风电机组塔筒振动监测系统设计报告.docx
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风电机组塔筒振动监测系统设计报告
课程设计报告
(2014--2015年度第二学期)
名 称:
单片机课程设计
题 目:
风电机组塔筒振动检测系统
院 系:
班 级:
学生姓名:
同组人:
学 号:
成 绩:
日期:
2015年7月5日
一.塔筒振动检测意义:
通过对塔筒振动的实时数据监测,和进一步的数据分析可以
1判断塔筒的强度,刚度,稳定性,便于维护与检修
2.实现对风电机组变载荷,变转速的检测和反馈
3.保证机组运行过程的平稳和安全可靠运行
二.塔筒振动检测基本方案
1.基本原理:
利用传感器测量塔筒的振动信号,通过信号传送线路和信号转换元件把振动信号送入单片机,再利用单片机的软件技术处理塔筒的振动信号,实时显示塔筒振动状态并将信号通过无线技术传输到检测中心,实现塔筒振动的检测。
2.功能实现:
每个风电机组塔筒可用8个传感器分别测得不同位置的各个方向上的振动信号,每个测量对象经传感器输出的8条模拟信号可输入到ADC0808的8个模拟输入端子,单片机控制选择模拟信号输入通道后,ADC0808转换为数字信号经输出通道输出到到AT89C51单片机,单片机又与数码管连接,由单片机控制将8通道的模拟量轮流转换后输出到七段数码管动态显示,由此可简单实现塔筒振动的实时简单检测。
(若要更准确的实现塔筒振动的检测,同时可将A/D转换后,数据串行口输出后经MAX232电平转换后,通过无线数据模块传到检测中心,经数据分析后得到更为准确的塔筒振动检测,以下设计中不做设计)
系统的
运行方框图如下:
风电机组 ... ... ... 风电机组
传感器 传感器
前置放大器 ... ... ... 前置放大器
A/D转换器 ... ... ... A/D转换器
单片机 ... ... ... 单片机
GPRS模块 GPRS网络 GPRS模块
显示电路 检测中心 显示电路
三.硬件设计
1.硬件选择
(1).传感器选择:
加速度传感器,塔筒自身的振动主要为低频振动,因此测量塔筒的自振频率,可选用加速度传感器或电容式振动传感器。
(2).传感器的放置:
考虑到塔筒的各个方向上的振动情况不一样,塔筒不同高度上的振幅也不一样,现将8个加速度传感器分为两组,每组四个分别置于塔筒横截面上相互垂直的X-Y方向上的四个位置(如图a),其中一组放置在塔筒底部,另一组靠近塔筒顶部,考虑到测量的数据的准确有效性,可将两组错开45°(如图b),由此可实现塔筒各个位置振动的立体式测量,更具有准确性,而且可通过检测中心的数据分析得到非常准确的塔筒振动情况。
图a 图b
(3)A/D转换器:
ADC0808,具有8通道模拟输入,以逐次逼近式原理进行转换,分辨率为8位,且便于模拟电路仿真。
(4)单片机:
AT89C51,与MCS-51兼容,4K字节可编程FLASH存储器,数据保留时间长,128×8位内部RAM,两个16位定时器/计数器,5个中断源,可编程串行通道,低功耗的闲置和掉电模式,片内振荡器和时钟电路。
(5)数码管:
7SEG-MPX4-CA,七段显示数码管,共阳。
(6)74LS74:
在一般情况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,为了得到1MHZ的时钟频率,在电路中采用了74LS74二分频得到1MHZ的时钟频率。
(7)其他元件:
电容:
30pF×2个,1uF×1个;
电阻:
510×7个,4.7k×4个,51k×1个,1k×1个;
三极管:
MPS6514×4个;
石英晶振:
12MHZ×1个;
按钮开关一个。
2.总硬件接线图如下:
各个模块连接及说明如下:
(1).A/D转换部分
ADC0808芯片各引脚及功能:
有28条引共脚,采用双列直插式封装。
1~5和26~28(IN0~IN7):
8路模拟量输入端。
8、14、15和17~21:
8位数字量输出端。
22(ALE):
地址锁存允许信号,输入,高电平有效。
6(START):
A/D转换启动脉冲输入端,输入一个正脉冲(至少 100ns宽)使其启动(脉冲上升沿使0809复位,下降沿启动A/D转换)。
7(EOC):
A/D转换结束信号,输出,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。
9(OE):
数据输出允许信号,输入,高电平有效。
当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。
10(CLK):
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
12(VREF(+))和16(VREF(-)):
参考电压输入端
11(Vcc):
主电源输入端。
13(GND):
地。
23~25(ADDA、ADDB、ADDC):
3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中的一路。
连接说明:
ADC0808是由单一电源,+5V供电,模拟电压的输入范围为0~5V,故本设计允许输入的模拟电压最大值为5V。
第22脚ALE为地址锁存控制,当输入为高电平时,对地址信号进行锁存;6脚START为测试控制,当输入一个2us宽高电平脉冲时,就开始A/D转换;7脚EOC为A/D转换结束标志,当A/D转换结束时,7脚输出高电平;9脚OE,数据输出允许信号,输入,高电平有效。
当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数。
ADC0808的转换速度取决于芯片的时钟频率,要求时钟频率范围不高于640KHZ,在本设计中我们采用了由单片机ALE脚的六分频晶振信号再通过74LS74二分频得到,故ADC0808的工作频率为1MHZ,转换时间为1US。
连接图:
(2).数据处理模块:
AT89C51管脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须接上拉电阻。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为低八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
口管脚备选功能
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(计时器0外部输入)
P3.5T1(计时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
连接说明:
单片机主要完成将接受到的ADC0808转换输出的二进制数值进行BCD码的转换,并完成8路数值轮流显示的功能,故需借助单片机来完成编程功能。
设计中,采用了AT89C51单片机,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
单片机中的I/O口都用做普通的输入输出口,由P1口接受AD0808送来的二进制数值,P0口是数码管数值输出口,P3.0~P3.3作为数码管的位驱动口。
为得到AD0808的时钟信号,在设计中,利用了单片机的ALE端口。
ADC0808与74LS74的连接上部分已写出。
连接图:
(3).显示部分
要自动轮流显示模拟通道数,以及8路模拟电压数值,设计中采用了动态显示,采用7SEG-MPX4-CA,共阳。
根据数码管的参数要求,要求其驱动电流在10MA~20MA之间,在电路中采用三极管MPS6514进行扩流来驱动数码管;在本设计中段码显示是由P0口进行输出,为防止数码管灌入单片机的电流超出了允许的电流范围,在数码管与单片机的P1口之间接入了510欧姆的电阻。
硬件电路图如图 所示。
由于人眼的视觉暂留时间为0.1S,所以每位显示的间隔不能超过20ms,并保持延时一段时间,以造成视觉暂留效果,给人看上去每个数码管总在亮,设计中每位数值的显示时间为1ms,一个通道的数值显示包括了通
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- 机组 振动 监测 系统 设计 报告