电机轴轴向、径向窜动检测装置研究要点

1、河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）摘要本设计主要研究电机轴轴向径向窜动的检测方法。首先提出对电机轴窜动监测 的重要性，分析其轴向径向窜动的原因。考察了目前电机轴窜动监测的手段和装置 的现状，设计出了一套比较完善的在线监测系统。根据测量原理，考虑电机轴窜动 的频率和特点，综合考虑各种检测系统的优缺点，提出适合本系统的方案设计：采 用非接触性位移传感器来作为测量器件，导出轴窜动的电压信号，分析此信号的特 征，选用相匹配的模数转换器。由于本系统中有轴向和径向两路信号，需选择相适 应的多路模拟开关，再把数据送单片机进行处理，并进行显示，如果所采集的数据 超出工业要求，系统会自动报警。系统的各种

2、功能都由软件来实现。软件的设计包 括主程序，定时中断服务程序，数据的采集，显示子程序，键盘子程序。关键词：电机轴，窜动，单片机，传感器，模数转换器河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）AbstractThe examination method of electricity engine shaft axial radial direction shakes is mainly researchedin this design. First, proposed the importance of examination the electricity engine shaft moves

3、the monitor, analyzes the reasons why its axial radial direction can vibrate. To study the situation of the methods and the equipment and set of quite perfect on-line control systems has been designed. According the principle of surveying, and considering the frequency and the characteristic of the

4、electricity engine shaft shakes, the synthesis considered each kind of examination system the good and bad points, proposed the design plan which suits this system: The non-contact transmitter to survey signal is used, derives voltage which the axis shakes. The characteristic of this signal is analy

5、zed, and to select A/D switch which matches. Because of in this system has two groups signals of axial and the radial direction, the multichannel analog switch which adapts is choused, the last delivers the data to the mcu is carried on processing, and carried on the demonstration, if the data surpa

6、sses the industry request, the system can auto-alarms. Each kind of function of the system all realized by the software. The main routine, interrupt service program, data gathering, the demonstration program and the keyboard program are included in the software design.Keywords: electricity engine sh

7、aft, shake, mcu, transmitter, A/D switch河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）0引言电机是工农业及各行各业中使用最广泛的动力设备，具种类繁多，数量极大，是 电气工作者在维修中涉及最多的电气设备。维护好电机，使它处于良好的运行状态意 义十分重大。尤其是自动生产线上的电动机，一旦出了故障，若不及时处理，会造成 重大的经济损失；而发电机若发生故障造成停机，经济损失更大。因此，在故障发生 之前进行预报在电机的日常维护保养工作中至关重要。国内外电机维护的实践证明，电机运行状态监测及故障诊断技术可以有效防止电 机故障的发生，既减少了设备和人身的伤害，又降低了部件

8、损耗，为实现节能降耗创 造了条件，同时还可以保证生产均衡组织，提高作业率，获取巨大的经济效益，也提 高了电机的自动化控制水平。目前，电机运行状态监测及故障诊断技术已成为电机高 效运转的主要组成部分，所以研究电机运行状态在线监测装置的意义十分重大。电机 设备一般工作连续性强且安全可靠性要求较高，在日常维护和安装调试过程中，经常 会遇到因电机轴的窜动使电机无法可靠运行。因此，对电机轴窜动量的在线监测是电 机运行状态监测的一项重要指标。由于电机轴窜动的原因很多，仅凭耳听，手摸的原 始方法，已很难全面、准确的判断电机轴的运转状态。采用先进的电机轴窜动在线监 测技术，通过掌握电机轴在一定时期的运转状态，

9、对其进行分析，有利于电机维护人 员在最合适的条件下有准备的进行停机与检修电机，从而保证了电机的修理质量，也 减少了损失。本设计将在前人研究的基础上，利用电涡流传感器作为测量器件，导出轴窜动的 电压信号，再应用单片机系统对数据进行处理最终开发一套电机轴窜动在线监测装置。 此在线监测装置在所采集的数据超出工业要求时会自动报警，让电机维护人员及时采 取相应的操作，以达到电机高效运转的目的。河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）1概述电机运行中故障的诊断电机和所有的机器一样，在运行过程中有能量、介质、力、热量、磨损等各种物 理和化学参数的传递和变化，由此而产生各种各样的信息。这些信息变化直接地反映

10、 出系统的运行状态，而在正常运行和出现异常时，信息变化规律是不一样的，电机的 诊断技术是根据电机运行时不同的信息变化规律，即信息特征来判别电机运行状态是 否正常。电机故障诊断过程应包括异常检查、故障状态和部位的诊断、故障类型和起 因分析三部分。在这里我们主要是对电机轴轴向径向窜动对电机的影响与检测方法的 研究。电机轴窜动的原因这里简单分析一下电机轴窜动的原因，影响电机轴窜动的因素是多种多样的。譬 如，定转子铁心棱形，长短超差较大，压入尺寸有误，错位严重等除影响电机电气性 能之外都会使电机轴发生轴向窜动。转子存在较大轴向游移、空间地基不平或同心度 差致使转子轴向倾斜也会使转子发生窜动的现象。另外

11、，电机轴的窜动也与机器设计、构造方面的缺点及使用程度有关，如。1轴对中不好，连接不良，定中心不准。 联 轴器不平衡，负载机械不平衡，系统共振等。而这些原因往往是由制造厂带来的。轴 瓦巴氏合金脱层、龟裂，轴承与轴瓦安装间隙不合适，瓦壳在轴承座中松动，轴承动 态性能不好，发生半速涡动或油膜振荡等这些轴承缺陷方面的原因，都能造成电机轴 的窜动。如电机受到自身的、风路的或电磁的轴向作用力时，若转子存在较大的轴 向位移空间，转子也可发生窜动的现象。实验证明，内风扇直径减小，窜动量减小， 内风扇直径增大，窜动量也增大。由于机器损伤或过度磨损，也会引起电机轴的振 动。根据电机的制造原理及结构和运行特性，可从

12、以下几方面分析电机轴窜动的原因。1）定子铁芯对转子与定子间作用的响应电动机的定子通过三相电流产生旋转磁场， 闭合的转子绕组（鼠笼条）在旋转磁场 的作用下因产生拖动性的电磁转矩而旋转，此时定子绕组会受到相应的电磁力作用， 该电磁力是电流分布、气隙与端部磁场分布的函数。当电流分布改变时，产生作用力 的谐波分量也会改变，而当其频率与定子铁芯固有振荡频率相近时，就会产生电机轴 的窜动。对发电机而言，在不对称负载时，会出现负序电流，产生有害的交变力矩作 用，在转轴及定子机座上，引起频率为100 Hz的振动。另外，定子绕组在定子铁芯槽河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）内受到多种机械力作用，线棒通过

13、电流时，线棒本身及上下层线棒间和相邻槽内线棒 的端线间会产生100 Hz的交变电磁力，若线棒在槽内固定不好，将使线棒向槽壁压紧, 并产生共振。2 ）定子端部绕组对作用在绕组导体上电磁力的响应电机端部绕组的结构布局呈“喇叭”状，其刚度较低，而柔性较大，运行中由于 转子绕组端部漏磁场的作用，定子绕组端部和转子间会产生作用力，其方向是把定子 绕组向外推。由于漏磁场的存在，定子绕组和铁芯之间产生的电磁力把端部绕组推向 铁芯。而在端部线棒之间，当同相相邻两线棒电流同方向时，其相互作用力使它们相 互挤压靠拢；而当隔相相邻线棒流过的电流方向相反时，则两线棒互相推开，在上下 层绕组端部之间产生径向电磁力，而此

14、作用力作用在端箍和绑绳上使绕组端部产生振 动。3）转子动力学分析电动机转子一般为鼠笼式或绕线式，又可分为刚性转子和柔性转子。刚性转子可 以看成是一个等值的偏心质量绕轴旋转，而柔性转子一般是细长直径受到限制的发电 机转子。刚性转子：当转子在高速下旋转，由于离心力作用发生中心偏移，会产生磁通气 隙不均匀，感应电流大小、方向不规则，产生的电磁力大小也不同。电机转子笼型绕 组除了承受热应力、电磁力和离心力外，还受到加速和制动时所产生的切向应力，在 导条伸出槽口部分受到切向力而产生弯矩，很容易造成转子鼠笼条发生断条，从而产 生电机的振动。柔性转子：在汽轮发电机中转子特别长且直径相对较小，发电机转子与汽轮

15、机转 子联结后，构成弹性-惯性扭转振动系统。而发电机与锅炉、汽轮机、电网相互关联， 因此会产生强迫扭振，这种振动可能是电气原因造成的，也可能是机械系统造成的。 例如：并联运行的发电机，当机组与系统（电网）并列时，频率不等会出现拍振电压， 产生拍振电流，具有功分量对发电机而言时正时负，制动转矩和驱动转矩交替出现， 作用在转子上使发电机产生振动。电机转子一般和机械负载连接，当机械负载的转轴 中心与电机转子中心不正（即偏心）时，会产生单边磁拉力造成电机转子受力不均而发 生振动。另外，电机转子振动也与支撑它的轴承特性有关（大多数电机的轴承可看成是 硬性轴承）。4） 轴承振动分析河北理工大学成人教育毕业

16、设计说明书（论文）在电机运行中，作用在轴承上的力将引起轴承座与转子的相对振动和轴承座本身 的绝对振动，这种作用无论是滚动轴承还是滑动轴承都会发生。滚动轴承：由于结构上的原因，滚动轴承产生一种固定频率的振动，由于它的油 膜很薄，转子轴和轴承座之间的相对位移很小，除固定频率外还可能存在着由于滚动 轴承本身的弹性变形所引起的更高频率的振动，以及轴承内外圈的自振频率振动，还 有因轴承磨损而发生的不规则振动。滑动轴承：在滑动轴承中，轴是由高压油泵打进来的润滑油膜所支撑的，而润滑 油膜由轴的传动带入到轴与轴承之间形成的，当油膜不稳定时会导致润滑油的涡动和 起泡，使轴承产生非正常的反应。而产生油膜不稳定的因

17、素很多，如负载不稳定、转 轴中心不正等都会造成油膜不稳定的变化。合理的装配方法及正常的电机操作是解决这个问题的关键所在。适当改变轴承结 构零部件的尺寸公差配合，减小装配间隙，可以减小电机轴的窜动。我们知道，热胀 冷缩是物质的共性，电机在热态运行时其零部件发生热膨胀的现象是不可避免的。假 定轴承内圈、甩水环、甩油环与电机轴的配合是紧密的，在热态运行时不会发生与轴 松脱滑动的现象，那么电机轴的最大窜动量便是轴承在轴承内外盖止口之间的装配问 隙与球轴承轴向游隙之和，约为 01.35mm 一般情况下，电机轴轴向移动最大位移 为2.50mm径向窜动的最大位移为3.15mm1.3电机轴窜动检测的意义机械化

18、大生产出现以后，越来越多的机器设备投入了运行，流程化生产线的出现 更使设备检查和维修成为生产活动不可或缺的一个环节。随着生产的发展，生产装备 更为先进和现代化，其标志主要是大型化，高速化，连续化和自动化，设备也变得更 加精密和复杂，设备故障造成的经济损失也越来越大，所以设备的检测方法也越发显 得重要。随着科学技术的发展，电机已应用现代社会的工业生产的各个方面，对社会各个 方面的发展起着不可估量的作用。因此，我们有必要对电机运行的状态进行监控。在 所有与电机状态有关的故障征兆中，电机振动测量是最具有权威性的。它能反映电机 所有的损坏，并易于测量。从转子动力学、轴承学的理论上分析，电机的运行状态，

19、 主要取决于其核心转轴，所以电机轴的正常转动是电机安全运行的一项重要指标。过 大的电机轴轴向、径向位移都将会引起过大的电机机构损坏。因此对电机轴的轴向位 移、径向位移这两个量进行实时监测可以对电机运行状态进行分析、判断。近年来，河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）随着电机生产数量逐年增多，反映出的质量问题也越来越多，其中主要是转子轴向窜 动量较大影响配套设备的正常使用，同时对电机自身轴承损坏也较大，因此对电机轴 轴向和径向窜动的检测方法的研究意义十分重大。另外，电机日益增多，生产过程也日趋复杂，对电机的一些重要和关键的部位和 项目进行连续监测，可以获得显著的效益，具体说有一下几个方面：1

20、）减少突发事故造成的停产损失；2）减少维修次数和维修成本；3）减少备件投资；4）提高作业率与设备服役寿命；5）可实现有计划的停机检查；6）减少人员伤亡；7）优化人员配置。1.4电机的轴向位移和径向位移检测的研究现状电机轴轴向位移和径向位移的监测方法研究电机的检测主要是在线检测。目前，电机轴轴向位移和径向位移的监测方法 有以下两种比较普遍的方法：1）电机轴轴向位移和径向位移的总均方值的监测电机轴轴向位移和径向位移的总均方值监测一直是最通用的监测方法。测取在预 选带宽之间内振动的总均方根是最简单的方法。通常带宽为10HZ1KHZ或者为10H入10KHz这项技术，经过多年的应用，已经积累了大量有关电

21、机故障的统计资料， 并且公布了旋转振动的推荐标准。标准规定：当振动强度的变化量达到8dB及以上时， 应加强监视；当振动强度变化量超过 20dB时，则必须进行检修。如经频谱分析表明， 上述振动强度的变化是由高频分量的增加所引起的，则上述规定可分别放宽致 16dB 和40dB。总均方值方法是测量Va与Xo （Va最高速度，X襄峰值到峰值的位移）。然 后将这些量定义一个参数 F=0.52NX/V,其中NH电机的速度，单位r/min 。当FM,采样函数才能不失真地恢复到原函数（香农采样定理）。香农采样定理为现代 数字通讯、数字信号处理和数字控制系统采样周期的选择提供了理论依据，给出了采 样周期的上限。

22、但实际上，f （t）的最高频率是很难确定的。首先，采样定理要求取得 所有的采样值后才能确定被采样的时间函数，然而在实际的计算机控制中，后面的采 样动作发生之前，计算机就要对生产过程进行控制。其次，采样定理假定了采样器是 理想的f*（t）是瞬时抽样值，实际上这些理想条件是不存在的。 所以，在实际的实时数 字控制系统中，采样频率并不能简单地以 板=2 wna参选取，它与数字控制器的字长、系 统的结构、被控系统的期望性能指标以及接入的各种滤波器的状态参量等有关，同时 它必然带来滞后效应，对于快速的数字控制系统必须考虑这种难以补偿的延迟。所以 实际上采样频率的选择是一个比较复杂的问题，必须综合各方面的

23、因素作出最佳的选 择。通常我们在工程上选择采样频率的基本原则是：在满足系统性能的前提下，尽可能河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）选择较低的采样频率。对大多数工业生产过程中的物理量的控制，采样周期的选择可 以按表1所列数据作为参考，再经现场调试最后确定采样周期。表1采样周期参考值物理参数8M:压力物位温度成分采样周期1531068152015 20数据的处理在此数据采集系统中，数据信号首先经过功率放大器，将微弱信号转变成标准信 号，在滤波器的作用下，尽量剔除混入原始信号中的干扰部分，在采样、保持脉冲的 作用下，将信号暂时保存起来，在多路开关的作用下进入 A/D转换器。1）功率放大器模拟量

24、输入通道中的放大器主要用来提高输入信号的信噪比及采样数据的精度， 同时满足A/D转换器规定的量程输入。常用的放大器有四种类型 ：通用运算放大器、仪 用放大器、隔离放大器和可编程放大器。一般在满足电气特性的前提下，尽可能选用 价格低廉、货源充足的电子元器件。2）滤波器测量信号被放大的同时，混杂在其中的噪声和干扰信号也被放大。滤波器可以用 来突出有用信号而削弱其他信号。不同信号往往具有不同的频率，因此滤波通常用具 有频率选择特性的电路来实现。常用的滤波器有一阶低通、二阶低通和高通滤波器。 在实际应用中，先要仔细分析有用信号和杂散信号的频率关系，再来选择合适的滤波 电路。3）采样/保持器采样保持器的

25、作用是用来“凝固”随时间变化的快速模拟信号，以减少由于转换 时间所引起的转换幅值误差。A/D转换需要一定时间，在转换过程中，如果送给 ADC勺 模拟量发生变化，则不能保证精度。4）多路开关:用扰、建立时间和带宽在满足切换速度要求，且路数较多的场合，尽可能地选择单片模拟开关，以保证 每路特性参数的一致性。模拟开关的选择还要顾及后面A/D转换器的工作速度，一般后 者速度应高于前者的速度。还需注意的因素有5）模数转换器河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）数据采集是各种智能仪表、工控系统、科学试验等工作中必不可少的任务，它是 将实时变化的各种物理量如温度、压力、流量等先经过各种传感器和变换器变成

26、电压 或电流信号，再经过模数转换器（以下简称A/D）变成数字信号，送到单片机或微机进行 运算、显示、打印、控制等处理。A/D转换电路是整个数据采集系统的核心，它将采样 获得的连续电压转换为数字量。 一般有双积分型和逐次比较型等类型。 逐次比较型A/D 转换时间可达到lms以下，电路简单，在工业中应用广泛，但抗干扰能力较差，需要与 滤波电路和采样保持器配合使用。在瞬态检测中，被测信号的频率要有一定的限制。现在很多单片机内部已经嵌入了 A/D,简化了硬件设计，但是这种A/D的精度一般仅为 10位或8位，满足不了一些要求较高的应用需求。本系统采用 A/D574A转换模块。由于被测非电量的环境比较恶劣

27、，干扰源比较多，除了在模拟系统采用必要的各 种硬件滤波电路外在用计算机组成的非电量自动测量系统和智能化仪器中，为了减小 对采样值的干扰，提高系统的可靠性，还常常采用数字滤波的方法。数字滤波的实质 是一种程序滤波，即通过一定的计算程序对采样信号进行平滑加工，减少干扰在有用 信号中的比重。常用的数字滤波方法：程序判断滤波、中值滤波、算术平均滤波、加 权平均滤波、一阶滞后滤波、复合滤波、高通数字滤波器、带通滤波器等。上述8种数字滤波每种滤波方法都有其各自特点，从滤波效果与滤波时间上来综合考虑本数据采 集系统采用算术平均滤波法。在工程实践中把非电量转换为电信号的传感器，大多带有一定的非线性特性，为 了

28、保证这些参数能按线性输出，必须进行补偿，以提高变换精度，便于对系统进行分 析处理。在微机控制系统中，用程序实现非线性补偿比模拟的硬件补偿更方便更实用， 因而在本数据采集系统中加入线性化处理程序。常见的方法有：计算法、查表法和折线 法。在生产过程中的各个参数都有不同的量纲和数值，为了操作人员管理及生产过程 的需要，必须把这些数码转换成各种工程量单位，使之便于显示、记录和打印。这些 转换被称为标度变换或工程量转换。所以在此系统中还需设置标度变换程序。线性参 数的标度变换是最常用的标度变换方式，其前提条件是被测参数值与A/D转换结果为线 性关系。标度变换的公式为：AxAm(1)式中Ao为一次测量仪表

29、的下限；Ax为实际测量值（工程量）；Nr*仪表上限所对应的数河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）Nx为测量值所对应字量；AW一次测量仪表的上限；No为仪表下限所对应的数字量; 的数字量。河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）3系统的硬件设计传感器选型传感器的基础与分类传感器为用于检测某种变量并把检测结果传送出去的功能器件。它广泛地应用于工业生产和科学研究。在检测和自动控制系统中，传感器的作用相当于人的五官，自动 化程度愈高，系统对传感器的依赖性越大，传感器对系统的功能起着决定性作用。传 感器技术是以信息的获取与变换为核心，是拓展信息资源的源头，具有将计算机、通 讯、自动控制技术衔接为

30、一体的关键功能。而且，传感器技术的发展，涉及科研体系、 电子工业、机电能源、航空航天、邮电能信、生物医学、交通运输、新型材料等部门。 因此，传感器技术的发展涉及信息产业的全局，并与之互为作用。随着微电子、计算机技术的发展，各行业对传感器的性能与质量的需求会越来越高。从功能的角度，可将传感器分为以下几类：电传感器、磁传感器、位移传感器、 压力传感器、振动传感器、速度传感器、加速度传感器、流量传感器、流速传感器、 真空度传感器、温度传感器、光传感器、射线传感器、分析传感器、仿生传感器、气 体传感器、离子传感器等。而根据不同的技术特点，传感器还有七种分类方法：电传送、气传送或光传送、 位式作用和连续

31、作用、有触点和无触点、模拟式或数字式、常规式或灵巧式、接触式 或非接触式、普通型、隔爆型或本安（本质安全）型 。结合本设计的特点，比较各种传感器的优缺点，选用位移传感器中电涡流传感器 作为该系统中轴窜动检测元件。下面是对电涡流传感器的介绍。电涡流传感器1）电涡流传感器的工作原理及特性a）电涡流传感器的工作原理电涡流传感器是一只固定于框架上的线圈如图 4所示，它与一个电容并联，构成并 联谐振回路。在没有测量体时，把该回路调谐至某一频率（例如1MHz）。在图4中，当被 测导体靠近传感器时，由于传感器线圈中所载高频信号的激励，产生一高频交变磁场小 根据电磁感应定律在被测导体的表面附近产生了与交变磁场

32、相交连的电涡流 ，此电流 又将产生一磁场小e反作用于小i ,而小e和小i间存在一定相位差A6,通带0 A（|） 1数字 希出单极性输入(OdFFSET(增GAINL2/K C5- 奥CE一输入皿22A3424-273630-251012AD574Al6791713*11159(b)双极性输入-+5 V I5V -I5VSTS二高4位.巳|4位二保4位数播出图17 AD574单双极性输入连线图2) 74LS373 芯片74LS373芯片弓I脚图如图18所示。河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）0EQo L_2Do 3Di 4Qi74LS37320 Vx 回5 国a17 D& 回Q&15 Q

33、&141 De引脚功能如下:QQ 8位数据输出线。18 74LS373引脚图G数据输入锁存选通信号。高电平有效。当该信号为高电平时，外部数据选通到内部锁存器，负跳变时，数据锁存到锁存器中。OE数据输出允许信号。低电平有效。当该信号为低电平时，三态门打开,锁存器中数据输出到数据输出线。当该信号为高电平时，输出线为高组态。74LS373是带有三态门的8D锁存器，内含8个D触发器，输入为D,输出为QQ。G为CP脉冲输入端（触发端），上跳沿有效，该端在CP脉冲的上跳沿作用下,可将DD的状态锁入触发器内部。当输出允许OE端加以低电平或负脉冲时，这些数 据信息反映到输出端 QQ上；当OE有效信号过后，QQ

34、端恢复为高阻状态。如果不需要3态，只要将OE端接地，即成为2态输出。74LS373在该电路中的作用为：锁存80C51发出的地址信号，用于控制A/D转换器 的启动和转换后数据的读取。74LS373功能表如表4所示。河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）表4 74LS373功能表输出控制OE使能G输入D输出QLHHHLHLLLLXQoHXXZ注：表中H为高电平，L为低电平，Q为原状态，Z为高阻态，X表示任意值（即不论为“ H 还是为“ L”都一样）。从表中可见74LS373的功能为：当使能端G为高电平时，同时输出允许端为低电 平，则输出Q等于输入D;当使能端G为低电平，而输出允许端也为低电平时

35、，则输 出Q=Q。原状态，即使能端G由高电平变为低电平前，输出端 Q的状态，这就是“锁 存”的意义）。当输出允许端为高电平时，不论使能端G为何值。输出端Q总为高阻态。 74LS373锁存器主要用于锁存地址信息、数据信息以及 DM颂面地址信息等。3）多路模拟开关CD4051CD4051是双向8通道开关，它是由电平转换、译码/驱动和开关电路三部分组成， 其中电平转换可实现COMSUTTL逻辑电平的转换，因此，加到通道选择输入端的控制 信号的电平幅度可为3V20V。同时模拟量信号的峰值可达 20V。CD4051带有三个通 道选择输入端A, B, C和一个禁止端INH。具引脚图如图19所示。当CBA

36、000111B时，可产生8选1控制信号，使8路通道中的某一通道的输入与输出接通。 当INH 为0时，允许通道选通；当INH为1时，禁止通道接通河北理工大学成人教育毕业设计说明书(论文)4)采样/保持器LF398芯片LF398是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样保持电路，它具有采样速度高，保持降速率慢及精度高等特点。作为单一放大器时直流增益精度为0.002%,采样时间小于Gus时精度可达到0.01%。采用双极性输入状态可获得低偏置电压和宽频带。输入 偏置电压的调整用一条引线端实现，并在不降低偏置电流的情况下，允许1MHz勺带宽(输入电阻为100 Q)o当保持电容为laF时，P沟道场效应管与输入放大

37、器连接成双 极性装置，下降速率为 5mV/min,抗干扰能力强，不易受温度影响。芯片上逻辑输入 端均为具有低输入电流的差动输入，允许与 TTL电平、PMOS口 CMO等相连。采样/保持器LF39的系统中的作用：(1)采样时间快速跟踪输入的模拟信号。在保持时间内保持采样值不变，为 A/D 转换器提供恒定的转换信号；(2)在多路采样系统中，跟踪采样信号。当S/H进入保持方式，多路开关又不失时 机地进行下一路信号的采样，从而构成高速的重叠采样方式；(3)在保证精度的条件下，提高A/D转换器的频率。5) AD574A及有关芯片与单片机80C51的连接与应用AD574做有关芯片与单片机80C51的连接如

38、图20所示。图20 AD574A及有关芯片与单片机 80C51的连接在该检测系统中，被测参数经多路开关CD405选通后，送到LF398的输入端。LF398 的工作状态由A/D转换器转换结束标志STS勺状态控制：当A/D转换正在进行时，ST效 高电平，经反相后使S/H呈保持状态，以保持A/D转换器输入信号的稳定；当A/D转换结 束时，STSE为低电平，经反相后使S/H呈采样状态。河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）AD574A勺输出是三态锁存器。因而可直接与80C51I片机数据总线接口。该检测电 路是12位向左对齐的数据输出格式,AD574A勺低4位DBADB0接到80C51D7D4k,

39、AD574A勺高8位DB1卜DB4接至1180c51D7D0,可分为两次读出数据，第一次读高 8位，第二次读低4位。为便于位寻址查询，AD574A勺标志位ST能80C51I片机INT0。 单片机80C511过改变CE CS、R/C、12/8、A五根控制线的状态来控制 AD574A勺启 动和其数据的输出。其控制信号真值表如表 5所示。表5 AD574A控制信号真值表CECSR-C12 8A工作状态0XXXX禁止X1XXX禁止100X0启动12位转换100X1启动8位转换101+5VX12包并行输出后效101地0局8包并行输出后效101地1低4包加上尾随4个0后效3.2.3显示器/键盘电路的结构及

40、功能1）可编程接口芯片81558155芯片为40引脚双列直插封装，单一的+5V电源，其引脚图如图21所示。其 具有3个可编程I/O 口，其中2个口（ A和B）为8位口，1个口（C）为6位口。此 外还有256单元的RA防口 1个14位计数结构的定时器/计数器。信号接口线如下：I/O接口线PAPA7、PBoPB7、PC。PC5分别为A、B、C三个I/O接口引线端，A, B 口多用于与外设之间的数据传送；C 口除用于与外设传送数据之外，还可作为 A, B 口 的控制线。河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）PC3140VccPC4239PC2TIMERIN338PC1RESET437PC0PC5

41、536PB7TIMEROUT635PB6IO/M734PB5CE833PB4RD932PB3WR108155 31PB2ALE1130PB1AD01229PB0AD11328PA7AD21427PA6AD31526PA5AD41625PA4AD51724PA3AD61823PA2AD71922PA1Vss2021PA0图21 8155引脚图地址数据线8155的低8位地址和数据线共用AD0AD7,故称为地址数据线。当 ALE=1时，输入的是地址信息，否则是数据信息。当与80C51单片机相连接时，ALE下降沿到，将P0接口输出的低8位地址信息及CE、IO/M状态都锁存到8155内部寄存器。因此 8

42、155的AD。AD7直接与P0接口相连，低8位地址不需外设锁存器。控制线ALE地址锁存线。ALE=1表示给8155输入的是地址信息，当 ALE下降沿到把地 址锁存到8155中。丽：读选通控制线。WR：写选通控制线。Ce：片选线。IO/M : I/O 与 RAMI口的选择线。IO/M =0,选中 8155 的内部 RAIVE; IO/M =1, 选才? 3个I/O接口、定时/计数器和命令寄存器。RESET;复位信号。8155以600ns的正脉冲进行复位，复位后 A、B、C 口均置为 输入方式。TIMERIN定时/计数器外部脉冲输入端河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）TIMEROUT:定时

43、/计数器输出端8155由于内部结构决定了它有以下功能：（1）可作为单片机片外扩展的256B RAM（2） 作扩展I/O接口。（3）作定时/计数器使用。本系统中作为扩展I/O接口使用。在此功能中只要使用io/M控制端为低电平即可。IO/M端、CE端与80C51单片机的P2接口两位相连，二者皆为低电平决定了 RAM的高8位地址P0 口与AD。AD7相连决定了 RAM勺低8位地址。注意与其它数据存储器统一编址。2） LE嗷码管显示器LEEW发光二极管，它是一种由某种特殊的半导体材料制作成的 PNS,由于参杂浓 度很高，当正向偏置时，会产生大量的电子一空穴复合，把多余的能释放变为光能。LED!示器具有

44、工作电压低、体积小、寿命长（约十万小时）、响应速度快（小于1us）、 颜色丰富等特点，是智能仪器最常使用的显示器。其分为单个、七段和点阵式等几种 类型。本设计系统中使用七段LED1示器，并采用共阴极接法。具结构如图22所示。g f GND a b mu10 9 S 7 612 3 4 5nrre JGMJe 由a）管脚配置b）共阴极图22 LED显示器引脚及结构图为了显示某个数或字符，就要点亮对应的段，这就需要译码。译码有硬件译码和软件译码之分。本系统中采用软件译码其显示电路如图23所示。河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）图23软件译码电路（共阴极接法）共阴极接法的段码与数字、字母关系

45、如表 5所示。表5 LED数码管显示字型与段选码关系字型共阴极代码字型共阴极代码03FH96FH106HA77H2A4HB7CH34FHC39H466HD5EH56DHE79H67DHF71H707H灭00H87FH（2）数码管显示方式及接口电路LED1示器工作方式有两种：静态显示方式和动态显示方式。静态显示的特点是每 个数码管必须接一个8位锁存器，用来锁存显示的字码段。送入一次字码段，显示字形 一直保持，直到送入新字段码为止。其优点是占机时间少，便于监测和控制，缺点是 硬件电路较复杂，成本高。动态显示的特点是所有位的段选线并联在一起，由位选线 控制哪一位接收字码段，轮流向各位送出字形码和相应

46、的字位选择，利用显示器的余 辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位同时都在显示。3）键盘电路键盘按其工作原理可分为编码式键盘和非编码式键盘。编码式键盘是由按键键盘和专用键盘编码器两部分组成。河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）非编码式键盘不含编码器，当某键被按下时，键盘只能送出一个简单的闭合信号， 对应的按键代码的确定必须借助于软件来完成。非编码式键盘按照与主机连接方式的 不同，有独立式键盘、矩阵式键盘和交互式键盘之分。本系统设置七个键，即停止报 警键、电机轴径向窜动上限设定键、电机轴径向窜动下限设定键、电机轴轴向窜动上 限设定键，电机轴轴向窜动下限设定键，力口 1键以及左移键。而独立

47、式键盘结构的特点 是一键一线，即每一按键单独占用一根检测线与主机相连，如图24所示。这种连接方式的优点是键盘结构简单，个测试相互独立。缺点是占用较多的检测线。此种方式不 适于组成大型键盘，当需要的按键数目小于8时，一般都采用独立式键盘。所以此系统 米用独立式键盘方式。图24独立式键盘结构左移键处理处理程序的主要任务是为操作者提供直观的显示和要修改的LED位。当它被按1次，4位LED闪烁，以表示该位可以进行新的数字设置，该位数字设定完 以后若需设定另一位LED的数字，则按左移键，闪烁位将由低位向高位左移达到所需 要设定的位。加1键时在左移键的配合下，使闪烁的 LED位内容加1。4）显示器/键盘电

48、路的连接显示器/键盘电路的连接电路如图25所示。8155芯片的AD7AD0、ALE RESET RD、WR信号依次与单片机 80C51的P0 口、ALE RST RD WR信号兼容。使用80C51的高位地址P21、P20分别与CE、IO/M信号直接相连。同时8155的PA口作段码驱动器，PC 口经75451驱动输出位控码。河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）80C518155TXDP1.0 ,1.1P1.7P0.0P0.1P0.7RESET P2.0RXD胆1NT0-NT1T0P2.71ALE_zA7Vp PSENX1RDX2WR&InuP：汇匚匚匚匚匚WC2、PC3PC4PC5图25显

49、示器/键盘电路图当P6输出为低时，允许显示器显示不同字型，如果 P6输出为高，则相应的数码管 熄灭。8155白PB口与7根按键测试线相连。当无键按下时，7根测试线均为高电平，经8 与非门及反相器后仍为高电平，因而不会产生中断。当其中任一键按下时，INT0变为 低电平，向80C51申请中断。80C51响应后便进入中断服务程序，用扫描的方法寻找中 请中断的功能键并执行键功能的处理程序o河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）4系统的软件设计系统的正常运作必须由软件来控制，各种功能的实现也由软件来完成。软件的设计可以分为以下模块：主程序,定时中断0,1服务程序，电机轴窜动检测子程序,显 示子程序，

50、键盘扫描子程序。下面就各个模块的功能及流程图分别作以下介绍。主程序主程序主要完成定时器T0和有关芯片的初始化、开放 CPU T0中断、T1中断、调 用显示子程序及键盘扫描子程序等。主程序中，调用了键盘扫描子程序，如果有键按 下，就会转移去执行该键的功能子程序。缓冲区满就执行清零操作。主程序框图如图26所示。图26主程序框图河北理工大学成人教育毕业设计说明书(论文)电机轴窜动位移检测子程序电机轴窜动检测子程序主要是对电机轴窜动位移量的检测。主要实现如下功能： 启动A/D转换对传感器导出的电压信号转换为数字量， 选择通道，两路循环检测一遍， 将结果处理后送显示缓冲区，如果结果越过报警限系统自动报警

51、。为了保证数据的精 度，而且每次数据的显示没有明显偏大或偏小的。这样不能采用中值滤波法，从滤波 效果与滤波时间上来综合考虑本系统采用算术平均滤波法。这种滤波法是把 N个采样值相加，然后取其算术平均值作为本次采样值，即NY(K) = X(i)/N(5)i 1由公式(5)可知，这种滤波效果与所选择采用次数 N有关，N越大，则滤波效果越好， 但所花费的时间越长。所以根据系统特点和A/D转换芯片的转换速度，这里N取4次。同时此程序还完成对所采集的数据进行标度变换。因为为了显示、打印、记录以 及报警等，必须把这些数字量转换成位移的单位，以便操作人员对测量过程进行监视 和管理。电机轴窜动检测子程序如图 2

52、7所示。定时中断服务子程序T0定时中断服务程序功能：计数，每隔1s调用一次窜动位移检测子程序。T0定时中断服务子程序如图28所示。显示子程序显示子程序功能完成窜动位移量与通道号的显示。本系统工作时，先取一位要显 示的数(十六进制数)，利用软件译码的方法求出待显示数对应的段码，送至8155白U口，然后再将位码送至8155CH,于是选中的显示器点亮。若见个各位从左至右依次进 行显示，每位数码管显示3m25ms显示完最后一位后，再重复上述过程，则可得到 连续的显示结果。显示子程序如图29所示。河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）图27电机轴窜动检测子程序河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文

53、）图28定时中断服务子程序河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）图29显不子程序河北理工大学成人教育毕业设计说明书(论文)4. 5键盘扫描子程序键盘管理程序是指对按键操作的识别与分析。其任务大体可分为下列几项：(a)识键：判断是否有键按下。若有，则进行译码；若无，则等待或转别的工作。(b)译键：识别出哪一个键被按下并求出被按下键的键值。(c)键值分析：根据键值找出对应处理程序的入口并执行。键盘按键一般都采用触点式按键开关。当按键被按下或释放时，按键触点的弹性 会产生一种抖动现象。这时触点不会迅速可靠地接通；当按键释放时，触点也不会立 刻断开，而是要经过一段时间的抖动才能稳定下来。抖动时间视

54、按键材料的不同一般 在5m腔10mB问。键抖动可能导致计算机将一次按键操作识别为多次操作。为克服这种由键抖动所致的误判，常采用硬件电路消除法和软件延时法两种方法进行消除。本 系统为了节省硬件，减小体积，故采用软件延时法。软件延时法：当判定按键按下时，用软件延时 10ms-20ms等待按键稳定后重新 再判一次，以躲过触点抖动期。本系统键盘扫描程序是通过向80C51申请中断进入键盘中断服务程序后实现的。 键 盘扫描子程序如图30所示河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）图30键盘扫描子程序河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）结束语这次的毕业设计主要是针对电机的运行状态进行实时监测而研究的

55、。本次设计首 先介绍了电机轴窜动产生的原因，并由此引出电机轴轴向径向位移检测进行的必要性。 此检测装置是基于 W理电涡流传感器，由单片机80C51控制的数据采集系统，能对电 机轴轴向径向窜动进行有效的监测。本设计中重点介绍了此检测系统所采用的硬件部 分，最后还对实现各种功能的软件进行了简要介绍。本系统的特点也是优点就是利用 LED显示器显示电机轴窜动位移，这样就很直观、清晰，便于管理人员的查看。本系 统还有报警功能，当电机窜动超出其正常允许的范围时，报警器会自动发出报警以提 示管理人员来控制设备的启停。另外，此系统速度快，准确度高，对现场工作人员技 术水平的要求也不是太高，这都是其它装置无法比

56、拟的地方。当然，由于各方面因素 的制约，系统目前还只能处于理论阶段，还需对其进行实验调试进一步完善。河北理工大学成人教育毕业设计说明书（论文）谢辞历经近半年的毕业设计已接近尾声，在设计中我们翻阅了大量的文献资料，并且 真正接触到了生产实践中的实际问题，避免了纸上谈兵。在本系统设计开发过程中的 每一个环节，自始至终都得到了导师张涌涛老师，以及其他老师的悉心关怀和严格指 导，解决了许多难点，使我从中不仅巩固了所学知识，开阔了知识面、锻炼了科研开 发能力，更重要的是张老师那严谨的治学态度、求实的工作作风、开拓创新的思维方 式和高尚的为人品格给我留下了深刻的印象，永远值得我学习，同时为今后进一步工 作打下了坚实的基础。