìn)行顯示

plot(i,data1,’EraseMode’,’xor’);

drawnow;

j=j+1;

end

end

fclose(s) %關(guān)閉串口

delete(s)

clear s

2 實(shí)驗(yàn)研究

完整的程序運(yùn)行后，在上位機(jī)上進(jìn)行COM口選擇、Baude選擇，打開串口等操作后，單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)就以時(shí)域波形的形式從左向右依次顯現(xiàn)。圖6采集的一通道振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形，點(diǎn)擊頻譜分析后，系統(tǒng)將存儲(chǔ)在文件中的數(shù)據(jù)全部做FFT變換，顯示出頻譜圖。圖7是對(duì)一地腳螺栓松動(dòng)設(shè)備采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)畫出的波形圖及其頻譜分析圖,該機(jī)器設(shè)備的基頻為25HZ，頻譜峰值出現(xiàn)在3倍頻處，與旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)故障診斷理論的結(jié)論是一致的。

3 結(jié)論

頻譜分析法是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的重要方法之一。本文設(shè)計(jì)制作了單片機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取的軟硬件系統(tǒng)，利用MATLAB編制了對(duì)單片機(jī)傳來的振動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存、圖形顯示和頻譜分析的程序，對(duì)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷、指導(dǎo)相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)踐具有一定的意義。

圖6 采集數(shù)據(jù)的時(shí)域波形及對(duì)應(yīng)的頻譜圖

圖7 故障設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)的時(shí)域波形及對(duì)應(yīng)的頻譜圖

但也有一些局限：（1）由于硬件限制,只能采集較低頻率的信號(hào)；信號(hào)頻率在10～1.5KHz范圍內(nèi)效果較好。（2）采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器位數(shù)只有8位，轉(zhuǎn)換速度較低，單片機(jī)性能也不高，致采集的數(shù)據(jù)精度受到影響。采用高速、高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，控制器采用DSP等效果會(huì)更好。（3）該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)的采集、保存、時(shí)域波形顯示和頻譜分析等功能，能夠滿足一般機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷要求；對(duì)振動(dòng)速度、位移等參量沒有涉及，可以從這方面進(jìn)行完善。

[1]張碧波,叢文龍.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷[M].化學(xué)工業(yè)出版社.2004,2.

[2]桂勇,駱清國,張更云等.基于dSPACE的發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)開發(fā)[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào).2010,（6）：32-34.

[3]胡寶全,趙榮珍,馬再超.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與反饋控制通訊系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器.2011,（12）：32-34.

[4]唐世振.基于MATLAB的振動(dòng)信號(hào)采集與分析系統(tǒng)的研究[D].中國海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

[5]姜衍猛.基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的研究及設(shè)計(jì)[D].山東大學(xué)碩士學(xué)位論文.2012.

[6]張國雄.測(cè)控電路[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2008.

[7]STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)器件手冊(cè)[M/OL].宏晶科技 .[2006-04-23].http：//www.m cu-memory.com.