监测系统整体方案设计

第1章绪论1.1研究背景受上世纪80年代动力空气学术理论发展以及全球范围的石油经济危机的深远影响，世界生态环境不断遭受恶化和传统能源日益缺乏的重大压力，使得相关领域的专家们不得不重视起新能源中发展最为快速和迅猛的风能发电行业。风电作为新能源当中的一部分，以其独特的且不同于其他新能源的自身优势得到了新的快速发展。因此，风能发电在近年来得到了广泛的应用，风电设施日益完善，而且大大降低了发电成本。到2008年，风力发电约9410万千瓦，占世界用电量的1%以上。而目前风电大有通其他传统发电行业相媲美的趋势，每年仍然保持着30%的增长率。在全球风电高速发展的背景下，风电齿轮箱的装机容量也在不断增加，且结构脱离简单化。风场环境恶劣，风电发电机组一般处于高山、戈壁、荒原等恶劣环境的高空上。这些环境下的温度、压力，风切向无时不刻地影响着风力发电机组的运行状态，风电机组的组件很容易受到损坏，且风电机组地处偏僻，工作人员难以及时捕捉机组故障信息，部件故障因此容易进一步恶化，一旦局部故障不加以制止得以累计成严重故障时可能致使停机，再加上大型的吊装设备难以进入，增加风电机组维护成本，造成风场经济效益减少，降低竞争力，也就是说运维成本占比比重增加。国内发电机组通常在运转5年之内发生关键故障，其中风电机组齿轮箱最为普遍且严重。随着新能源的发展，人们对风能的需求量越来越大，风电机组的装机容量和风场规模越来越大，同样风电机组的运维成本也越来越大，巨大的运维成本将会降低风场经济效益，可见发展风电齿轮箱的监测技术，提高风电齿轮箱正常运行时间很重要。风轮的转速不会很高，通常在9RPM至20RPM，通过风电齿轮箱的转换，转速可提升到1000RPM至18000RPM，将风轮的低转速慢慢转换为风力发电机组国家规定的高转速范围是风电齿轮箱的主要功能。目前科学专家鉴定的典型机械传动系统之一是风电齿轮箱，主要由工业机器中常见的箱体、轴、轴承、齿轮构成。齿轮箱部件间的相互摩擦、润滑不良、内部温度过高等因素都会导致齿轮箱发生故障。风电齿轮箱作为风电机组动力传递的关键设备，常常安装在空间狭窄、距离地面六十多米的机舱内。风电齿轮箱一旦发生困难不但维修困难且维护成本高。因此风电齿轮箱运行的实时状态监测能间接增加风场的经济效益。国内外相关领域的专业人士的高度重视目前全球公认发展快速迅猛的风电行业，尤其对于风电齿轮箱状态的监测达到了空前的需求值。1.2目的和意义风力发电机组一般由电气系统、传动系统、发电机、传动轴、变速箱、风轮等部件组成。随着全球风电行业的飞速发展，风力发电机组的结构也不像早期的风电机组，更加复杂化。风力发电机组工作环境十分恶劣，极其容易发生故障，常年处于载荷变化大、昼夜温差大和随机风力冲击的环境下。如果风力发电机组的故障发生不进行处理，轻则风场经济效益损失，重则发生风机坠毁事故。在目前厂商生产的常规风力发电机组部件中，齿轮箱故障导致的故障是最为常见而且普遍的，而且维修停机时间在所有风电机组部件中最长，且故障发生率也相对较高。风电齿轮箱的服役时间通常要比设计年限短的多，一般理论设计年限为20年。相比国外，国内的风电齿轮箱服役时间更短，一般投入生产的4到6年间便可能出现各种故障。齿轮箱常见的故障有轴承损坏、齿面疲劳、齿面变形、齿面磨损、轴裂、漏油和油温过高等。造成故障的部分原因有以下这些：①风电齿轮箱工作温度过低，导致不能充分润滑齿轮箱部件②风电机组启动时，齿轮箱将会承受风轮和发电机的扭转冲击力③由于风电齿轮箱长期工作在复杂的交变载荷下，容易损坏轴承和齿轮，因而容易引发故障④如果在高负载的紧急刹车的情况下，高强度的疲劳冲击会损坏齿轮箱。这些早期不明显的齿轮箱故障如果不能及时被发现，随着齿轮箱的长期运转，极有可能会逐步转换为严重故障，甚至停机[1]。当风电齿轮箱发生严重故障时,风力发电机需要停机进行维修，多数情况下需要将风电齿轮箱拆装下来运回去维修，成本很高。而且海上风电场则更需要使用船只，当遇到恶劣天气时，可能风电齿轮箱在几个月内都得不到维修，将严重损害风电场的经济效益。因此对大型发电机的齿轮箱实施在线监测和早期微弱故障诊断很重要。目前，计划维修和事后维修是风力发电机组齿轮箱的维护保养中主要的两种传统方法。计划维修也是预防性维修，是指风力发电机组运行到一定时间后有计划地对所有部件进行检修，类似于定期保养。不能及时全面地了解风力发电机组地运行状态，对于风力发电机组地检修缺乏针对性等都是这种方法地缺点。事后维修即风力发电机组发生故障后对损坏的部件进行维修，常常这种故障都已经是相当严重的故障，成本相当高。因此对齿轮箱实施监测能够一定程度上避免这两种方法的缺点带来的影响，不仅有针对性还能降低成本。通过对风电齿轮箱实施在线状态监测诊断，及早地判断出油温是否过高，初步发现潜在的润滑系统的冷却故障问题。其次通过对风电齿轮箱内部齿轮间或者轴承上的振动情况进行实时监测，从而对风电齿轮箱的关键部件的磨损等情况能够有初步了解，预防早期故障转变为严重故障的发生。系统还能需要对风电齿轮箱内部的压力进行监测，避免影响内部润滑系统的散热和润滑功能等。风电齿轮箱的运行状态监测能延长齿轮箱的使用寿命，减少突发事故概率和故障停机时间，降低运维成本，对保证风机的安全健康运行有着重大的意义。1.3国内外发展现状设备运行状态监测与故障诊断技术是指通过使用各种测试方法监测设备的运行状态，而且在工作人员不拆穿风力发电机组的全部设备或者在风力发电机组设备运行过程中的情况下，判断异常状态是否存在于设备的运行当中，如果有异常则可以及时发出故障预警信号来通知相关工作人员，如有故障则可以快速找出故障的部件和原因，并预测设备故障发展趋势的技术。设备运行状态监测和故障诊断是一门涉及电力电子、数据识别、人工智能、微电子、测试技术和信息处理等技术交叉的学问，也是一门理论与实际相结合的学科，近年来发展迅猛。设备运行状态监测技术是防止事故发生的有效措施，也是设备维修的重要依据。目前，发展风电行业已经成为各国研发和关注的重要项目，将风能通过风力发电机组的转换变为电能是新能源发展的潮流趋势。风电行业不仅能快速提高制造领域的技术以及各国在能源危机方面的认知，而且还能大大地增加国家地经济效益，已经是很多国家重点发展地科技项目。风力发电是一个极大地投资项目，世界各国都在想近一切办法通过提高风力发电机组地制造技术水平，并使用无线监测技术对风机的运行性能进行监测来降低风机发生故障，就是为了延长风力发电机组的正常使用寿命，从而降低风力发电的成本[1]。状态监测技术也开始逐渐变得成熟，比较出名的有普鲁弗公司、FLENDER公司等许多大型风力发电厂都配置了状态监测系统[1]。美国的一些大型公司也开始在风力发电机组运行状态监测方面有所建成，发展的比较快[1]。国外风力发电机组的故障诊断与监测技术主要是针对传动系统和电气系统进行展开研究[2]。目前故障的诊断方法主要有两种，一种是基于模型的故障诊断方法，另一种是基于信号处理的的故障诊断方法，其中大部分故障诊断都是基于监测技术的来的信号进行处理得出诊断结果[2]。随着人工智能的快速发展，传感器的应用越来越普遍，欧美等国家开始将传感器在线监测技术引入风力发电机组中，取得了不错的效果。国外风电设备如丹麦Vestas、西班牙Gamesa、瑞典SKF等制造商，都有自己的故障诊断与风电状态监测系统，对于风电机组的状态诊断及监测研究开展得较早[2]。国外有些著名的比如美国GE（Bently），德国Pruftechnik，Flender等专业从事风电机组监测领域的研究公司，，他们不仅是在理论研究而且还在监测系统的开发应用上有了很多的经验，已经具备高于世界平均水平的基础数据和成熟的诊断算法。国内风力发电得到了大力发展，同时也遇到了很多风力发电机组的关键技术需要突破，为了深入了解风力发电机组的运行特征和故障状态，状态监测技术也逐渐的出现在国内专家的眼中，但是大多数都是通过很简单的有线方式对风电机组的某一个运行进行监测，来达到对风力发电机机组设备进行状态监测，几乎还没有通过无线方式来进行监测风力发电机组的应用[1]。对于监测时间长、监测点数量多、监测情况复杂等一系列难点还存在于风力发电机组状态监测当中。同样线路当中节点的智能化相对程度低、网络布线困难等问题依旧是传统有线风力发电机组状态监测的主要缺点。作为新兴行业，我国在风电机组故障诊断与运行状态评估研究方面起步较晚，和迅猛增加的风电装机容量相比，相关的故障诊断技术显著落后，在风电故障分类和识别方法的研究、机电耦合系统的相关诊断研究、智能诊断和趋势预测技术研究等诸多方面都较薄弱，距离风电行业对故障诊断技术的迫切需求还相差较远[2]。在当前形势下，加大对风电机组运行状态监测与诊断技术的研究力度，掌握拥有自主知识产权的核心技术，对于维护我国风电行业的整体利益具有重大的现实意义和广阔的应用前景[2]。1.4本次设计的内容及工作安排本文对基于AT89C52单片机的风电齿轮箱状态监测系统展开了设计，主要包括监测系统整体方案、硬件设计、软件设计和电路仿真四大部分，主要章节及研究内容如下：第1章绪论：简述了风电齿轮箱状态监测系统的研究背景、目的与意义，综述了国内外风力发电机组和风能发电的发展趋势以及风电齿轮箱状态监测和故障诊断系统的发展现状，说明了本次设计的实际意义和应用前景，介绍了本次设计的内容及工作安排。第2章系统整体方案设计：本章主要详细说明了风电齿轮箱内部温度、压力、振动异常状态的主要因素，系统所用到的主要主控芯片类型，介绍了温度、压力、振动传感器以及其它元器件选择的类型，阐述了风电齿轮箱的状态监测系统的整体方案设计，最后给出了系统的整体设计框图。第3章系统硬件电路设计：本章需要设计系统传感器采集信号电路，主要包括振动信号，温度信号和压力信号的采集电路设计，详细阐述了每个电路的功能作用和主控芯片AT89C52，同时设计了信号模数转换电路、运行状态数据实时显示电路、早期故障声光预警功能电路以及无线通讯功能电路。第4章系统软件部分设计：本章首先介绍Keil5软件设计开发环境，以及监测系统软件的整体思路、框图和流程图设计，然后重点阐述了TLC2543模数转换器和LGM12641液晶显示屏的内部逻辑框图、工作时序图以及部分程序框图。第5章系统仿真：本章介绍电路仿真的开发环境，然后重点阐述了温度、压力和振动这三种传感器的外围电路仿真的实现情况，以及主控芯片AT89C52和模数转换器TLC2543的电路模拟仿真情况，同时实现了按键电路和声光报警电路的仿真。第6章环境保护：本章主要讲述了本次设计在保护自然环境方面的作用和具体体现第2章系统整体方案设计本设计旨在基于AT89C52单片机系统构建一种风电齿轮箱监测系统，外围搭建振动传感器、压力传感器、温度传感器监测数据，并具有信号模数转换功能、无线通讯功能、运行状态数据实时显示和早期故障声光预警功能的风电机齿轮箱组状态监测系统。系统具备采集、运算、通讯、显示、异常数据状态诊断、模拟与数字信号转换等功能，能够就地安装。不同类型传感器接入该系统，可根据传感器类型通过信号模数转换电路选择哪路信号进行采样。AT89C52主要用于对转换后的振动、温度、压力这三种数字信号采集、数据存取、片选等功能电路进行逻辑和使能控制。利用AT89C52的数据处理能力实现振动、温度、压力信号显示出来，并且能够根据接收信号的范围判断为故障时，能够声光预警以及无线通讯传输数据。系统以振动、温度、压力信号的采集为基础对风电齿轮箱运行状况进行实时监测，支持对各种信号进行区分和简单分析，具备实时数据显示、无线通讯和早期故障预警功能等能力，以满足风电机组振动状态实时监测的需要。2.1系统监测的故障类型及分析2.1.1齿轮箱的振动异常相对运动是齿轮箱产生振动和声音的来源，齿轮和轴承是齿轮箱传递运动的主要零部件，因此，齿轮箱振动和声音异常的原因主要有齿轮断齿、齿面上有磕碰划伤、齿轮运转过程中造成的胶合和点蚀、齿轮箱长期停置齿面产生锈蚀、轴承质量问题、联轴器不对中、动平衡量太大、齿轮箱内部零件摩擦干涉等因素[3]。1、齿轮轮齿损伤轮齿故障在风电齿轮箱故障中比例最大。齿面损伤、轮齿折断是轮齿损伤的主要两种形式[3]。轮齿折断是由于设计的应力小于作用在轮齿上的极限应力，或齿轮承受过高的交变载荷，设计疲劳载荷不足[3]。由于齿面承受过大的接触剪应力、应力循环次数、润滑不良、热处理和安装调试等原因，齿面容易发生包括胶合、点蚀、齿面剥落、表面压碎等损伤[3]。当齿轮损伤较为严重时，齿轮箱内的机械运转会出现振动的故障情形，甚至会出现人耳所能听见的异常噪声[3]。2、轴承失效轴承作为旋转类零件，受齿轮箱结构尺寸限制，又要承受复杂的载荷和各种恶劣的工作环境，尤其是输出级轴承，承受高速重载,往往成为齿轮箱中最薄弱的环节，因此轴承失效也是引起风电齿轮箱振动的主要原因[3]。2.1.2齿轮箱内温度过高齿轮箱内温度过高的原因有以下几点：1、齿轮喷油不足：齿轮喷油不足或者油孔没有对准齿轮，会导致齿轮温度高，继而热量传导至距齿轮较近的轴承处使轴承温度偏高[17]。2、油温过高：冷却不足的情况下油温过高，使高速轴承温度不能有效的卸去，导致轴承温度过高[17]。3、轴承损坏：轴承的损坏会使滚子运行不平稳，特别是高速轴轴承转速很高的情况下会大量发热[17]。4、摩擦或盘根过紧：零件干涉摩擦以及盘根安装过紧都会产生大量的摩擦热，使轴承温度升高[17]。5、所选齿轮油粘度过大，引起散热困难[17]。由于高粘度的油品本身的传热效果较低粘度油品差，温度升高会较低粘度油品显著[17]。因此在选择了合适的负荷级别的情况下，应尽量选择低粘度的齿轮油[17][。因此当齿轮箱内的温度过高的情况出现时代表着风电齿轮箱内部出现故障，当温度超过一定数值时风力发电机甚至会停机。油温超过70℃时或者高速轴轴承温度超过80℃，风力发电机组都会发生停机。2.1.3齿轮箱内压力异常齿轮箱润滑系统经常出现油压偏低甚至无压力的情况，导致油压偏低的因素有机械泵不能正常工作、润滑管路有泄露或者是溢流阀故障所致[4]。而对于无压力的情况，主要原因有电动泵油泵联轴器损坏或油泵轴断裂，电机不能带动油泵齿轮转动或者是电机故障导致不能启动等[4]。因此需要对齿轮箱内部压力情况进行监测，及时发现压力故障以降低经济损失。应企业要求，分别在齿轮箱润滑油进口处和油泵出口处设置监测点，以保障齿轮箱内部润滑油的流动方向正常[4]。2.3监测系统整体方案设计系统的总体结构如图2-11所示，本文设计的系统框架主要包括风力发电机齿轮箱、四线Pt100温度人电阻、MIK-P300压力传感器、G500A振动传感器、信号调理模块、A/D转换电路、AT89C52控制系统、LGM12641显示器、阈值可调按键电路、声光报警器、RFM210LCF无线传输模块。风力发电机组齿轮箱处于不健康状态时内部的温度、齿轮所受压力、轴承振动情况均为异常。利用pt100检测电路测量风力发电机组齿轮箱内的油温，通过TL431稳压管接电源电压将pt100电阻稳压在4.9v，通过桥式采样电路得到Pt100的电阻值，接电压运放电路得到相应的电压数值。利用MIK-P300压力传感器测量风力发电机组内所受压力情况，将MIK-P300的正极1脚接在24VDC电源上，3脚公共端接电源负极和控制电路的负极，信号脚2脚将输出0-5V电压模拟量。利用G500A振动传感器测量齿轮箱的旋转轴承的相对振动，将传感器输出的电流值经过采样电阻转化为电压型号，通过电压放大电路输出电压模拟数值。将采集的3种信号传输至TLC2403模块的引脚上，通过内部将3种模拟信号收集转换为数字信号，通过I/O的使能将数字信号接受，最终采集到的信号进入AT89C52内部系统。同时，将LGM12641显示屏通过IIC协议连接STM32,将系统采集的数字信号显示出来，STM32将采集的数据信号进行处理，如果风力发电机组齿轮箱处于不健康状态通过声光报警器发出预警信号，故障时间达到一定时间，将故障信息发送出去。风电齿轮箱状态监测系统整体方案如下图2-1所示：图2-1系统框图2.3监测系统的元件选型2.3.1单片机选型1核心控制器介绍因为一个控制系统的控制核心是控制器，整个系统的功率损耗和运行效率直接依赖于它的性能好坏。本次设计通过考察控制器的功率损耗、精度、体积、运算速度和性价比，综合所有方面的考量最终敲定主控芯片。不同的控制器也就是控制芯片有不同的功能、不一样的工业适用场合以及略有区别的优劣点，本小节于目前市场上流行的工控机、单片机和PLC进行分析：（1）工控机工控机是一种主要应用在工业生产和控制的过程中的控制器，因为它的控制能力非常的强大，适应能力特别强，所以在目前工业生产领域得到非常广泛地应用[5]。但是工控机也有很多不足之处：第一个方面就是工控机的价格成本非常高，所以使得工控机的适用范围有一定的局限性，只能够在一些大型的公司得到应用[5]；第二个方面就是工控机的功率消耗非常大，这样就会造成生产效率不够高，并且还会增加生产成本[5]。（2）单片机单片机是目前应用非常广泛的一种控制器，因为单片机的体积比价小，而且非常有利于各种项目的开发，开发过程比较简单方便，同时单片机的接口也非常丰富，具备非常丰富的I/O扩展接口[5]。单片机可以应用在不同的项目开发过程中，开发周期比较短，而且后期维护也非常的便捷，这样就使得单片机的应用领域更加广阔[5]。（3）PLCPLC是可编程逻辑控制器的英文缩写，PLC是目前一些大型控制项目中应用非常多的一种控制器，因为PLC有非常多的优点：程序编写语言很多、程序代码编写简单、开发过程更容易、抗干扰能力更强、调试更加方便和适用性强等一系列的优点[5]。其中，PLC也存在一些不足之处：目前市场上面的PLC价格都非常昂贵，所以只有一些规模非常大的公司才能够使用PLC作为系统控制器，同时PLC的计算能力比较差，控制精度比较低等缺点[5]。综合考虑后，本次风电齿轮箱状态监测设计选AT89C52单片机作为系统的核心控制器。2、AT89C52简介在众多的核心控制器中，AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS的8位微控制器，具有8K在系列可编程Flash存储器[6]。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容[6]。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，也适用于常规编程[6]。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超高效的解决方案[6]。AT89C52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，3个16位定时器/计数器，一个响亮2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案[6]。AT89C52芯片实物图如下图2-2所示：图2-2AT89C52实物图2.2.2温度传感器选型本系统的温度传感器选用pt100热敏电阻搭建的温度传感器。Pt100温度传感器为正温度系数热敏电阻传感器，其电阻参数随着温度的变化基本成均匀增长的，其能够测量-200℃一850℃的测量范围[18]。根据不同的等级要求,Pt100温度传感器电阻的精确度也不同[18]。Pt100温度传感器主要有A、B两个等级，其中A级：±(0.15+0.002|t|)℃，B级：±(0.30+0.005|t|）℃[18]。Pt100实物图如下图2-3所示：图2-3PT100实物图2.2.3压力传感器选型1、压力传感器种类本小节将介绍内部结构种类多且复杂的压力传感器中市场上常常被厂家使用量多的两种压力传感器。（1）压电式压力传感器压电式压力传感器是利用一种相关专家已经证实材料压电效应可逆的常见传感器类型，当外界应力不停的挤压或者撞击这些压电式传感器材料情况下，其固体器件外表会产生一定数量的激发电荷，且随着这种意外应力的用力方向会改变电荷的极性；当意外应力消失时，固体器件内部所含可逆效应材料外表的激发电荷也会随着消失，这便是压电效应。单片压电元件所产生的电荷量较小，输出量很小，现实生产中实际常采用两片或者两片以上压电效应可逆的压电元件组合进行组合配对，组合方式按照相关领域专家辨别的电荷极性大致上可可分为串联接法和并联接法，如下图2-4所示。图2-4压电元件组合接法。(a)并联接法；(b)串联接法（2）压阻式压力传感器压阻式压力传感器不同于压电式压力传感器是通过理论上的圧阻效应来计算确定压力数值的，首先压阻式压力传感器内部的弹性元件利用力学上弹性作用理论将外界受到的压力测量出来，即将外界受到的压力数值转换成压阻式压力传感器内部的弹性元件的弹性形变，并改变压阻式压力传感器内部极其重要的传感元件的电阻值，最终由传感器内部的测量电路将阻值的变化转换为传感器线路上的电信号输出。压阻式压力传感器通常采用具有弹性性能良好的半导体材料作为传感器内部的弹性元件，以扩散型压阻式传感器为例，解析该压阻式压力传感器内部的主要构成结构，经相关研究人员指出主要由硅杯、硅膜片组成，其结构如下图2-5所示：图2-5压阻式传感器结构(a)硅膜片；(b)传感器结构2、MIK-P300压力传感器该MIK-P300系列的压力传感器是目前市场上较为常用的压力传感器，普遍用于风力发电机组以及火力发电机组当中，采用了性能属于同类芯体高水平的压阻式压力传感器的特殊芯体作为该MIK系列压力传感器的压力感应核心，其内部专用集成电路具有能够将传感器毫伏电流模拟信号转换成0-5V小电压或特定频段的频率信号功能，甚至可以与控制仪表、智能仪表、PLC或计算机接口卡等直接相连，且可以采用电流输出方式的运距离传输模式。实物图如下图2-6所示：图2-6MIK-P300实物图翻阅资料可知，MIK-P300压力传感器技术性能，如下表2-1所示：表2-1MIK-P300压力传感器技术性能指标名称指标参数供电电源24VDC输出信号4～20mA量程范围-0.1…0～0.02…100Mpa（0-100KPa）补偿温度-10～70℃介质温度-40～125℃环境温度-40～85℃综合精度0.1、0.3、0.5级可选零点温度漂移±0.03%FS/℃灵敏度温度漂移±0.03%FS/℃固有频率5kHz～650kHz2.2.4振动传感器选型1、影响振动传感器选型的因素（1）灵敏度传感器灵敏度越高，测量系统的信噪比就越大，系统就不易受静电干扰或电磁场的影响，对周围环境发生的加速度的变化越容易感受到，加速度变化大，很自然地输出的电压的变化相应地也变大，这样测量就比较容易方便，而测量出来的数据也会比较精确的[6]。对某种具体的加速度计设计型式来说，理论上该值越大越好，但灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大灵敏度越高则传感器越重，共振频率也越低[6]。因此权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊,选择100mv/g通频加速度压电式传感器和500mv/g低频加速度压电式传感器两种[6]。2)频率范围考虑主轴故障的低频冲击和齿轮箱、发电机故障的高频振动的最高频率和能量，根据第三章的计算结果，确定零部件的运行频率范围为3〜500Hz,再考虑边带频率及7倍频，确定传感器的测量频率应为3〜3.5kHz,再根据采样定理最终考虑测量频率为3〜7kHz。G500A振动传感器G500A将振动速度传感器和精密测量电路集成在一起,适合于构建经济型高精度振动测量系统,该变送器可直接连接DCS、PLC或其它系统,是风机、水泵等工厂设备振动测量的理想选择[6]。与磁阻传感器、霍尔传感器配套使用，主要用于测量旋转机械的转速变化，可以早期发现各种旋转机械的故障，可以直接与计算机、PLC、DCS、显示仪表相连[6]。实物图如下图2-7所示：图2-7G500A元件实物图G500A振动传感器的技术性能，如下表2-2所示：表2-2G500A振动传感器的技术性能指标名称指标参数电源+24±10%VDC电源供电，最大功耗1W测量量程0～20mm/sRMS,1000umP-P（量程可选）频率范围10～1000Hz测量方向垂直或水平电气隔离500VRMS，电路与壳体隔离电流输出标准两线制4～20mA输出2.2.5A/D模数转换器选型1、A/D转换器介绍A/D转换器(Analog-to-DigitalConverter)又叫模/数转换器,即是将模拟信号(电压或是电流的形式)转换成数字信号[6]。这种数字信号可让仪表,计算机外设接口或是微处理机来加以操作或是工作使用[6]。由于实现这种转换的工作原理和采用工艺技术不同，因此生产出种类繁多的A/D转换芯片[6]。A/D转换器按分辨率分为4位、6位、8位、10位、14位、16位和BCD码的31/2位、51/2位等,按照转换速度可分为超高速（转换时间=330ns），次超高速（330~3.3μS），高速（转换时间3.3~333μS），低速（转换时间＞330μS）等[6]。A/D转换器按照转换原理可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器[7]。所谓直接A/D转换器，是把模拟信号直接转换成数字信号，如逐次逼近型，并联比较型等[7]。其中逐次逼近型A/D转换器，易于用集成工艺实现，且能达到较高的分辨率和速度，故目前集成化A/D芯片采用逐次逼近型者多[7]；间接A/D转换器是先把模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量，如电压/时间转换型（积分型），电压/频率转换型，电压/脉宽转换型等[7]。其中积分型A/D转换器电路简单，抗干扰能力强，切能作到高分辨率，但转换速度较慢[7]。（2）TLC2543介绍TLC2543为TI公司的12位串行A/D转换器，其A/D转换过程使用开关电容逐次逼近技术完成。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源，且价格适中。TLC2543是TI公司生产的一种12位开关电容逐次逼近A/D转换器，芯片共有11个模拟输入通道[8]。芯片的三个控制端：串行三态输出数据端（DATAOUTPUT）、输人数据端（DATAINPUT）、输人/出时钟（I/OCLOCK）能形成与微处理器之间数据传输较快和较为有效的串行外设接口一SPI[8]。片内具有一个14通道多路选择器用于在11个模拟输入通道和3个内部自测试（SELF-TEST）电压中任选一个，可通过对其8位内部控制寄存器进行编程完成通道的选择，并可对输出结果的位数、MSB/I.SB导前和极性进行选择[8]。TLC2543模数转换器实物图如下图2-8所示：图2-8TLC2543模数转换器实物图2.2.6液晶显示屏选型1、LCD液晶显示屏介绍LCD液晶屏是一种显示器类型，很多时候用于很多便携式计算机或者数字型号的时钟[9]。两片极化材料被使用在LCD显示液晶屏幕中，因此当里面的水晶液体有电流通过时会使水晶重新排列，以使它们无法被光线穿透[9]。因此，每个水晶既能遮挡光线又能允许光线穿过，就形如百叶窗一般[9]。目前轻、薄、短、小的特点是科技信息产品都朝着发展的目标，即使是悠久历史的计算机周边的液晶显示器也不能例外[9]。在便于携带与搬运为前题之下，传统的显示方式如CRT映像管显示器及LED显示板等等，皆受制于体积过大或耗电量甚巨等因素，无法达成使用者的实际需求[9]。而液晶显示技术的发展正好切合目前信息产品的潮流，无论是直角显示、低耗电量、体积小还是零辐射等优点，都能让使用者享受最佳的视觉环境[9]。2、LGM12641简介LGM12641属于128×64点阵液晶显示屏，相比于一般的字符型LCD而言，点阵型LCD不仅能显示字符还能显示汉字。目前常用的点阵型LCD有122×32，128×64，240×320等。LGM12641点阵型液晶显示屏有三种控制器，分别是KS0107（KS0108）、T6963C和ST7920，三种控制器主要区别是:KS0107(KS0108)不带任何字库，T6963C带ASCII码，ST7920带国标二级字库（8千多汉字）[10]。LGM12641液晶显示屏实物图如下图2-9所示：图2-9LGM12641液晶显示屏实物图2.2.7按键开关选型按键是一种用人体某一部分（一般为手指或手掌）施加力而操作、并具有弹簧储能复位的控制开关，是一种最常用的主令电器[7]。按钮的触头允许通过的电流较小，一般不超过5A[7]。因此，一般情况下它不直接控制主电路（大电流电路）的通断，而是在控制电路（小电流电路）中发出指令信号，控制接触器、继电器等电器，再由他们去控制主电路的通断、功能转换或电器联锁[7]。按键一般由按键帽、复位弹簧、桥式动触头、静触头、支柱连杆及外壳等部分组成[7]。按键不受外力作用（即静态）时触头的分合状态，分为停止按键（即动断按键）、启动按键（即动合按键）和复合按键（即动合、动断触头组合为一体的按键[7]。由于本次设计需要能够调节系统对于温度、压力、振动信号阈值可变，因此采用四脚启动按键开关进行设计。2.2.8声光报警器选型声光报警器是一种通过声音和各种光来向人们发出示警信号的一种报警信号装置[11]。非编码型可以和国内外任何厂家的报警控制器配套使用[11]。当生产现场发生事故或火灾等紧急情况时，报警控制器送来的控制信号启动声光报警电路，发出声和光报警信号，完成报警目的[11]。本次设计选用LED灯经行现场报警，选用三种不同的颜色分别为红色、绿色、蓝色进行报警，不同颜色代表着不同信号，当灯光亮起时代表着故障已经产生，提醒工作人员检查。2.2.9无线通讯装置选型1、无线通讯模块介绍无线通信模块的原理是发送或接收电磁信号，并将其转换成我们能够理解的信息[14]。无线通信模块的功能是将事物与事物连接起来，使各种物联网终端设备能够实现信息的传输能力，并使各种智能设备具有物联网的信息接口[14]。无线通信模块是连接物联网传感层和网络层的关键环节，属于底层硬件链路，有其不可替代的功能，是物联网智能终端的载体[14]。2、RFM210LCF介绍RFM210LCF模块是一款ASK/OOK无线数据传输、超低功耗、高灵敏度、远距离通讯、高性价比的OOK射频接收模块，适用于ISM频段无线应用[14]。具有抗干扰性好、可靠性高的特点，即使在复杂干扰性强的环境情景下也可以使用，不会对工作距离产生影响[14]。该产品模块分为315MHz和433.92MHz两个工作频率，支持1-5kbps的数据范围，用户只需要外加简单的数据解码电路，即可轻易实现无线产品的开发[14]。RFM210LCF实物图如下图2-10所示：图2-10RFM210LCF实物图第3章系统硬件电路设计本章旨在根据本次设计的要求，对上一章所选择的元件进行硬件电路设计。本次设计的主控芯片采用ATmel公司的AT89C52，设计其能够工作的最小系统，使芯片能够正常工作。采集三种不同信号的传感器中的PT100温度传感器、MIK-P300A压力传感器、G500A振动传感器均输出电流，设计三种采集信号传感器的外围电路，并通过设计A/D模数转换电路将采集到的三种模拟电流信号转变为单片机所能接收的0-5V电压信号。熟悉液晶显示屏LGM12641和无线传输模块RFM210LCF的引脚功能，设计外围电路连接至AT89C52单片机，使其能在AT89C52的控制下正常工作。利用上一章选择的按键开关和LED灯设计压力、温度、振动阈值可变电路和声光光报警器，搭建在AT89C52单片机最小系统的外围。3.1硬件电路设计环境简介本次系统的硬件电路设计环境为AltiumDesigner14。本次设计所用的硬件电路设计环境使用的是目前硬件开发设计初学者最为常见的使用软件AltiumDesigner14。该软件的公司是全球著名的电子芯片开发公司是Altium，该公司在几年来推出了一系列的电子硬件电路开发系统，兼容于因特尔公司的Windows10、Windows7等上位机操作系统。软件AD开发环境如下图3-1所示：图3-1软件AD开发环境3.2系统主控芯片硬件电路最小系统是指单片机在正常工作时必要的最小应用系统。一般来说控制芯片、电源、复位以及时钟电路这四个电路构成AT89C52单片机的最小系统。3.2.1AT89C52控制芯片AT89C52引脚介绍，如下表3-1所示：表3-1AT89C52引脚介绍AT89C52引脚功能介绍VCC供电电压P0P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。P1P1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。P2P2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。P3P3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。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地位字节。PSEN外部程序存储器的选通信号。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。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。GND接地端P3口也可作为AT89C52的一些特殊功能口，如下表3-2所示：表3-2AT89C52单片机特殊功能I/O口P3口管脚备选特殊功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）综上所述，AT89C52单片机的引脚图如下图3-2所示：图3-2AT89C52引脚图3.2.2时钟电路AT89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。电子设计当中的晶振又称为外接振动器，内部的主要成分是石英晶体，因此晶振也可以称之为外接石英晶体。电子电路设计中AT89C52单片机要处于正常工作状态下必须要一个石英晶体以及能产生脉冲信号的存放电电容C1和C1组成的反馈回路并联振荡器，也意味着单片机89C52必须要外接晶振，否则单片机内部寄存器以及内部工作时序无法运行或者产生工作信号。一般来说市场上的晶振通常为较为廉价的石英晶体，也存在极少数的陶瓷振荡器。AT89C52单片机外接金证12MHz，通常推荐电容使用30pF±10pF，电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。硬件时钟电路如图3-3所示：图3-3AT89C52时钟电路3.2.3复位电路复位电路由电容串联电阻构成,由图并结合"电容电压不能突变"的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定[12]。系统芯片的复位引脚NRST为低电平有效，即该引脚是低电平的时候，芯片于复位状态。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位[12]。一般教科书推荐C取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平[12]。硬件复位电路如图3-4所示：图3-4AT89C52复位电路3.3电源电路电路中的主控芯片AT89C52、传感器模块、TLC2543模数转换器、LGM12641液晶显示屏以及RFM210LCF无线传输模块所需要的电源有+3.3V、+5V和+24V三种不同电压。电路设计如图3-5所示：图3-5+3.3V、+5V和+24V辅助电源电路本次风电齿轮箱状态监测系统设计的这些电源可以通过生活中最常用的220V交流电进行变压器变压然后整流桥将交流变为直流，最后通过三端稳压集成电路芯片LM317、LM7805以及LM7824得到，在220V常用交流转换为直流电压过程中转换芯片两端接电容的目的是起到了滤波的作用，电解电容的目的为对低频进行滤波，无极性电容的目的为对高频进行滤波，这样使得两者配合可以同时滤除高低频的杂波。本次设计除了主控芯片AT89C52、传感器模块、TLC2543模数转换器、LGM12641显示屏以及RFM210LCF无线传输模块所需要直流电源外，在三种传感器的外围电路设计中需要使用到运算放大器LM324和LM358这两种芯片，因此本次设计还需要±12直流电压，电路设计如图3-6：图3-6±12直流辅助电源电路3.4系统功能模块硬件电路通过对本次设计元器件资料的研究，然后按照第二章的中的监测系统整体框架设计出系列下列电路设计。按照框图，本小节需要设计Pt100温度传感器外围电路以及毫安级模拟电流值0-50mA转换为电压值的信号调理电路、G500A振动传感器外围电路以及毫安级模拟电流值4-20mA转换为电压值的信号调理电路、MIK-P300压力传感器外围电路以及毫安级模拟电流值4-20mA转换为电压值的信号调理电路、LGM12641液晶显示屏电路、A/D模数转换电路、温度、压力和振动阈值、可变电路声光报警器电路，并将这些电路与AT89C52最小系统相连。3.4.1G500A振动传感器外围电路设计G500A风力发电机组齿轮箱内部齿轮或轴承振动传感器内部集成了采集信号前置器、运放积分放大电路、终端信号滤波器以及信号转换检波器，可间接与单片机AT89C52接口相连，改振动传感器提供一种简便、低成本的监测方式采集到风电齿轮箱内部中损伤齿轮及旋转机械轴承的轴承振动状况。振动温度传感器的输出信号根据所处工业环境当中的轻微振动信号经处理计算后变为4-20mA信号输出，输出的电流值大小与被测体位移成正比。电路设计如图3-7所示：图3-7G500A振动传感器检测电路振动传感器G500A的输出电流模拟量值为4-20mA需要通过一定理论范围内的积分放大电路才能转换为0-5V电压值才能被单片机I/O口所接收，所以需要设计出G500A振动传感器外围检测电路。一般来说将电流转换为电压需要并联一个电阻，由公式V/I=R可知（4-20）mA×150Ω=（0.6-3）V。得到的电压输入单片机I/O口进行A/D转化之前设计一个运放跟随器，跟随器的作用就是稳定信号源的电压，同时也变换阻抗，在A/D输入之前使用起缓冲作回作用。3.4.2Pt100温度传感器外围电路设计PT100之所以能被市场上的商家大量的使用，不仅是因为它测量的温度范围十分的宽广（从负十几度度到负数百度），还因为它的线性度非常好，电阻的电阻值在每次温度变化时增加的量几乎相同。因为参考电压2.5V，故有R1比上R2的值加上整数1为1.6384，1.6384乘上参考电压值2.5V得出4.096V的恒压源电路，可以通过调节滑动变阻器RW2实现。总的来说PT100温度传感器外围电路有一个一个桥式电压采样电路，这个采样电路的原理是将利用V1的变化去计算出一个通过运放得出来电压数值，该值有一个参考电压V2作为参考，，这样就能利用这个采样电路得到通过的电压值能计算出PT100的电阻数值，从而得到当前环境的温度值。RW3的主要作用可以说是校准温度，因为其中这个由采样电路通过调节滑动变阻器RW3得到想要得参考电压值，这个电压可以是任意。根据本次设计需要，设计出来的电路在100摄氏度时，也就是目前温度传感器PT100现在所测得环境温度数值，可以调节滑动变阻器RW3的阻值为138.5Ω得到。PT100温度传感器得外围电路设计之中最后的一小部分为电压放大电路，通过使用运放器LM324来实现的。根据运放器的基本概念也就是运放器“虚断”原则，流过电阻R17和点阻R79电流相等，也就是同向端的电压值为参考电压值V1乘上R17和R19的并联后的电阻值的积再除以R17所的出来的电压值。同理反向端的电压值根据“虚断”原则，流过R19和R23电流相等。根据运放器的基本概念也就是运放器“虚短”原则，正向端电压值等于反向端电压值。根据由PT100温度传感器外围电路的最后放大原理可知输出电压为11倍正向端电压减去10倍反向端电压即为输出电压。电路设计如图3-8所示：图3-8PT100测量温度电路3.4.3MIK-P300压力传感器外围电路设计MIK-P300压力传感器的接线方法有两种，一种为三线制接法，另一种为二线制接法。三线制接法会有正极、公共端和信号脚三种线，导致MIK-P300压力传感器输出为0-5V电压值，不过这种三线制并不常见且通用。目前使用最多的是二线制接法，二线制接法只有正极和信号脚两种线，导致MIK-P300压力传感器输出为4-20mA电流值。本设计便是采用的二线制MIK-P300压力传感器，有两根线分别为红线和绿线输出为4-20mA电流。由于单片机的I/O口只能接受0.6-3.3V的电压值，于是我们需要将电流值转换为电压值，我们将传感器的输出脚并上一个电阻将器输出电流值转换为电压值，由公式V/I=R可知（4-20）mA×150Ω=（0.6-3）V。得到的电压输入单片机I/O口进行A/D转化之前设计一个运放跟随器，跟随器的作用就是稳定信号源的电压，同时也变换阻抗，在A/D输入之前使用起缓冲作回作用。电路设计如图3-9所示：图3-9MIK-P300A压力传感器检测电路3.4.4A/D模数转换电路设计1、TLC2543引脚介绍TLC2543引脚图如下表3-10所示：图3-10TLC2543引脚图TLC2543引脚功能如下表3-3所示：表3-3TLC2543引脚功能简介TLC2543引脚功能介绍AIN0～AIN10模拟输入端CS串行数据输入端；（控制字输入端，选择转换及输出数据格式）SDOA/D转换结果的三态串行输出端；（A/D转换结果的输出端。）EOC转换结束端CLKI/O时钟；（控制输入输出的时钟，由外部输入）REF+正基准电压端REF-负基准电压端；VCC电源GND地2、TLC2543电路设计TLC2543电路设计很简单，将电源端VCC和正基准电压端REF+接5V正电压，接地端GND和负基准电压端REF-接地，此时A/D模数转换器TLC2543便能正常工作。TLC2543电路设计如图3-11所示：图3-11A/D转换电路由整体方案设计框图可知，系统一开始采集到的温度、压力、振动信号都是单片机无法识别的模拟信号，A/D模数转换器TLC2543需要接收这三种信号的模拟值。A/D模数转换器TLC2543的模拟输入端A1N0接收由Pt100温度传感器外围电路传输过来代表温度值的电压模拟信号AN0，模拟输入端A1N1接收由G500A振动传感器外围电路传输过来代表振动值的电压模拟信号AN1，同样地MIK-P300A压力传感器外围电路传输过来代表振动值的电压模拟信号AN2由A/D模数转换器TLC2543的模拟输入端A1N2所接收。转换器TLC2543的片选端CS连接AT89C52的P1.2，由P1.2控制转换器内部计数器的复位和SDO及CLK的禁止功能。TLC2543的时钟的输入/输出的上升沿及下降沿的触发由AT89C52单片机的P1.3控制，转换器的19脚CLK连接单片机的P1.3口。串行数据输入端SDI和A/D转换结果的三态串行输出端SDO风别连接AT89C52的P1.1和P1.0，实现单片机控制4位串行地址来选择模拟输入通道和A/D转换结果数据的采集。最终数据转换完成并准备下一轮数据转换的标志得被单片机AT89C52所识别，转换器TLC2543的转换结束端EOC连接单片机的P1.4口。3.4.5按键电路阈值可变电路采用按键开关与AT89C52单片机相连，通过改变AT89C52单片机的I/O口高低电平来获取信号做出相应的阈值调整。其中六个按键开关分别与AT89C52单片机的P3.2至P3.7相连，同时我们采用一个上拉电阻将6个I/0的电压拉高，避免这6个I/O口悬空，导致电压容易受到周围电磁场的影响产生误操作。按键电路如下图3-12所示图3-12温度、压力和振动阈值可变电路3.4.6声光报警器电路声光报警器选用三种不同的颜色分别为红色、绿色、蓝色进行报警，不同颜色代表着不同信号。将LED灯与AT89C52的P2口相连，阳极连接3.3V电源，阴极连接单片机，因此三个不同颜色的LED灯采用低电平触发。当单片机AT89C52监测到的温度、压力和振动值超过通过按键电路调整的阈值时，这三种红绿黄将会分别预警。声光报警器电路如下图3-13所示图3-13声光报警器电路3.4.7LGM12641液晶显示屏电路设计1、LGM12641引脚介绍LGM12641液晶显示屏的引脚图，如下图3-14所示：图3-14LGM12641引脚图LGM12641引脚功能如下表3-4所示：表3-4LGM12641引脚功能简介LGM12641引脚功能介绍-VoutLCD驱动负电压RST为复位端；（低电压触发）DB0～DB7器件数据端E器件使能端R/W读写控制端DI数据指令转换端；（高电平为数据，低电平为指令）V0LCD屏操作电压；（调节V0，改变屏显对比度）VCCLCD电源端GNDLCD接地端CS2屏选型号控制端；（高电平时，选中左半屏）CS1屏选型号控制端。（高电平时，选中右半屏）2、LGM12641电路设计128×64点阵液晶显示屏LGM12641共有18个引脚，要是它能够正常工作显示出汉字和从PT100温度传感器、MIK-P300A压力传感器和G500A振动传感器过来的温度、压力、振动值等，首先先要将电源端VCC和显示屏驱动电压端V0接上5V，并将16脚地端接地。同时，LGM12641的复位端接高电平，防止外界因素干扰导致显示屏工作不正常。将数据端DB0至DB7依次连接P0口的P0.0至P0.7，将单片机AT89C52内部写好的程序有序的控制显示屏LGM12641的显示内容，将片选端CS1和CS2连接至单片机AT89C52的P2.3和P2.4，通过对I/O口的控制选择显示内容的位置，对于读写和指令的选择，采用单片机的P2.2的高低电平来控制显示屏的读写和指令转换端R/W。LGM12641显示器外围电路如下图3-16所示：图3-15LGM12641显示器外围电路3.4.8无线通讯电路设计1、RFM210LCF引脚介绍无线通讯模块RFM210LCF的引脚图，如下图3-16所示：图3-16RFM21LCF引脚图其引脚功能如下表3-5所示：表3-5LGM12641引脚功能简介RFM210LCF引脚功能介绍ANT天线输入端GND电源地端SDN使能控制端VCC正电源端DATA数据端2、RFM210LCF模块电路设计总的来说，RFM210LCF无线通讯传输模块的电路也很简单，输出的数据为数字信号，不需要进行A/D模数转换便能被AT89C52单片机所识别。首先，要使RFM210LCF无线通讯模块能够正常工作，它的正电源端VCC接3.3V电压值且电源地端接地。在通讯模块外部装设一根天线，连接模块的天线输入端ANT，便能够通过电磁波与外界进行联系。RFM210LCF无线通讯模块与单片机AT89C52连接的只有两个引脚，一个是使能控制端连接单片机的P1.6，通过控制I/O口的高低电平来控制无线通讯模块RFM210LCF的接收和发送，另一个是数据端DATA连接单片机的P1.5，通过I/O给单片机内部传输数据。无线传输装置电路如下图3-16所示：图3-16无线传输装置电路第4章系统软件部分设计上一章介绍风电齿轮箱状态监测系统的主控电路设计以及外设搭建的采集风电齿轮箱内部故障信号传感器外围电路的原理，但这仅仅这时开始，在设计完硬件电路之后，还需要根据硬件电路设计编写程序。通过对程序的编译和调试，实现主控制芯片对各个监测模块的控制和对接收到的信息进行处理。系统的每个监测模块都需要外设一个A/D转换模块，将传感器输出的模拟量转换为数字量。但每个监测模块都是相对独立的，相互之间并不会影响到对方采集数据，相当于三个小型监测系统，这也是改设计的优点之一。将采集到数字信号经过单片机内部一系列的处理后，将运算后的环境原始数据通过单片机直接传送给LGM12641液晶显示屏，将数据显示在液晶屏幕上，并判断是否超出预先通过按键电路设定的温度、振动、压力阈值，来决定是否报警显示红绿黄灯，然后通过无线通信模块，将数据传递给工作人员的手机上。本模块分为两大部分：一部分是风电齿轮箱内部的温度、压力、振动信息釆集部分，一部分是A/D转换和数据存储显示。本章主要介绍该系统的软件设计部分。4.1开发环境及编程语言简介本系统设计采用的开发环境是用KeiluVision5，使用的语言为C语言[14]。KeilC51是美国KeilSoftware公司生产的完整软件开发系统，包括编译器、宏汇编、库函数和仿真调试器等部分,具有错误提示功能，方便修改，且兼容多种型号的单片机[14]。单片机编程就是基于单片机进行的程序开发，在有周围外设支持的情况下，用软件来控制的部分通过单片机编程来实现[13]。单片机能识别的语言是硬件语言即汇编，因此编程就是围绕汇编来实现，有直接用汇编程序来编写的，但是较难调试的编写，特别是一上规模就更不易实现，因此常用高级语言来写然后通过编译器转化成汇编[13]。c语言是一门实用性非常强的编程语言，同时也是一种面向过程的语言。C语言的语法接近英语，比较好理解，其内部提供了大量的函数，其中包括用户自定义的函数和系统生成的函数。C语言的设计目标有：第一，能够支持多平台使用；第二，实现对低级存储器的处理；第三，简化编译方式；第四，降低代码冗余。C语言编写的程序的调试、测试、维护都很方便，且响应速度比较快，是一种结构化的设计语言，在程序界应用广泛。KeiluVision5的开发环境如图4-1所示：图4-1KeiluVision5集成开发环境界面4.2软件程序的总体设计4.2.1软件程序的总体框架在电力电子电路设计当中，AT89C52控制芯片的I/O引脚功能通常要与软件程序相结合起来应用。编译一个完整的程序，首先需要对整个程序的构建有一个清晰的整体结构框架，尽量将涉及外设模块的程序子模块化，通过对其函数和头文件的调用来驱动外设模块，主程序尽量简单易懂，逻辑编写流程清晰流畅。总的来讲，本设计软件的结构如下表4-1所示：子模块编号程序结构子模块1系统初始化2信息采集3数据处理4数据显示5报警信号6数据发送其框图如图4-2所示：图4-2软件程序总体框图4.2.2软件程序的总体流程图本次设计的程序是将PT100温度传感器、MIK-P300A压力传感器和G500A振动传感器模块以及A/D模数转换TLC2543、液晶显示屏LGM12641和无线传输模块RFM210LCF等外设赋予逻辑性工作的关键。当系统监测的主控芯片AT89C52开始工作时，首先要进行头文件的位置调用和GPIO初始化设置，将AT89C52单片机内部的定时器通道和A/D模数转换器TLC2543的数据通道开启，然后再通过调用头文件的方式将LGM12641液晶显示屏和RFN210LCF无线通讯模块初始化；初始化完成后，再依次进行温度数据釆集、振动数据釆集、压力数据采集、数据整合以及数据处理等等步骤，将采集到的数据通过LGM12641液晶显示屏显示出来，并与按键电路设定的阈值比较从而判断是否为风电齿轮箱状态故障，为故障时声光报警器进行灯光预警，当故障产生时间超过10s还存在时，通过无线传输模块RFM210LCF传输数据。主要工作流程图如图4-3所示：图4-3软件程序流程图4.3LCD显示模块程序设计4.3.1LGM12641内部逻辑结构图前面已经介绍了本次设计得显示模块采用的是LCD点阵型液晶显示屏，具体型号采用LGM12641，它的内部逻辑结构如下图4-4所示：图4-4LGM12641内部逻辑结构图在LGM12641内部逻辑图中共有五个部分，分别为电源电路、一片KS0107B控制芯片、两片KS0108B控制芯片和128×64点液晶面板。其中内部电源电路通过外部引脚电源端VCC和接地端GND通电给整个LGM12641液晶显示模块，然后液晶显示屏地驱动电压额外由外部引脚V0所提供，从而能正常工作。KS0107B控制器控制64位只读寄存器获取存储地址，两片KS0108B控制器控制液晶面板写入数据。而液晶显示屏则将已经写好地数据显示出来，由于该LCD为点阵型的，要显示中文汉字，就要用辅助的汉字取模工具，取模时注意相关项的设置，否则不能正常显示。4.3.1LGM12641工作时序图8位并行连接时序图，MPU写资料到模块如下图4-5所示：图4-5MPU写入时序图MPU从模块读出资料，如下图4-6所示：图4-6MPU读出时序图由于LGM12641BS1R 128×64屏选信号控制端CS1和CS2有效电平不同，为实现二者的同步显示，在AMPIRE 128×64的片选控制端CS1和CS2上分别加了反相器[10]。控制器内部设有一个数据地址页指针和一个数据地址列指针，用户可通过它们来访问内部的全部512字节RAM（半屏）[10]。KS0107,KS0108控制的LGM12641的应用基本操作时序如表4-1所示：表4-1LGM12641的应用基本操作时序状态输入输出读状态RS=L,R/W=H,CS1或CS2=H,E=HD0～D7=状态字写指令RS=L,R/W=L,CS1或CS2=H,E=高脉冲D0～D7=指令码无读数据RS=H,R/W=H,CS1或CS2=H,E=HD0～D7=数据写数据RS=H,R/W=L,CS1或CS2=H,E=高脉冲D0～D7=数据无4.3.1LGM12641程序流程图液晶显示屏LGM12641DE的程序主要通过调用头文件的方式进入主程序当中。当最基本地GPIO口初始化设置完后，开始设置显示屏地读数据和写数据标志位以及写指令和读指令标志位，根据AT89C52的I/O口高低电平控制LGM12641液晶显示屏的片选端，选择显示屏幕的左右半边的显示位置。首先将液晶显示屏LGM12641所连接的AT89C52单片机的I/O口进行初始化设置，然后设置显示屏的起始行指令、页指令和列指令，使得当接收到外部的温度、压力和振动信号时，能将这些信号按照指令有序准确地显示在液晶显示屏地特定位置上，不会出现乱码式地无规则显示。设置液晶显示屏的显示自定义行，通过编写汉字显示函数使得中国汉字能够在LGM12641显示屏上出现，同理通过编写字符串显示函数使得英文字母和特殊符号能够在LGM12641显示屏上出现。具体的字母和汉字需要编写特殊的函数，可以通过取模软件自动生成，取模时，采用纵向取模，同时字节倒序。本次单片机AT89C52的主程序以及外设模块的子程序均由软件编译器Keil5进行设计编写，再生成hex文件导入仿真中。LGM12641程序流程图如下图4-7所示：图4-7LGM12641程序流程图4.3A/D转换程序设计4.3.1TLC2543内部逻辑结构图由上图4-8可知A/D模数转换器内部逻辑结构由8个主要的部分组成，分别为14路模拟多路复用器、自检参考、采样保持函数、输入地址寄存器、12位模拟到数字转换器（开关电容器）、输出数据寄存器、控制逻辑和I/O计数器、12对1数据选择器和驱动器。14路模拟多路复用器连接外部模拟输入端A1N0至A1N10引脚，将所有外部的模拟信号先接收到TLC2543内部，通过自检参考不断地接收并更新数据，通过控制CLK时钟端和CS片选端，开启TLC2543内部地控制逻辑和计数器、输入地址寄存器、12对1数据选择器和驱动器。计数器开始计数，17脚输入数据开始控制输入地址寄存器有选择性地读取14路模拟多路复用器中地模拟值，模拟值通过采样保持函数不停地采取数据，进入12位模拟到数字转换器（开关电容器）中进行数据A/D转换，控制器通过控制输出数据寄存器、12对1数据选择器和驱动器将得到地数字量通过16脚地数据输出端进入单片机，最终数据转换完成并准备下一轮数据转换的标志通过19脚转换结束端被单片机AT89C52所识别。TLC2543逻辑结构图如下图4-8所示：图4-8TLC2543逻辑结构图4.3.2A/D转换周期及工作时序实际转换周期和I/O周期是A/D模数转换器TLC2543的转换操作最主要的两个步骤。1、实际转换周期TLC2543进入转换周期工作方式之后在I/O周期最后一个CLK脉冲的下降沿来到之后EOC变为低电平，采样值保持不变，转换周期开始[15]；片内的转换模块对采样值进行逐次逼近式A/D转换，其工作由与CLK同步的内部时钟控制[15]。当转换结束之后EOC引脚变高，转换结果被锁存在输出数据寄存器中，等待在下一个I/O周期输出[15]。2、I/O周期：I/O周期由外部提供的I/OCLOCK来定义，延续8,12或16个时钟周期，主要取决于被选择的数据长度,而在I/O周期内，下列两种操作同时进行[15]。在CLK时钟的前8个脉冲的上升沿，以MSB前导方式从串行数据输入引脚读取8位数据到输入寄存器，其中前4位为模拟通道地址，控制14路模拟多路器从11个模拟输入通道和3个内部自测通道中选通一路连接到采样保持器，该电路从第4个CLK时钟脉冲的下降沿开始，对所选通路的信号进行采样，知道最后一个CLK脉冲下降沿[15]。I/O周期的时钟脉冲个数与输出数据长度（位数）有关，输出数据长度由D3，D2位选择为8,12,16位，当TLC2543处于12或16位工作状态时，在前8个时钟脉冲之后，DATAINPUT引脚的电平无效[15]。在DATAOUT引脚上串行输出8,12,16位数据，当CS引脚保持低电平时，第一位数据出现在EOC的上升沿[15]；若转换由CS引脚控制，则第一个输出数据发生在CS引脚电平的下降沿，此数据为前一次转换的结果[15]。在第一个输出数据位后每一位均由后续的CLK脉冲下降沿输出[15]。TLC2543的I/O周期和转换周期交替进行，从而可以减少外部的数字噪声对转换精度的影响。其工作时序如下图4-9所示：图4-9TLC2543时序图在上电后，心S电平必须从高变到低，以开始一次I/O周期，EOC变高电平，8位数据输人寄存器被清零，12位数据输出寄存器的内容是随机的，因此，在初始一次I/O周期内，12个I/OCLOCK作用下读出的数据是随机的，读出数据无效，本周期只作为初始化周期，即在前8QJOCK的上升沿分别将4位通道选择地址（D7至D4）和4位控制（D3至DO）移入内部数据寄存器中、完成初始化操作[16]。在前4个I/OCLOCK的上升沿将通道选择地址移入内部数据寄存器中，用于选择11个模拟输入通道,或选择3个内部自测试电压，即対参考电压进行A/D转换，或处于掉电方式，在掉电方式I工作电流小于25微安，不进行A/D转换，内部数据输出寄存器保持前一次转换的结果，当前的周期仍能完成[16]。4.33TLC2543程序流程图A/D模数转换器TLC2543的采集模拟信号的程序在编译环境中编写成一个子模块，通过使用头文件已经编写好的函数名称位置调用子程序在主程序编写当中运行。如下图4-10所示：图4-10TLC2543流程图具体程序编写为首先定义单片机AT89C52的P1.0和P1.4口为输入端，然后清零AT89C52的P1.0口使得P1.0口为低电平，从而CS片选端清零。由主程序中确定采集的次数和采集模拟信号的通道，来获取由三种传感器接收到的温度、压力和振动值。程序编写当中需要对子模块中的函数进行参数调用，从而实现数据处理。子模块中主要实现TLC2543的I/O口初始化，读取高八位二进制数，在控制器的8位数字中进行特殊功能的编写从而获得不同的指令，并输入一个I/O口的周期地址和控制字。然后再8位数据流入后，TLC2543的数据输入端必须保持在一个固定的电平上，指引结束转换端EOC变高，读取低四位数据。最终自动启动下一次的转换，置AT89C52单片机的P1.2口位高电平，再次是TLC2543模数转换器的片选端CS位低电平。第5章系统仿真本章根据前两章已经完成的一件电路设计和软件部分的设计，对风电齿轮箱状态监测系统电路进行仿真。本次仿真的主要内容是能够使实现PT100温度传感器出来的电流值经过外围电路转的电压模拟值、MIK-P300A压力传感器电路过来的电压模拟值和G500A振动传感器过来的电压模拟值，能通过A/D模数转换器变为数字量被AT89C52单片机能够接收到。并且该系统仿真能够从三个传感器过来的温度、压力、振动值能够在LGM12641液晶显示屏上显示，且当液晶显示屏上的数值超过设定值时，红黄绿三个声光报警器能够产生信号，且通过按键阈值可变。由于天线和RFM210LCF无线通讯模块无法仿真，本次设计暂不实现此功能。5.1仿真开发环境介绍电路仿真，顾名思义就是设计好的电路图通过仿真软件进行实时模拟，模拟出实际功能，然后通过其分析改进，从而实现电路的优化设计，是EDA（电子设计自动化）的一部分。仿真软件Proteus开发环境如下图5-1所示：图5-1仿真软件Proteus开发环境本次风电齿轮箱状态监测系统设计采用的仿真软件是目前被大众使用设计单片机芯片仿真最为常用且使用广泛的proteus8.6。Proteus软件目前在中国的电子行业市场上是被是中国总代理为广州风标电子技术有限公司所代理，原本的拥有权者是英国的一家电子公司，是近几年来改善后出版的EDA工具软件。它不仅是目前中国硬件电子工程师设计AT89C52单片机及外围器件仿真的首选，同时在proteus8.6版本之后能够对小部分的STM32型号进行仿真不过目前还不完善存在很多BUG，但却也是仿真单片机仿真设计上具有强大功能的软件，同时有其它EDA工具软件的仿真功能。它在国内深受电子爱好者和工程师们的喜爱，是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。5.2传感器电路仿真结果5.2.1温度传感器电路仿真对PT100外围硬件电路实现了仿真，能够使采集到的温度值转换为电压值，并被单片机接受。由上图可知当PT100温度传感的温度值为213℃时，经过之前设计好的外围信号调理电路，最终输出的电压值为4.45V，符合单片机AT89C52的I/O所能接收的电压范围。PT100温度热敏电阻电路仿真如下图5-2所示：图5-2PT100温度热敏电阻电路仿真5.2.2振动传感器电路仿真本次设计仿真对振动传感器G500A的外围电路进行了模拟，由于proteus内没有可变电流源，于是用可变滑阻代替来模拟振动传感器的输出值。当G500A振动传感器输出经过外围信号调理电路时转变后的输出值为3.25V，符合AT89C52的I/O口可接受电压范围，电路仿真如下图5-3所示：图5-3振动传感器电路仿真5.2.3压力传感器电路仿真本次设计MIK-P300A压力传感器仿真和振动传感器G500A的仿真类似，也是由于proteus内没有可变电流源，用可变滑阻代替来模拟。当MIK-P300A压力传感器输出经过外围信号调理电路时转变后的输出值为2.85V，符合AT89C52的I/O口可接受电压范围。电路仿真如下图5-4所示：图5-4压力传感器电路仿真5.3主控芯片和AD转换电路的仿真由上图可知A/D模数转换器TLC2543和主控芯片AT89C52能够正常工作，两个芯片在仿真环境下的I/O引脚口都能够亮起。同时TLC2543的模拟输入通道1、模拟输入通道2和模拟输入通道3能够接收到三个传感器电路传输过来的温度、振动和压力模拟电压值，通过TLC2543内部的逻辑和时序电路转换为数字量成功被AT89C52所接收。电路仿真如下图5-5所示：图5-5主控芯片和AD转换电路的仿真主控芯片和仿真电路连接没有问题之后，便导入之前在Keil5软件中用C语言写好的监控系统各功能程序所生成的hex文件。该仿真中的主控芯片AT89C52便有了能够控制各模块的功能。导入程序界面如下图5-6所示：图5-6导入程序界面5.4液晶显示屏电路仿真当传感器电路、模数转换电路和主控电路仿真完成且单片机AT89C52已经烧入程序后，控制芯片所连接的LGM12641液晶显示屏已经能够正常工作，而且实现了程序中所写入的显示汉字和采集到的模拟量的动态显示功能，在LGM12641显示屏最下面的三个值是程序中已经写好的三种模拟量温度、振动和压力的报警阈值。其实根据第四章所写内容，主控芯片AT89C52的I/O接收到的模拟量实际上是温度、振动和压力这三种量经过一些列电路所转换后的电压模拟值，并不是所监测到实际环境中的温度、振动和压力。因此，单片机内部中的程序需