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1、 本 科 毕 业 设 计 第 53 页 共 53 页Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.1 引言11 课题的研究背景设备故障诊断学是本世纪六七十年代产生并发展起来的一门综合性边缘学科,经过几十年的发展,理论研究取得了重大进展,按照所采用的技术手段可分为:振动分析法声学分析法，红外分析法!润滑油分析法!计算机辅助诊断及专家系统等方法等，按照诊断对象可分为:旋转机械故障诊断往复机械故障诊断!机械零件故障诊断!工程结构故障诊断!液压设备故障诊断!电气设备故障诊断等，在这些众多诊断分支中,旋转机械故障
2、诊断是一个极为重要和引人注目的分支。电动机作为为拖动系系统中的的重要组组成部分分在国民民经济中中占有举举足轻重重的地位位，它的的使用几几乎渗透透到了各各行各业业，是工工业、农农业和国国防建设设及人民民生活正正常进行行的重要要保证，因因而确保保电动机机的正常常运行就就显得十十分重要要，而作作为电机机核心部部分的轴轴承的也也担任着着不可或或缺的角角色，轴轴承故障障的诊断断就显得得尤为重重要了。1.2 发展状状况轴承在旋转转机械中中应用最最为广泛泛，同时时也是最最易损坏坏的元件件之一。旋旋转机械械的许多多故障都都与滚动动轴承有有关，轴轴承的工工作好坏坏对机械械的工作作状态有有很大影影响，其其缺陷会会
3、直接导致致设备产产生异常常振动和和噪声，严严重时甚甚至损坏坏设备，它它的运行行状态是是否正常常往往直直接影响响到整台台机器的的性能，如如精度、可可靠性、寿寿命等。轴轴承的缺缺陷会导导致机械械设备的的剧烈振振动和产产生强大大刺耳的的噪音，严严重时会会引起设设备的损损坏、生生产的停停止、甚甚至严重重的机械械事故。据据统计，约约30% 的旋旋转机械械的故障障是由于于轴承的的损坏所所引起的的。随着着设备自自动化程程度和设设备复杂杂程度的的提高，以以及工程程领域大大型旋转转机械的的广泛应应用，都都要求对对设备有有很高的的安全性性和故障障预测性性，同时时也对新新的故障障诊断方方法提出出了要求求。因而而对作
4、为为运转机机械最重重要件之之一的轴轴承，进进行状态态检测和和故障诊诊断具有有重要的的实际意意义，这这也是故故障诊断断领域的的重点。故障监测和和诊断技技术发展展到今天天，已经经初步形形成一门门跨学科科的综合合信息处处理技术术，鉴于于此种情情况，我我们正着着力于将将故障监监测和诊诊断技术术与滚动动轴承试试验技术术进行有有效的结结合，开开发滚动动轴承寿寿命强化化试验系系统技术术，力图图在进行行轴承性性能试验验的同时时，对其其使用性性能的劣劣化和潜潜在缺陷陷进行监监测和诊诊断，指指导试验验的快速速、有效效地开展展。滚动动轴承寿寿命强化化试验系系统，属属国内独独创，该该项目已已产业化化生产，并并解决了了
5、关键技技术问题题，产品品已系列列化：AABLTT-1AA，ABLLT-22，ABLLT-33，ABLLT-44，ABLLT-55，ABLLT-66，ABLLT-77，已生生产销售售2000余台，创创产值225000余万元元，替代代进口产产品，为为国家节节省外汇汇60000余万万美元。已已申请国国家发明明专利44项，而而且均已已公示，已已授权22项。目目前这一一轴承寿寿命强化化试验系系统技术术已被瓦瓦房店轴轴承集团团有限公公司检测测试验中中心、中中国摩士集集团宁波波轴承技技术研究究院等国国内、外外众多用用户广泛泛认可并并应用。2 各模块块的方案案选择及及论证 2.1 轴承故故障诊断断的主要要环节
6、 滚动轴轴承诊断断技术概概括的说说就是以以轴承故故障振动动原理为为基础，通通过采集集跟检测测反映轴轴承各种种状态的的振动信信号，并并利用现现代信号号处理方方法将采采集到的的振动信信号经相相应的变变换，找找到反映映轴承状状态的特特征信息息频率，然然后根据据现有的的故障特特性频率率跟参数数判断故故障原因因，并预预测故障障的发展展跟设备备的使用用寿命。 一个个完整的的轴承故故障诊断断系统大大概包括括五个环环节： 1 信号的的提取 根根据轴承承的工作作环境跟跟工作性性质，量量取并选选择能够够反映轴轴承工作作状态信信息的特特征信号号。 2 特征抽抽取 从得到到的信号号数据中中以一定定的数据据分析与与处理
7、方方法抽取取能够反反映轴承承状态的的数据信信息。 3 状态识识别 根据征征兆，以以一定的的状态识识别方法法识别轴轴承的状状态信息息，即简简单的认认识到轴轴承的工工作是否否正常或或者有无无故障。 4 诊断分分析 根据情情况进一一步分析析相关的的状态及及其发展展趋势，当当轴承有有故障时时，详细细的分析析出故障障的类型型，性质质，部分分，原因因和趋势势等等。 5 决策干干预 根据据状态跟跟情况做做出相应应的应对对措施。2.2 轴轴承的振振动类型型 轴承承的振动动类型复复杂多样样，它所所造成的的振动大大致分为为三类: 11与轴轴承变形形相关的的振动：轴承作作为一种种弹性变变体。轴轴承负载载时，由由于负
8、载载滚动体体的不断断变换使使得轴承承在运行行状态时时发生弹弹性振动动。它与与轴承的的一场状状态无关关。 22与轴轴承加工工有关的的振动：轴承各各元件在在加工中中不可避避免的出出现加工工失误。如如表面波波纹，轻轻微的擦擦痕，装装配误差差等都会会引起轴轴承振动动。 33轴承承在工作作时发生生故障引引起的振振动：轴轴承在实实际工作作中，由由于发生生破碎，断断裂，剥剥落等故故障而产产生振动动。这些些振动反反映了轴轴承的损损伤情况况，所以以是应该该注意的的，这类类振动所所产生的的振动信信号是监监测分析析的对象象。 2.33 轴承承诊断各各模块的的的方案案选择 2.33.1 单片机机的选择择C80511F
9、3440单片片机是就就是顺应应这种需需求而推推出的一一种新型型USBB控制器器，功能能控制器器，符合合规范版版集成成时钟恢恢复电路路，无需需外部晶晶体；支支持个个端点；缓存；集成收收发器。无无需外部部电阻。CC80551F3340单单片机的的这些特特点。使使其在设设备设计计开发中中具有极极强的竞竞争力，特特别是在在通讯设设计中。C80511F3440具有有片内上上电复位位、VDDD监视视器、电电压调整整器、看看门狗定定时器和和时钟振振荡器的的C80051FF3400器件是是真正能能独立工工作的片片上系统统。FLLASHH存储器器还具有有在系统统重新编编程能力力，可用用于非易易失性数数据存储储，
10、并允允许现场场更新880511固件。用用户软件件对所有有外设具具有完全全的控制制，可以以关断任任何一个个或所有有外设以以节省功功耗。片内Sillicoon LLabss二线（CC2）开开发接口口允许使使用安装装在最终终应用系系统上的的产品MMCU进进行非侵侵入式（不不占用片片内资源源）、全全速、在在系统调调试。调调试逻辑辑支持观观察和修修改存储储器和寄存器器，支持持断点、单单步、运运行和停停机命令令。在使使用C22进行调调试时，所所有的模模拟和数数字外设设都可全全功能运运行。两两个C22接口引引脚可以以与用户户功能共共享，使使在系统统调试功功能不占占用封装装引脚。每种器件都都可在工工业温度度范
11、围（-45到+885）内内用2.7V-5.225V的的电压工工作。电电源电压压大于33.6VV时，必必须使用用内部稳稳压器。对对于USSB通信信，电源源电压最最小值为为3.00V。端端口I/O和/RSTT引脚都容容许5VV的输入入信号电电压。CC80551F3340采采用488脚TQQFP封封装或332脚LLQFPP封装。 由于本本系统对对CPUU运算速速度要求求很高，需需要执行行很复杂杂的运算算，故采采用上述述方案。2.3.22振动传传感器的的选择 一. 机械监监测系统统测振传传感器的的选择必必须从两两个方面面考虑:首先要要考虑被被监测设设备的机机械方面面的因素素。传感感器的选选择除了了考虑
12、监监测系统统的机械械因素外外，还应应注意如如下几点点：1.对用接接触式传传感器进进行振动动测量时时，应尽尽量避免免对被测测试件增增加质量量负载，即即传感器器的质量量应远小小于被测测物体或或试件的的质量，防防止或避避免因安安装传感感器造成成被测物物体或试试件动态态特性的的改变。非非接触式式传感器器无此缺缺点，但但其灵敏敏度与初初始安装装间隙有有关，使使用时应应加以注注意。2.测量前前应估计计出被测测量的频频率范围围，并检检查它是是否落在在传感器器的幅频频曲线的的上作频频带内，即即幅频曲曲线的平平直段内内。当测测量由多多种频率率成分组组成的复复杂波形形时，必必须选择择相移与与频率成成线性关关系(相
13、相频曲线线为过坐坐标原点点的斜直直线)的的传感器器，否则则将会产产生波形形失真。3.事先估估计被测测系统的的最大振振级，并并检查它它是否超超过所采采用传感感器最大大冲击值值的三分分之一。一一般说来来低灵敏敏度传感感器可用用于高振振动量级级测量，反反之，低低量级振振动应采采用高灵灵敏度传传感器，以以提高信信噪比。4.估计被被测点振振动方向向，以便便于正确确安装传传感器，减减小横向向灵敏度度等带来来的测量量误差。如如不能精精确估计计，可采采用受方方向影响响较小的的传感器器。5.估计传传感器的的上作环环境，如如温度、瞬瞬时温度度、磁场场、声场场等，并并检查所所采用传传感器能能否满足足使用环环境的要要
14、求，是是否要采采用必要要的防范范措施。二 . 根据上上述内容容，本系系统采用用压电式式加速度度传感器器，从性性能价格格比的角角度考虑虑选用北北京测振振仪器厂厂生产的的YD一一12型型压电式式加速度度传感器器，其参参数如下下：图2.3 传感器器原理图图1.电压灵灵敏度:40一一60mmv/gg;2.横向灵灵敏度:5%;3.频率响响应:11一1000000Hz;4.电荷灵灵敏度:4060ppe/gg;5.引出方方向:侧侧向;6.最大可可测加速速度:550099;7.电容:10000pFF;8.重量:25990g2.3.33转速传传感器选选择 1.工工作原理理转速传感器器选用非非接触光光电式转转速传
15、感感器，它它分为投投射式和和反射式式两类。投投射式光光电转速速传感器器的读数数盘和测测量盘有有间隔相相同的缝缝隙。测测量盘随随被测物物体转动动，每转转过一条条缝隙，从从光源投投射到光光敏元件件上的光光线产生生一次明明暗变化化,光敏敏元件即即输出电电流脉冲冲信号（图图1）。反反射式光光电转速速传感器器在被测测转轴上上设有反反射记号号，由光光源发出出的光线线通过透透镜和半半透膜入入射到被被测转轴轴上。转转轴转动动时，反反射记号号对投射射光点的的反射率率发生变变化。反反射率变变大时，反反射光线线经透镜镜投射到到光敏元元件上即即发出一一个脉冲冲信号；反射率率变小时时，光敏敏元件无无信号。在在一定时时间
16、内对对信号计计数便可可测出转转轴的转转速值。2.具体型型号的选选用具体型号选选用LGG-9916光光电式转转速传感感器，制制造商为为小野（OONO SOKKKIOONO SOKKKI） LG-9116是从从传感器器发出 (红外外线)，照照到旋转转轴上产产生反射射光,再再检测这这个反射射光的非非接触式式转速传传感器。在在旋转轴轴上通常常要贴反反射标签签，LGG-9916是是在其尖尖端部使使用玻璃璃纤维束束，其玻玻璃纤维维束发出出红外线线光，同同时接受受反射回回来的光光。传感感器内装装小型放放大器，对对波形整整形为矩矩形波输输出重量量只有1150gg，非常紧紧凑轻便便。3.系统的的硬件设设计系统的
17、硬件件主要包包括电源源模块、C8051F340单片机、数据采集模块，数据传输电路等对轴承故障诊断及检测。3.1 电电源模块块电源电路负负责给硬硬件电路路提供工工作电源源。本电电路直接接使用33节干电电池供电电，这样样增加了了设备的的可移动动性，同同时也减减小了设设备的体体积。3.2 轴轴承故障障诊断的的理论与与方法 轴承故故障诊断断中, 采用共共振解调调法, 基本原原理为: 当轴轴承某一一元件表表面产生生局部损损伤时, 在轴轴承受载载运行时时要撞击击与之相相互作用用的其它它元件表表面, 产生一一系列的的冲击脉脉冲力. 这些些冲击力力会激起起轴承系系统的高高频固有有振动. 根据据实际情情况, 可
18、选择择其中一一个高频频固有振振动作为为研究对对象, 通过带带通滤波波的方法法, 把把它从其其中的高高频振动动中分离离出来. 这个个高频固固有振动动的振幅幅受轴承承元件故故障特征征频率的的调制. 利用用包络检检波器解解调得到到反映故故障的包包络信号号, 对对此包络络信号进进行分析析, 即即可诊断断出滚动动轴承的的故障. 振动动信号的的分析处处理分为为时域处处理和频频域处理理两类. 时域域处理主主要指标标为振动动信号的的均方根根值和峰峰值, 可以通通过均方方根值硬硬件电路路和峰值值保持电电路得到到. 当当利用时时域指标标监视发发现某轴轴承有故故障, 要判断断到底是是什么类类型的故故障、故故障发生生
19、在哪个个元件上上, 以以及故障障的严重重程度等等比较精精确的信信息时, 需要要对滚动动轴承的的信号进进行频谱谱分析, 即进进行频域域处理. 根据据频谱图图中的频频率成分分以及各各有关频频率成分分处的幅幅值大小小进行精精确诊断断.如图图所示：传感器拾取振动信号包络信号带通滤波放大高频 固有振动冲击元件损伤低通滤波器频谱分析 频谱图3.1 检测流流程图轴承的故障障特性分分析 滚动轴承承的不同同类型的的故障会会引起不不同类型型的特征征振动信信号，按按照振动动信号的的不同可可以将故故障区分分为一下下几个类类型： 1.滚动动轴承的的构造故故当轴承上面面加上一一定的负负载时，旋旋转轴的的中心随随着滚动动体
20、的位位置变动动，这是是因为负负载使轴轴承的内内外圈跟跟滚动体体发生了了弹性形形变，同同时产生生的振动动叫做滚滚动体的的传输振振动，这这个振动动的主要要频率是是zfcc（z为为滚动体体数，ffc为滚滚动体频频率），对对于旋转转轴弯曲曲，轴承承跟轴装装歪，或或者滚动动体的直直径不一一致的故故障会产产生如下下表中的的振动：表3.1 构造故故障频率率异常原因 特征征频率 备注轴弯曲或轴轴装歪 f为旋转转频率，不不能引起起高频衰衰减振动动滚动体直径径不一致致 fcc以及nnfc=f ff为旋转转频率，不不能引起起高频衰衰减振动动2.滚动轴轴承的表表面损伤伤表面损伤的的类故障障是轴承承最常见见的故障障，常
21、表表现为元元件表面面疲劳导导致剥落落，压痕痕，裂痕痕，烧伤伤，划伤伤等。当当轴承存存在局部部损伤时时，损伤伤点通过过轴承元元件表面面时要产产生突变变的冲击击脉冲力力，该脉脉冲是一一个宽带带信号，所所以必然然覆盖轴轴承系统统的高频频固有振振动频率率而引起起谐振，从从而产生生冲击振振动由于于滚动轴轴承的匀匀速回转转，使冲冲击具有有周期性性，对发发生在不不同位置置的损伤伤，丛集集具有不不同的频频率，通通常称为为特征频频率，故故障特征征频率一一般在11KHzz以下，股股东轴承承不同元元件损伤伤故障特特征频率率各不相相同，损损伤故障障特征频频率计算算公式，如如下表： 为简单起起见，设设轴承外外圈固定定，
22、内圈圈旋转，表表中，dd为滚动动体直径径，D为为轴承节节圆直径径。a为为接触角角，z为为滚动体体个数，ffx为内内圈的旋旋转频率率，fcc为外圈圈的旋转转频率，NN为工作作转速。表3.2 滚滚动轴承承的表面面损伤异常情况 特征频频率 备注外圈损伤 能引引起高频频衰减振振动内圈损伤 能引引起高频频衰减振振动滚动体损伤伤 能引引起高频频衰减振振动 3.精加工工面波纹纹制造时如在在滚道或或者滚动动体的精精加工上上面留有有波纹，当当凸起数数达到某某一数值值时就会会引起如如下表的的振动：表3.3 波纹频频率异常原因 特特征频率率 备注内圈波纹 波波纹凸起起数为，发发生左栏栏中频率率振动外圈波纹 波纹纹凸
23、起数数为，发发生左栏栏中频率率振动滚动体波纹纹 波纹凸凸起数为为2n时时，发生生左栏中中振动4.滚动轴轴承不同同轴当轴承不对对中或者者轴承装装配不良良时都会会发生一一些低频频振动，如如下表： 表3.44 滚滚动轴承承不同轴轴时的频频率 异常原因 特征频频率 备注注 两个轴承承不对中中，轴承承架表面划伤或或进入异异物轴承承支/2 发生左左栏中的的振动，球球轴承发发生振动动架装配松动动，轴承承本身装装配不良良 内圈面的圆圆度差，轴轴径圆度度差2同上轴径面划伤伤或进入入异物 轴承的故障障特征频频率的实实际值跟跟测量值值有偏差差，这是是因为轴轴承元件件并非绝绝对的刚刚性体，滚滚动体与与内外滚滚道之间间
24、也会有有相对滑滑动，再再加上瞬瞬时转速速的波动动跟测量量仪器的的误差，使使得滚动动轴承的的实际值值跟测量量值的存存在误差差，实测测值在计计算值附附近的某某频带范范围内，轴轴承型号号不同或或者元件件不同，这这种误差差也不同同。3.3 轴轴承故障障诊断的的硬件结结构设计计 轴承诊断断装置主主要是由由模拟硬硬件电路路，9通通道数据据采集电电路及自自带USSB控制制器和AA/D转转换器的的混合信信号微处处理器CC80551F3340等等组成，其其主要硬硬件电路路结构图图是：压电式加速度传感器包络检波电路 C8051F340单片机A/DUSB被检测的轴承设备转速传感器串口 PC机图3.2 硬件电电路结构
25、构图 电路的设计计采用共共振解调调的原理理，利用用加速度度传感器器采集震震动信号号，获取取故障信信息，实实现对滚滚动轴承承的震动动信号的的处理，发发现轴承承的故障障后，判判断是什什么类型型的故障障，故障障发生在在哪个元元件上，以以及故障障的严重重程度等等比较精精确的信信息时，需需要对滚滚动轴承承的信号号的信号号惊醒频频谱分析析，即进进行频域域处理。滚滚动轴承承的故障障特性的的频率计计算需要要知道内内圈的旋旋转频率率，所以以有必要要知道旋旋转体的的速度，采采用非接接触式光光电式传传感器。3.3.11信号放放大电路路 在测量量时，由由传感器器传来的的信号一一般都是是比较弱弱的低电电平信号号，不适适
26、合直接接进去AADC，放放大器的的作用等等同于放放大电路路，将微微弱信号号惊醒放放大，一一边能充充分的利利用ADDC的满满刻度分分辨率，同同时还可可以要求求放大器器能抑制制干扰跟跟降低噪噪声。由由于LMM3244四运放放电路具具有电源源电压范范围宽，静静态功耗耗小，可可单电源源使用，价价格低廉廉等优点点，因此此被广泛泛应用在在各种电电路中。LM 3224是四四运放集集成电路路，它采采用144脚双列列直插塑塑料封装装，它的的内部包包含四组组形式完完全相同同的运算算放大器器，除电电源共用用外，四四组运放放相互独独立。 每一组组运算放放大器可可用图11所示的的符号来来表示，它它有5个个引出脚脚，其中
27、中“+”、“-”为两个个信号输输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。图 3.33 一组组放大器器图 图图3.44 引脚脚排列将LM3224接入入电路图图为：图3.5信信号放大大电路3.3.22 单片片机最小小系统电电路单片计算机机应该是是一个最最小的应应用系统统，但由由于应用用系统中中有一些些功能器器件无法法集成到到芯内部部，如晶晶振、复复位电路路等，需需要在片片外加接接相应的的电路。1. 时钟电路TTLXTAL
28、2XTAL1外部时钟信号VCCMCS-551单片片机内部部的振荡荡电路是是一个高高增益反反相放大大器，引引线XTTAL11和XTTAL22分别是是放大器器的输入入端和输输出端。单单片机内内部虽然然有振荡荡电路，但但要形成成时钟，外外部还需需附加电电路。MMCS-51单单片机的的时钟产产生方式式有两种种：晶振XTAL1XTAL2图3.6 使用片片内振荡荡电路的的时钟电电路 图33.7 HMOOS型单单片机的的外部时时钟电路路（1） 内部时钟方方式：利利用其内内部的振振荡电路路在XTTAL11和XTTAL22引线上上外接定定时元件件，内部部振荡电电路便产产生自激激振荡，用用示波器器可以观观察到XX
29、TALL2输出的的时钟信信号。最最常用的的是在XXTALL1和XTTAL22之间连连接晶体体振荡器器与电容容构成稳稳定的自自激震荡荡器，晶晶体可在在1.22122MHzz之间选选择。MMCS-51单单片机在在通常应应用情况况下，使使用振荡荡频率为为6MHHz的石石英晶体体，而112MHHz频率率的晶体体主要是是在高速速串行通通信情况况下才使使用。对对电容值值无严格格要求，但但它的取取值对振振荡频率率输出的的稳定性性、大小小及振荡荡电路起起振速度度有少许许影响。CC1和C2可在2201100ppF之间间取值，一一般取330pFF左右。（2） 外部时钟方方式：在有些些系统中中，为了了各单片片机之间
30、间时钟信信号的同同步，应应当引入入惟一的的合用外外部振荡荡脉冲作作为各单单自片机机的时钟钟。外部部时钟方方式中是是把外部部振荡信信号源直直接接入入XTAAL1或XTTAL22。由于于HMOOS和CCHMOOS单片片机外部部时钟进进入的引引线不同同，其外外部振荡荡信号源源接入的的方式也也不同。HHMOSS型单片片机由XXTALL2进入，外外部振荡荡信号接接至XTTAL22，而内内部反相相放大器器的输入入端XTTAL11应接地地，如图图3.99所示。由由于XTTAL22端的逻逻辑电平平不是TTTL的的，故还还要接一一上拉电电阻。CCHMOOS型单单片机由由XTAAL1进入，外外部振荡荡信号接接至X
31、TTAL11，而XXTALL2可不接接地，如如图3.10所所示： XTAL2XTAL1不接地外部时钟 图3.8 CHMMOS型型单片机机的外部部时钟电电路2. 复位电路在上电或复复位过程程中，控控制CPPU的复复位状态态：这段段时间内内让CPPU保持持复位状状态，而而不是一一上电或或刚复位位完毕就就工作，防防止CPPU发出错错误的指指令、执执行错误误操作，也也可以提提高电磁磁兼容性性能。无无论用户户使用哪哪种类型型的单片片机总要要涉及到到单片机机复位电电路的设设计。而而单片机机复位电电路设计计的好坏坏直接影影响到整整个系统统工作的的可靠性性。许多多用户在在设计完完单片机系统并并在实验验室调试试
32、成功后后在现场场却出现现了死机机程序走走飞等现现象这主主要是单单片机的的复位电电路设计计不可靠靠引起的的。图3.9 复位电电路3. 电源电路为单片机工工作提供供稳定的的电源,采用LLM11117电电压调节节器。LLM11117是是一个低低压差电电压节器器系列。其其压差在在1.22V输出出，负载载电流为为8000mA时时为1.2V。它它与国家家半导体体的工业业标准器器件LMM3177有相同同的管脚脚排列。LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.2513.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型号。LM1117提供电流限制和热
33、保护。电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在1%内。电路图如下：图3.100 电源源电路4. A/D转换换电路由于C80051FF3400是一个个混合控控制器，本本身包含含10位位ADCC转换模模块部分分。C880511F3440的ADCC0子系系统集成成了两个个通道模模拟多路路选择器器（合称称AMUUX0）和和一个2200kkspss 的110位逐逐次逼近近寄存器器型 AADC，AADC中中集成了了跟踪保保持电路路和可编编程窗口口检测器器。AMMUX00、数据据转换方方式及窗窗口检测测器都可可用软件件通过特特殊功能能寄存器器来配置置。5. C880511F3440介绍绍及引
34、脚脚功能说说明在整个硬件件设计中中C80051FF3400 单片片机是系系统重要要的组成成部分。CC80551F3340单单片机是是S iiliccon Labboraatorriess公司推推出的完完全集成成的混合合信号片片上系统统型MCCU。具具有高速速、流水水线结构构的80051兼兼容的微微控制器器内核( 可达达48MM IPPS ); 通通用串行行总线(USBB )功功能控制制器, 有8 个灵活活的端点点管道, 集成成收发器器和1KK FIIFO RAMM; 真真正100位200kspps的单单端/差差分ADDC, 带模拟拟多路器器; 片片内电压压基准和和温度传传感器; 精确确校准的的
35、12MHH z内内部振荡荡器和44 倍时时钟乘法法器; 多达664KBB 的片片内FLLASHH 存储储器; 多达443522字节片片内RAAM ( 2556+ 4KBB ); 多达达40个个端口II/O (容许许5V 输入)采集系系统的电电路设计计。C80511F3440使用用Sillicoon LLabss的专利利CIPP-511微控制制器内核核。CIIP-551与MMCS-51TTM指令令集完全全兼容，可可以使用用标准8803xx/8005x的的汇编器器和编译器器进行软软件开发发。CIIP-551内核核具有标标准80052的的所有外外设部件件，包括括4个116位计计数器/定时器器、两个个
36、具有扩扩展波特特率配置置的全双双工UAART、一一个增强强型SPPI端口口、多达达43552字节节的内部部RAMM、1228字节节特殊功功能寄存存器（SSFR）地址空间及多达40个I/O引脚。由于CC80551F3340本本身集成成众多硬硬件电路路的特性性, 硬硬件接口口设计变变得非常常简单, 不需需要再添添加额外外的电子子元器件件就能实实现USSB的数数据传输输和ADD转换等等, 使使得系统统的硬件件结构简简单, 集成度度高, 可靠性性好。CC80551F3340上上的P22. 00 PP2. 6引脚脚作为数数据采集集的输入入端口, 接受受来自预预处理电电路输送送过来的的数据, 最后后通过单
37、单片机的的模拟多多路选择择器( AMUUX) 最终决决定进入入AD 转换的的通道。其引脚图如下：图3.111 C880511F3440的引引脚分布布MAX2332串口口通信功功能RS一2332C是是美国电电子工业业协会EEIA(EleeetrroniieInnduss 抑AAssooeiaatioon)制制定的一一种串行行物理接接口标准准。RSS-2332C总总线标准准规定了了21个个信号和和25个个引脚，包包括一个个主通道道和一个个辅助通通道，在在多数情情况下主主要使用用主通道道。完整整的RSS-2332C接接口采用用标准的的25芯芯插头；对于一一般双工工通信，常常用9芯芯插头，仅仅需几条条
38、信号线线就可实实现，最最简单的的通讯方方式只需需3根引引线，包包括一条条发送线线、一条条接收线线和一条条地线。 由于RSS-2332C的的逻辑00电平规规定为+5+15VV，逻辑辑1电平平规定为为-155 -5V，因因此，在在与TTTL电路路接口时时必须经经过电平平转换。下下面简单单介绍一一下常用用的RSS-2332C电电平转换换芯片MMAX2232。 MAXX2322是MAAXIMM公司生生产的、包包含两路路接收器器和驱动动器的RRS-2232CC电平转转换芯片片，适用用于各种种2322通信接接口。MMAX2232芯芯片内部部有一个个电源电电压变换换器，可可以把输输入的+5V电电源电压压变换
39、成成为RSS-2332C输输出电平平所需的的+100V或-10VV电压。所所以，采采用此芯芯片接口口的串行行通信系系统只需需单一的的5VV电源就就可以了了。由于于其适应应性强，加加之价格格低廉，硬硬件接口口简单，所所以被广广泛采用用。MAX2332引脚脚功能说说明第一部分是是电荷泵泵电路。由由1、22、3、44、5、66脚和44只电容容构成。功功能是产产生+112v和和-122v两个个电源，提提供给RRS-2232串串口电平平的需要要。 第二部分分是数据据转换通通道。由由7、88、9、110、111、112、113、114脚构构成两个个数据通通道。其其中133脚（RR1INN）、112脚(R1
40、OOUT)、111脚(TT1INN)、114脚(T1OOUT)为第一一数据通通道。88脚(RR2INN)、99脚(RR2OUUT)、110脚(T2IIN)、77脚(TT2OUUT)为为第二数数据通道道。TTTL/CCMOSS数据从从T1IIN、TT2INN输入转转换成RRS-2232数数据从TT1OUUT、TT2OUUT送到到电脑DDB9插插头；DDB9插插头的RRS-2232数数据从RR1INN、R22IN输输入转换换成TTTL/CCMOSS数据后后从R11OUTT、R22OUTT输出。 第三部分分是供电电。155脚GNND、116脚VVCC(+5vv)。 图3.122 串口口接入电电路图3
41、.3.33采集模模块的设设计 由硬件电电路获得得所需的的振动信信号以后后，需进进行A/D采集集，通过过串口通通讯传入入PC机机中，使使用上位位机程序序进行后后续处理理。A/D采集集功能及及传输功功能采用用C80051FF3400单片机机上集成成的USSB和110位AADC转转换模块块来实现现。采集模块的的总体电电路原理理图 图33.133 采集集模块的的原理总总图本系统主要要有两大大部分：上位机机微处理理器控制制系统和和下位机机测量系系统。上上位机微微处理器器控制系系统是控控制系统统的核心心，是负负责与下下位机通通信并完完成信息息收集和和与计算算机串口口通信功功能的，具具体由通通过单片片机内部
42、部集成的的USBB与计算算机的连连接部分分、单片片机和信信号分析析三部分分组成。下下位机测测量系统统负责对对测量点点的振动动信号测测量，上上位机控控制系统统的主要要组成硬硬件有： C880511F3440单片片机、下下位机信信息采集集系统的的硬件组组成有振振动信号号传感器器、C880511F3440单片片机、774CHH14信信号处理理芯片。C8051F340单片机74CH14AD544LPC机MAX232图3.144 下位机结结构图MAX232PC机C8051F340单片机AD544L74CH14图3.155 上位位机结构构图4 系统软软件设计计系统的软件件主要是是根据单单片机对对振动信信号
43、的分分析，利利用C语语言和汇汇编语言言在MAATLAAB软件件中实现现的通过过导入数数字信号号中实现现轴承故故障的诊诊断跟检检测。4.1主程程序方案案主程序调用用三个子子程序，分分别是振振动信号号采集程程序、特特征故障障频率选选择程序序、数据据上传程程序。（1） 振振动信号号采集程程序：对对信号采采集模块块送过来来的数据据进行处处理，进进行判断断。（2）数据据上传程程序：检检测采集集过来的的含有故故障特性性频率的的数字信信号。（3） 系系统框图图见附录录4.2主要要流程图图介绍按照模块化化设计的的思想，系系统中各各主要功功能模块块均编成成独立的的函数在在主程序序中加以以调用，程程序主要要由以下
44、下功能模模块组成成：基于于74CCH144触发器器震动信信号采集集函数、AD转换程序、基于MAX232的串口通信程序。数据处理程序对接收到的有效数据进行简单的计算处理后将其通过串口发送到计算机，进一步的分析和处理。 根据硬件整整体设计计方案，本本系统的的软件设设计采用用模块化化、结构构化得设设计方法法，整个个系统为为上位机机程序设设计部分分和下位位机程序序部分，其其中下位位机主要要包括信信号监测测模块、数数据转换换模块，上上位机主主要包括括数据处处理模块块。软件件的整体体设计流流程如图图。整个个系统的的各个部部分都是是服务于于数据处处理这个个目的。所所以，在在整个系系统的软软件设计计中，数数据
45、处理理是关键键。初始化信号采集送pc数据处理发送数据接收数据图4.1整体数据处理过程4.2.11 主程程序流程程图由于轴承的的振动产产生的振振动频率率经振动动传感器器转换为为振动信信号，由由于信号号的电压压很低，需需要基于于AD5554LL放大芯芯片的放放大电路路进行放放大，然然后再由由滤波电电路进行行滤波，才才能获得得A/DD转换器器所需要要的具有有特征振振动频率率的模拟拟信号，由由A/DD转换器器进行模模转数，获获得数字字信号。由于本系统统不需要要电脑与与单片机机进行反反馈，C80051FF3400单片机机用于对对轴承故故障诊断断中测试试信号的的采集, 由于于C80051FF3400单片机机内部集集成了高高精度时时钟源、电电压调节节器、AA/D