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初始化YD-12 设备启动 第 21 页 共 35 页
初始化AD544L Pc机 初始C8051F340 内部的10位AD 转换模块 MAX232口 串 图4.2 信号采集及传输的流程图
4.2.2 AD采集
使用C8051F340单片机内部集成的10位ADC对四路信号采样. 经过滤波和检波之后, 振动信号为包含故障特征的低频信号, 频率范围仅为数KHz, 故由采样定理知采样频率选择25KHz已足够。 ADC0转换启动方式为定时器2溢出启动,定时器2工作于16位自动重装载模式, 其重装载值决定ADC0的采样频率. 使用C8051F340单片机内部模拟多路选择器AMXU0配置ADC0为单端输入方法, 选择P2. 0~P2. 3脚作为四路模拟输入通道。上位机( PC机)决定对哪一路信号采样,通过USB发送该通道号到单片机中, 修改多路选择器AMXU0的正输入通道选择寄存器AMX0P的值, 指向相应的模拟输入通道, AD开始对该通道采样。
传感器 信号放大器 AD转换模块 PC机 图4.3 AD采集流程图
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4.2.3串口通信
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要完成通信, 需要PC端与C8051F340单片机端共同协作. 在单片机端, 单片机C8051F340是整个系统的核心，10位ADC转换模块对输入的模拟信号进行采集，转换结果由单片机通过P3.5（9脚）接收，AD芯片的通道选择和方式数据通过P3.4（8脚）输入到其内部的一个8位地址和控制寄存器，单片机采集的数据通过串口（3、2脚）经MAX3232转换RS232电平向上位机传输,对采集/传输的数据进行监测。
PC机端 单片机端 用户程序 用户应用程序 单片机 图4.4 串口通讯流程
PC机端串口通信
PC机端应用程序主要用于完成用户图形界面和基于MAX232串口通信程序两大功能, 从而实现人机交互, 并将用户输入的指令和采集模块采集的数据通过串口总线在PC机和C8051F340之间进行传递。在应用程序中, 分别读取C8051F340单片机通过串口传送过来的四路信号并作相应处理: 速度值显示处理; 均值和峰值绘制波形, 并计算出值; 滤波和检波之后的包络信号,通过FFT运算, 进行频域处理, 绘制出频谱图. 四路信号都可保存, 需要时可以回放。
主机驱动 MAX232 串口器件驱动 本 科 毕 业 设 计
4.2.4 上传到PC进行频谱分析
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FFT（Fast Fourier Transformation），即为快速傅氏变换，是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。它对傅氏变换的理论并没有新的FFT算法图(Bufferfly算法)发现，但是对于在计算机系统或者说数字系统中应用离散傅立叶变换，可以说是进了一大步。
设x(n)为N项的复数序列，由DFT变换，任一X（m）的计算都需要N次复数乘法和N-1次复数加法，而一次复数乘法等于四次实数乘法和两次复数加法，一次复数加法等于两次实数加法，即使把一次复数乘法和一次复数加法定义成一次“运算”（四次实数乘法和四次实数加法），那么求出N项复数序列的X（m）,即N点DFT变换大约就需要N^2次运算。当N=1024点甚至更多的时候，需要N2=1048576次运算，在FFT中，利用WN的周期性和对称性，把一个N项序列（设N=2k,k为正整数），分为两个N/2项的子序列，每个N/2点DFT变换需要（N/2）2次运算，再用N次运算把两个N/2点的DFT变换组合成一个N点的DFT变换。这样变换以后，总的运算次数就变成N+2*（N/2)^2=N+N^2/2。继续上面的例子，N=1024时，总的运算次数就变成了525312次，节省了大约50%的运算量。而如果我们将这种“一分为二”的思想不断进行下去，直到分成两两一组的DFT运算单元，那么N点的DFT变换就只需要Nlog2N次的运算，N在1024点时，运算量仅有10240次，是先前的直接算法的1%，点数越多，运算量的节约就越大，这就是FFT的优越性。
对于表面损伤累故障，要用共振解调法，通过检波器进行分拣，得到只含有故障特征频率的低频信号。对这一低频信号进行频谱分析从而诊断出轴承是否有故障。由于在实际应用中，滚动轴承的振动信号含有大量的随机成分，所以即使对该故障轴承，其特征频率成分在轴承中也不是很明显。为了能够使图谱比较清晰的表现出故障特征那部分的频谱，常采用先用模拟的或者数字的方法对信号进行检波跟滤波，以提高噪声比，突出故障特征信息。还有就是进行多次FFT运算然后取平均值。
FFT运算的源程序代码如附录。
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结论
本文详细的介绍了系统所需要的元器件，根据系统方案的要求详细的论证了实现轴承故障诊断的具体设计思路及系统的总体框架并详尽的阐述了系统的硬件结构和软件设计。
本设计是以单片机C8051F340为核心，集成了10位ADC转换模块，将采集到的振动模拟信号进行分析跟转换。通过振动传感器采集的带有故障特征频率的振动信号，通过lm324四集成的预算放大器将信号放大，因为采集到的振动信号的电压很低。电源电路利用LM117低压差调节器，将输送过来的电源电压调节成传感器跟单片机能用的合适电压，电源电路为整个系统的运转正常提供了稳定的供电保障。C8051F340作为一个微控制器，其指令与MCS51的指令完全兼容，其单片机的开发就用与MCS51的单片机开发相同的工具。
此次设计通过压电式传感器采集的振动信号，用74CH14触发器进行信号处理，将传感器传来的模拟信号进行分拣与提炼。用9孔的电平转换芯片，将准换到低压数字信号转换为高压电平，从而可以将信息上传到电脑上进行软件分析。本系统设计难免会存在一些纰漏和不足之处，在实际应用中，系统还有许多需要改进的地方，可以在以下几个方面进行的改进或升级。可以对单片机模块加以完善。对于单片机与PC机之间的通讯可以用其它的一些毕竟成熟的技术，比如USB直接传输更方便快捷。
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致谢
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经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的指导老师安国庆。安老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，到后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂，但是安老师仍然细心地纠正我学习中的错误。在跟老师的学习过程中，除了安老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 然后还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下电器专业知识的基础。同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，此次毕业设计才会顺利完成。 最后感谢我的母校—河北科技大学四年来对我的大力栽培。