基于单片机的震动信号检测系统设计

信号检测综合训练说明书题目：振动信号检测系统设计学院：电气工程与信息工程学院班级：电子信息科学与技术（2）班姓名：江*学号：********指导老师：***2014年12月04日摘要振动从形式上看，有的是来回摆动，有的是往复直线运动，有的是旋转运动等，种类很多，形式不一，但它们都有一个共同的特点，即物体在运动过程中总是在它自己的平衡位置附近，一次又一次地重复地运动着。

因此，我们把物体在其平衡位置附近所做的往复性的运动称为振动。

研究振动的目的是为了了解各种机械振动的现象的机理，破译机械振动所包含的大量信息，进而对设备的状态进行监测，分析设备的潜在可能故障。

本课题主要选用位移传感器结合微分电路测得最大位移，最大速度，最大加速度，并且利用LCD显示振动信号。

本论文首先介绍了振动检测的原理；其次介绍了整体系统的设计和各模块方案的比较，选择；接着介绍了各部分电路的设计及原理；再者介绍了软件设计流程并附上了程序代码；最后论述了系统的调试过程。

关键词：单片机；振动；加速度；检测目录摘要 (2)1 前言 (4)2 振动检测原理 (5)2.1 振动分类 (5)2.2 振动检测原理 (5)2.3 振动传感器的分类 (5)3 系统设计 (8)3.1 整体系统设计 (8)3.2 方案设计 (8)3.2.1 数据采集模块 (8)3.2.2 液晶显示模块 (5)4 硬件设计 (9)4.1 单片机最小系统 (9)4.2 传感器电路 (13)4.3 显示电路 (14)5 软件设计 (12)5.1 系统工作流程 (12)5.2 程序设计 (15)6 系统调试 (24)6.1 系统实物图 (27)6.2 整体系统测试 (27)6.3 测试结果分析 (28)6.4 结论 (28)7 总结 (25)7.1 总结 (25)附录1 (27)1 前言传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,从宇宙开发到海底探秘,从生产的过程控制到现代文明生活,几乎每一项技术都离不开传感器,因此,许多国家对传感器技术的发展十分重视,如日本把传感器技术列为六大核心技术(计算机、通信、激光、半导体、超导体和传感器) 之一。

角度传感器和加速度传感器在当代工业控制、仪表测量、航空航海等领域中有着十分广泛的应用。

传统的角度传感器如：增量编码器、同步机等存在接触面、触点易磨损，必须定期进行更换，在实际应用中降低了设备的可靠性，增加了维修成本。

本设计研究设计的加速度传感器和角度传感器能够实时测量物体振动加速度和角度，具有广泛的应用前景。

随着基于单片机的检测技术的不断发展，近些年来我国对角度测量技术进行理论上的研究，在生产实践中投入了具体的应用。

但我国在此方面的实际应用技术与国外比还有较大差距。

国内生产的该种仪器性能方面有待提高，国外进口的又价格昂贵，使得该仪器难以推广和销售，高性能角度测量设备的缺失导致了大量经济损失。

因此可以说角度测量技术的研究与开发有着广阔的前景，并且能够带来可观的经济效益和社会效益几乎所有的物理现象都可看作是信号，但这里我们特指动态振动信号。

振动信号采集与一般性模拟信号采集虽有共同之处，但存在的差异更多，因此，在采集振动信号时应注意以下几点：1. 振动信号采集模式取决于机组当时的工作状态，如稳态、瞬态等；2. 变转速运行设备的振动信号采集在有条件时应采取同步整周期采集；3. 所有工作状态下振动信号采集均应符合采样定理。

对信号预处理具有特定要求是振动信号本身的特性所致。

信号预处理的功能在一定程度上说是影响后续信号分析的重要因素。

预处理方法的选择也要注意以下条件：1. 在涉及相位计算或显示时尽量不采用抗混滤波；2. 在计算频谱时采用低通抗混滤波；3. 在处理瞬态过程中1X矢量、2X矢量的快速处理时采用矢量滤波。

2 振动检测原理2.1 振动分类在日常的生活和生产活动中，我们经常可以看到物体的振动现象，例如：运动场上秋千的摆动，汽车启动时发动机引起的车体颤动，机床的振动等。

这些振动从形式上看，有的是来回摆动，有的是往复直线运动，有的是旋转运动等，种类很多，形式不一，但它们都有一个共同的特点，即物体在运动过程中总是在它自己的平衡位置附近，一次又一次地重复地运动着。

因此，我们把物体在其平衡位置附近所做的往复性的运动称为振动。

研究振动的目的是为了了解各种机械振动现象的机理，破译机械振动所包含的大量信息，进而对设备的状态进行监测，分析设备的潜在可能故障。

2.2 振动检测原理振动传感器有振动位移、振动速度和振动加速度传感器。

简单地说，振动位移传感器（常用电涡流传感器）根据振动位移变化与输出电压的变化关系，振动速度传感器根据相对运动切割磁力线产生电压的变化，振动加速度传感器根据形变与电荷的关系。

速度传感器通过硬件或软件积分可以得到位移，加速度传感器通过一次积分可以得到振动速度，二次积分可以得到振动位移。

因为需要测量加速度，所以必须有振动加速度传感器。

振动传感器在测试技术中是关键部件之一，它的作用并不是直接将原始要测的机械量转变为电量，而是将原始要测的机械量做为振动传感器的输入量，然后由机械接收部分加以接收，形成另一个适合于变换的机械量，最后由机电变换部分再将变换为电量。

因此一个传感器的工作性能是由机械接收部分和机电变换部分的工作性能来决定的。

2.3 振动传感器的分类1、相对式电动传感器电动式传感器基于电磁感应原理，即当运动的导体在固定的磁场里切割磁力线时，导体两端就感生出电动势，因此利用这一原理而生产的传感器称为电动式传感器。

相对式电动传感器从机械接收原理来说，是一个位移传感器，由于在机电变换原理中应用的是电磁感应电律，其产生的电动势同被测振动速度成正比，所以它实际上是一个速度传感器。

2、电涡流式传感器电涡流传感器是一种相对式非接触式传感器，它是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的。

电涡流传感器具有频率范围宽（0～10 kHZ），线性工作范围大、灵敏度高以及非接触式测量等优点，主要应用于静位移的测量、振动位移的测量、旋转机械中监测转轴的振动测量。

3、电感式传感器依据传感器的相对式机械接收原理，电感式传感器能把被测的机械振动参数的变化转换成为电参量信号的变化。

因此，电感传感器有二种形式，一是可变间隙，二是可变导磁面积。

4、电容式传感器电容式传感器一般分为两种类型。

即可变间隙式和可变公共面积式。

可变间隙式可以测量直线振动的位移。

可变面积式可以测量扭转振动的角位移。

5、惯性式电动传感器惯性式电动传感器由固定部分、可动部分以及支承弹簧部分所组成。

为了使传感器工作在位移传感器状态，其可动部分的质量应该足够的大，而支承弹簧的刚度应该足够的小，也就是让传感器具有足够低的固有频率。

根据电磁感应定律，感应电动势为：u=Blx&r 。

式中B为磁通密度，l为线圈在磁场内的有效长度， r x&为线圈在磁场中的相对速度。

从传感器的结构上来说，惯性式电动传感器是一个位移传感器。

然而由于其输出的电信号是由电磁感应产生，根据电磁感应电律，当线圈在磁场中作相对运动时，所感生的电动势与线圈切割磁力线的速度成正比。

因此就传感器的输出信号来说，感应电动势是同被测振动速度成正比的，所以它实际上是一个速度传感器。

6、压电式传感器压电式加速度传感器的机械接收部分是惯性式加速度机械接收原理，机电部分利用的是压电晶体的正压电效应。

其原理是某些晶体在一定方向的外力作用下或承受变形时，它的晶体面或极化面上将有电荷产生，这种从机械能（力，变形）到电能（电荷，电场）的变换称为正压电效应。

而从电能（电场，电压）到机械能（变形，力）的变换称为逆压电效应。

因此利用晶体的压电效应，可以制成测力传感器，在振动测量中，由于压电晶体所受的力是惯性质量块的牵连惯性力，所产生的电荷数与加速度大小成正比，所以压电式传感器是加速度传感器。

7、压电式力传感器在振动试验中，除了测量振动，还经常需要测量对试件施加的动态激振力。

压电式力传感器具有频率范围宽、动态范围大、体积小和重量轻等优点，因而获得广泛应用。

压电式力传感器的工作原理是利用压电晶体的压电效应，即压电式力传感器的输出电荷信号与外力成正比。

8、阻抗头阻抗头是一种综合性传感器。

它集压电式力传感器和压电式加速度传感器于一体，其作用是在力传递点测量激振力的同时测量该点的运动响应。

因此阻抗头由两部分组成，一部分是力传感器，另一部分是加速度传感器，它的优点是，保证测量点的响应就是激振点的响应。

使用时将小头（测力端）连向结构，大头（测量加速度）与激振器的施力杆相连。

从“力信号输出端”测量激振力的信号，从“加速度信号输出端”测量加速度的响应信号。

9、电阻应变式传感器电阻式应变式传感器是将被测的机械振动量转换成传感元件电阻的变化量。

实现这种机电转换的传感元件有多种形式，其中最常见的是电阻应变式传感器。

电阻应变片的工作原理为：应变片粘贴在某试件上时，试件受力变形，应变片原长变化，从而应变片阻值变化，实验证明，在试件的弹性变化范围内，应变片电阻的相对变化和其长度的相对变化成正比。

10、激光传感器激光传感器利用激光技术进行测量的传感器。

它由激光器、激光检测器和测量电路组成。

激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等，极适合于工业和实验室的非接触测量应用。

3 系统设计3.1 整体系统设计本系统由发射电路和接收电路组成。

其中发射电路由数据采集模块，单片机最小系统，状态指示及报警模块，无线发射模块，液晶显示模块五部分组成。

接收电路由无线接收模块，单片机最小系统和液晶显示模块三部分组成。

发射电路系统框图如图1所示，其原理图见附录一。

接收电路系统框图如图2所示，其原理图见附录二。

图1 发射电路框图图2 接收电路框图3.2 方案设计3.2.1 数据采集模块方案（一）：由UZZ9000和KMZ41构成的角度检测电路：UZZ9000为线性电压输出式角度传感器调理器电路，输出电压与被测角度信号成正比；测量角度的范围是0~180°，且在0~100°范围内；测量误差小于±0.45°分辨力达0.1°；测量范围和输出零点均可调节；电源电压范围为数据采集 模块 STC89C52 最小系统 无线发射 模块状态指示及报警模块液晶显示模块无线接收模块STC89C52 最小系统 液晶显示 模块+4.5~+5.5V；电源电流为10mA；工作温度范围是-40~+150℃。

由UZZ9000和KMZ41构成的电压输出式角度检测电路如图3所示。

改变R2和R3的比值，可以调节传感器1的偏移量；改变R4和R5的阻值，可以调节传感器2的偏移量；改变R6和R7的比值，可以调节零点偏移；改变R8和R9的比值；可以调节测量角度范围。