电机轴承外圈故障诊断装置的设计5558.docx

本 科 毕 业 设 计 第 40 页 共 40 页1 引言11 课题的研研究背景设备故障诊诊断学是本本世纪六七七十年代产产生并发展展起来的一一门综合性性边缘学科科,经过几几十年的发发展,理论论研究取得得了重大进进展,按照照所采用的的技术手段段可分为:振动分析析法声学分分析法，红外分析析法!润滑滑油分析法法!计算机机辅助诊断断及专家系系统等方法法等，按照诊断断对象可分分为:旋转转机械故障障诊断往复复机械故障障诊断!机机械零件故故障诊断!工程结构构故障诊断断!液压设设备故障诊诊断!电气气设备故障障诊断等，在这些众众多诊断分分支中,旋旋转机械故故障诊断是是一个极为为重要和引引人注目的的分支。电动机作为为拖动系统统中的重要要组成部分分在国民经经济中占有有举足轻重重的地位，它它的使用几几乎渗透到到了各行各各业，是工工业、农业业和国防建建设及人民民生活正常常进行的重重要保证，因因而确保电电动机的正正常运行就就显得十分分重要，而而作为电机机核心部分分的轴承的的也担任着着不可或缺缺的角色，轴轴承故障的的诊断就显显得尤为重重要了。1.2 发展状况况轴承在旋转转机械中应应用最为广广泛，同时时也是最易易损坏的元元件之一。旋旋转机械的的许多故障障都与滚动动轴承有关关，轴承的的工作好坏坏对机械的的工作状态态有很大影影响，其缺缺陷会直接接导致设备备产生异常常振动和噪噪声，严重重时甚至损损坏设备，它它的运行状状态是否正正常往往直直接影响到到整台机器器的性能，如如精度、可可靠性、寿寿命等。轴轴承的缺陷陷会导致机机械设备的的剧烈振动动和产生强强大刺耳的的噪音，严严重时会引引起设备的的损坏、生生产的停止止、甚至严严重的机械械事故。据据统计，约约30% 的旋转机机械的故障障是由于轴轴承的损坏坏所引起的的。随着设设备自动化化程度和设设备复杂程程度的提高高，以及工工程领域大大型旋转机机械的广泛泛应用，都都要求对设设备有很高高的安全性性和故障预预测性，同同时也对新新的故障诊诊断方法提提出了要求求。因而对对作为运转转机械最重重要件之一一的轴承，进进行状态检检测和故障障诊断具有有重要的实实际意义，这这也是故障障诊断领域域的重点。故障监测和和诊断技术术发展到今今天，已经经初步形成成一门跨学学科的综合合信息处理理技术，鉴鉴于此种情情况，我们们正着力于于将故障监监测和诊断断技术与滚滚动轴承试试验技术进进行有效的的结合，开开发滚动轴轴承寿命强强化试验系系统技术，力力图在进行行轴承性能能试验的同同时，对其其使用性能能的劣化和和潜在缺陷陷进行监测测和诊断，指指导试验的的快速、有有效地开展展。滚动轴轴承寿命强强化试验系系统，属国国内独创，该该项目已产产业化生产产，并解决决了关键技技术问题，产产品已系列列化：ABBLT-11A，ABLTT-2，ABLTT-3，ABLTT-4，ABLTT-5，ABLTT-6，ABLTT-7，已已生产销售售200余台台，创产值值25000余万元，替替代进口产产品，为国国家节省外外汇60000余万美美元。已申申请国家发发明专利44项，而且且均已公示示，已授权权2项。目前前这一轴承承寿命强化化试验系统统技术已被被瓦房店轴轴承集团有有限公司检检测试验中中心、中国国·摩士集团团宁波轴承承技术研究究院等国内内、外众多多用户广泛泛认可并应应用。2 各模块块的方案选选择及论证证 2.1 轴承故障障诊断的主主要环节 滚动轴轴承诊断技技术概括的的说就是以以轴承故障障振动原理理为基础，通通过采集跟跟检测反映映轴承各种种状态的振振动信号，并并利用现代代信号处理理方法将采采集到的振振动信号经经相应的变变换，找到到反映轴承承状态的特特征信息频频率，然后后根据现有有的故障特特性频率跟跟参数判断断故障原因因，并预测测故障的发发展跟设备备的使用寿寿命。 一个个完整的轴轴承故障诊诊断系统大大概包括五五个环节： 1 信号的提提取 根据轴承承的工作环环境跟工作作性质，量量取并选择择能够反映映轴承工作作状态信息息的特征信信号。 2 特征抽取取 从得到到的信号数数据中以一一定的数据据分析与处处理方法抽抽取能够反反映轴承状状态的数据据信息。 3 状态识别别 根据征征兆，以一一定的状态态识别方法法识别轴承承的状态信信息，即简简单的认识识到轴承的的工作是否否正常或者者有无故障障。 4 诊断分析析 根据情情况进一步步分析相关关的状态及及其发展趋趋势，当轴轴承有故障障时，详细细的分析出出故障的类类型，性质质，部分，原原因和趋势势等等。 5 决策干预预 根据据状态跟情情况做出相相应的应对对措施。2.2 轴轴承的振动动类型 轴承承的振动类类型复杂多多样，它所所造成的振振动大致分分为三类: 11与轴承承变形相关关的振动：轴承作为为一种弹性性变体。轴轴承负载时时，由于负负载滚动体体的不断变变换使得轴轴承在运行行状态时发发生弹性振振动。它与与轴承的一一场状态无无关。 22与轴承承加工有关关的振动：轴承各元元件在加工工中不可避避免的出现现加工失误误。如表面面波纹，轻轻微的擦痕痕，装配误误差等都会会引起轴承承振动。 33轴承在在工作时发发生故障引引起的振动动：轴承在在实际工作作中，由于于发生破碎碎，断裂，剥剥落等故障障而产生振振动。这些些振动反映映了轴承的的损伤情况况，所以是是应该注意意的，这类类振动所产产生的振动动信号是监监测分析的的对象。 2.33 轴承诊诊断各模块块的的方案案选择 2.33.1 单单片机的选选择C80511F3400单片机是是就是顺应应这种需求求而推出的的一种新型型USB控控制器，功能能控制器，符符合规范版集集成时钟恢恢复电路，无无需外部晶晶体；支持持个端点点；缓缓存；集成成收发器。无无需外部电电阻。C88051FF340单单片机的这这些特点。使使其在设备备设计开发发中具有极极强的竞争争力，特别别是在通讯设设计中。C80511F3400具有片内内上电复位位、VDDD监视器、电电压调整器器、看门狗狗定时器和和时钟振荡荡器的C88051FF340器件是真真正能独立立工作的片片上系统。FFLASHH存储器还具具有在系统统重新编程程能力，可可用于非易易失性数据据存储，并并允许现场场更新80051固件件。用户软软件对所有有外设具有有完全的控控制，可以以关断任何何一个或所所有外设以以节省功耗耗。片内Silliconn Labbs二线（CC2）开发发接口允许许使用安装装在最终应应用系统上上的产品MMCU进行行非侵入式式（不占用用片内资源源）、全速速、在系统统调试。调调试逻辑支支持观察和和修改存储储器和寄存器，支支持断点、单步步、运行和和停机命令令。在使用用C2进行行调试时，所所有的模拟拟和数字外外设都可全全功能运行行。两个CC2接口引引脚可以与与用户功能能共享，使使在系统调调试功能不不占用封装装引脚。每种器件都都可在工业业温度范围围（-455到+885）内内用2.77V-5.25V的的电压工作作。电源电电压大于33.6V时时，必须使使用内部稳稳压器。对对于USBB通信，电电源电压最最小值为33.0V。端端口I/OO和/RSST引脚都容许许5V的输输入信号电电压。C88051FF340采采用48脚脚TQFPP封装或332脚LQQFP封装装。 由于本本系统对CCPU运算算速度要求求很高，需需要执行很很复杂的运运算，故采采用上述方方案。2.3.22振动传感感器的选择择 一. 机械监测测系统测振振传感器的的选择必须须从两个方方面考虑:首先要考考虑被监测测设备的机机械方面的的因素。传传感器的选选择除了考考虑监测系系统的机械械因素外，还还应注意如如下几点：1.对用接接触式传感感器进行振振动测量时时，应尽量量避免对被被测试件增增加质量负负载，即传传感器的质质量应远小小于被测物物体或试件件的质量，防防止或避免免因安装传传感器造成成被测物体体或试件动动态特性的的改变。非非接触式传传感器无此此缺点，但但其灵敏度度与初始安安装间隙有有关，使用用时应加以以注意。2.测量前前应估计出出被测量的的频率范围围，并检查查它是否落落在传感器器的幅频曲曲线的上作作频带内，即即幅频曲线线的平直段段内。当测测量由多种种频率成分分组成的复复杂波形时时，必须选选择相移与与频率成线线性关系(相频曲线线为过坐标标原点的斜斜直线)的的传感器，否否则将会产产生波形失失真。3.事先估估计被测系系统的最大大振级，并并检查它是是否超过所所采用传感感器最大冲冲击值的三三分之一。一一般说来低低灵敏度传传感器可用用于高振动动量级测量量，反之，低低量级振动动应采用高高灵敏度传传感器，以以提高信噪噪比。4.估计被被测点振动动方向，以以便于正确确安装传感感器，减小小横向灵敏敏度等带来来的测量误误差。如不不能精确估估计，可采采用受方向向影响较小小的传感器器。5.估计传传感器的上上作环境，如如温度、瞬瞬时温度、磁磁场、声场场等，并检检查所采用用传感器能能否满足使使用环境的的要求，是是否要采用用必要的防防范措施。二 . 根据上述述内容，本本系统采用用压电式加加速度传感感器，从性性能价格比比的角度考考虑选用北北京测振仪仪器厂生产产的YD一一12型压压电式加速速度传感器器，其参数数如下：图2.3 传感器原原理图1.电压灵灵敏度:440一600mv/gg;2.横向灵灵敏度:<<5%;3.频率响响应:1一一100000Hz;4.电荷灵灵敏度:440600pe/gg;5.引出方方向:侧向向;6.最大可可测加速度度:50009;7.电容:10000pF;8.重量:25900g2.3.33转速传感感器选择 1.工工作原理转速传感器器选用非接接触光电式式转速传感感器，它分分为投射式式和反射式式两类。投投射式光电电转速传感感器的读数数盘和测量量盘有间隔隔相同的缝缝隙。测量量盘随被测测物体转动动，每转过过一条缝隙隙，从光源源投射到光光敏元件上上的光线产产生一次明明暗变化,光敏元件件即输出电电流脉冲信信号（图11）。反射射式光电转转速传感器器在被测转转轴上设有有反射记号号，由光源源发出的光光线通过透透镜和半透透膜入射到到被测转轴轴上。转轴轴转动时，反反射记号对对投射光点点的反射率率发生变化化。反射率率变大时，反反射光线经经透镜投射射到光敏元元件上即发发出一个脉脉冲信号；反射率变变小时，光光敏元件无无信号。在在一定时间间内对信号号计数便可可测出转轴轴的转速值值。2.具体型型号的选用用具体型号选选用LG-9166光电式转转速传感器器，制造商商为小野（OONO SSOKKIIONO SOKKKI） LLG-9916是从从传感器发发出 (红红外线)，照照到旋转轴轴上产生反反射光,再再检测这个个反射光的的非接触式式转速传感感器。在旋旋转轴上通通常要贴反反射标签，LLG-9916是在在其尖端部部使用玻璃璃纤维束，其其玻璃纤维维束发出红红外线光，同同时接受反反射回来的的光。传感感器内装小小型放大器器，对波形形整形为矩矩形波输出出重量只有有150gg，非常紧凑凑轻便。3.系统的的硬件设计计系统的硬件件主要包括括电源模块块、C80051F3340单片片机、数据据采集模块块，数据传传输电路等等对轴承故故障诊断及及检测。3.1 电电源模块电源电路负负责给硬件件电路提供供工作电源源。本电路路直接使用用3节干电电池供电，这这样增加了了设备的可可移动性，同同时也减小小了设备的的体积。3.2 轴轴承故障诊诊断的理论论与方法 轴承故故障诊断中中, 采用用共振解调调法, 基基本原理为为: 当轴轴承某一元元件表面产产生局部损损伤时, 在轴承受受载运行时时要撞击与与之相互作作用的其它它元件表面面, 产生生一系列的的冲击脉冲冲力. 这这些冲击力力会激起轴轴承系统的的高频固有有振动. 根据实际际情况, 可选择其其中一个高高频固有振振动作为研研究对象, 通过带带通滤波的的方法, 把它从其其中的高频频振动中分分离出来. 这个高高频固有振振动的振幅幅受轴承元元件故障特特征频率的的调制. 利用包络络检波器解解调得到反反映故障的的包络信号号, 对此此包络信号号进行分析析, 即可可诊断出滚滚动轴承的的故障. 振动信号号的分析处处理分为时时域处理和和频域处理理两类. 时域处理理主要指标标为振动信信号的均方方根值和峰峰值, 可可以通过均均方根值硬硬件电路和和峰值保持持电路得到到. 当利利用时域指指标监视发发现某轴承承有故障, 要判断断到底是什什么类型的的故障、故故障发生在在哪个元件件上, 以以及故障的的严重程度度等比较精精确的信息息时, 需需要对滚动动轴承的信信号进行频频谱分析, 即进行行频域处理理. 根据据频谱图中中的频率成成分以及各各有关频率率成分处的的幅值大小小进行精确确诊断.如如图所示：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 检测流程程图轴承的故障障特性分析析 滚动轴承承的不同类类型的故障障会引起不不同类型的的特征振动动信号，按按照振动信信号的不同同可以将故故障区分为为一下几个个类型： 1.滚动动轴承的构构造故当轴承上面面加上一定定的负载时时，旋转轴轴的中心随随着滚动体体的位置变变动，这是是因为负载载使轴承的的内外圈跟跟滚动体发发生了弹性性形变，同同时产生的的振动叫做做滚动体的的传输振动动，这个振振动的主要要频率是zzfc（zz为滚动体体数，fcc为滚动体体频率），对对于旋转轴轴弯曲，轴轴承跟轴装装歪，或者者滚动体的的直径不一一致的故障障会产生如如下表中的的振动：表3.1 构造故障障频率异常原因 特征频率率 备注轴弯曲或轴轴装歪 f为旋转频频率，不能能引起高频频衰减振动动滚动体直径径不一致 fcc以及nfcc=f f为旋转频频率，不能能引起高频频衰减振动动2.滚动轴轴承的表面面损伤表面损伤的的类故障是是轴承最常常见的故障障，常表现现为元件表表面疲劳导导致剥落，压压痕，裂痕痕，烧伤，划划伤等。当当轴承存在在局部损伤伤时，损伤伤点通过轴轴承元件表表面时要产产生突变的的冲击脉冲冲力，该脉脉冲是一个个宽带信号号，所以必必然覆盖轴轴承系统的的高频固有有振动频率率而引起谐谐振，从而而产生冲击击振动由于于滚动轴承承的匀速回回转，使冲冲击具有周周期性，对对发生在不不同位置的的损伤，丛丛集具有不不同的频率率，通常称称为特征频频率，故障障特征频率率一般在11KHz以以下，股东东轴承不同同元件损伤伤故障特征征频率各不不相同，损损伤故障特特征频率计计算公式，如如下表： 为简单起起见，设轴轴承外圈固固定，内圈圈旋转，表表中，d为为滚动体直直径，D为为轴承节圆圆直径。aa为接触角角，z为滚滚动体个数数，fx为为内圈的旋旋转频率，ffc为外圈圈的旋转频频率，N为为工作转速速。表3.2 滚动动轴承的表表面损伤异常情况 特征频率率 备注外圈损伤 能能引起高频频衰减振动动内圈损伤 能引起高高频衰减振振动滚动体损伤伤 能引起高高频衰减振振动 3.精加工工面波纹制造时如在在滚道或者者滚动体的的精加工上上面留有波波纹，当凸凸起数达到到某一数值值时就会引引起如下表表的振动：表3.3 波纹频率率异常原因 特特征频率 备注注内圈波纹 波纹凸起起数为，发发生左栏中中频率振动动外圈波纹 波纹纹凸起数为为，发生左左栏中频率率振动滚动体波纹纹 波纹纹凸起数为为2n时，发发生左栏中中振动4.滚动轴轴承不同轴轴当轴承不对对中或者轴轴承装配不不良时都会会发生一些些低频振动动，如下表表： 表3.44 滚动动轴承不同同轴时的频频率 异常原因 特征征频率 备注 两个轴承承不对中，轴轴承架表面划伤或或进入异物物轴承支/2 发生左左栏中的振振动，球轴轴承发生振振动架装配松动动，轴承本本身装配不不良 内圈面的圆圆度差，轴轴径圆度差差2同上轴径面划伤伤或进入异异物 轴承的故障障特征频率率的实际值值跟测量值值有偏差，这这是因为轴轴承元件并并非绝对的的刚性体，滚滚动体与内内外滚道之之间也会有有相对滑动动，再加上上瞬时转速速的波动跟跟测量仪器器的误差，使使得滚动轴轴承的实际际值跟测量量值的存在在误差，实实测值在计计算值附近近的某频带带范围内，轴轴承型号不不同或者元元件不同，这这种误差也也不同。3.3 轴轴承故障诊诊断的硬件件结构设计计 轴承诊断断装置主要要是由模拟拟硬件电路路，9通道道数据采集集电路及自自带USBB控制器和和A/D转转换器的混混合信号微微处理器CC80511F3400等组成，其其主要硬件件电路结构构图是：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 硬件电路路结构图 电路的设计计采用共振振解调的原原理，利用用加速度传传感器采集集震动信号号，获取故故障信息，实实现对滚动动轴承的震震动信号的的处理，发发现轴承的的故障后，判判断是什么么类型的故故障，故障障发生在哪哪个元件上上，以及故故障的严重重程度等比比较精确的的信息时，需需要对滚动动轴承的信信号的信号号惊醒频谱谱分析，即即进行频域域处理。滚滚动轴承的的故障特性性的频率计计算需要知知道内圈的的旋转频率率，所以有有必要知道道旋转体的的速度，采采用非接触触式光电式式传感器。3.3.11信号放大大电路 在测量量时，由传传感器传来来的信号一一般都是比比较弱的低低电平信号号，不适合合直接进去去ADC，放放大器的作作用等同于于放大电路路，将微弱弱信号惊醒醒放大，一一边能充分分的利用AADC的满满刻度分辨辨率，同时时还可以要要求放大器器能抑制干干扰跟降低低噪声。由由于LM3324四运运放电路具具有电源电电压范围宽宽，静态功功耗小，可可单电源使使用，价格格低廉等优优点，因此此被广泛应应用在各种种电路中。LM 3224是四运运放集成电电路，它采采用14脚脚双列直插插塑料封装装，它的内内部包含四四组形式完完全相同的的运算放大大器，除电电源共用外外，四组运运放相互独独立。 每一组运运算放大器器可用图11所示的符符号来表示示，它有55个引出脚脚，其中“+”、“-”为两个信信号输入端端，“V+”、“V-”为正、负负电源端，“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 一组放放大器图 图3.44 引脚排排列将LM3224接入电电路图为：图3.5信信号放大电电路3.3.22 单片机机最小系统统电路单片计算机机应该是一一个最小的的应用系统统，但由于于应用系统统中有一些些功能器件件无法集成成到芯内部部，如晶振振、复位电电路等，需需要在片外外加接相应应的电路。1. 时钟电路TTLXTAL2XTAL1外部时钟信号VCCMCS-551单片机机内部的振振荡电路是是一个高增增益反相放放大器，引引线XTAAL1和XTAAL2分别是放放大器的输输入端和输输出端。单单片机内部部虽然有振振荡电路，但但要形成时时钟，外部部还需附加加电路。MMCS-551单片机机的时钟产产生方式有有两种：晶振XTAL1XTAL2图3.6 使用片内内振荡电路路的时钟电电路 图33.7 HMMOS型单单片机的外外部时钟电电路（1） 内部时钟方方式：利用用其内部的的振荡电路路在XTAAL1和XTAAL2引线上外外接定时元元件，内部部振荡电路路便产生自自激振荡，用用示波器可可以观察到到XTALL2输出的时时钟信号。最最常用的是是在XTAAL1和XTAAL2之间连接接晶体振荡荡器与电容容构成稳定定的自激震震荡器，晶晶体可在11.2112MHzz之间选择择。MCSS-51单单片机在通通常应用情情况下，使使用振荡频频率为6MMHz的石石英晶体，而而12MHHz频率的的晶体主要要是在高速速串行通信信情况下才才使用。对对电容值无无严格要求求，但它的的取值对振振荡频率输输出的稳定定性、大小小及振荡电电路起振速速度有少许许影响。CC1和C2可在2001000pF之间间取值，一一般取300pF左右右。（2） 外部时钟方方式：在有些系系统中，为为了各单片片机之间时时钟信号的的同步，应应当引入惟惟一的合用用外部振荡荡脉冲作为为各单自片片机的时钟钟。外部时时钟方式中中是把外部部振荡信号号源直接接接入XTAAL1或XTAAL2。由于HHMOS和和CHMOOS单片机机外部时钟钟进入的引引线不同，其其外部振荡荡信号源接接入的方式式也不同。HHMOS型型单片机由由XTALL2进入，外外部振荡信信号接至XXTAL22，而内部部反相放大大器的输入入端XTAAL1应接地，如如图3.99所示。由由于XTAAL2端的逻辑辑电平不是是TTL的的，故还要要接一上拉拉电阻。CCHMOSS型单片机机由XTAAL1进入，外外部振荡信信号接至XXTAL11，而XTTAL2可不接地地，如图33.10所所示： XTAL2XTAL1不接地外部时钟 图3.8 CHMOOS型单片片机的外部部时钟电路路2. 复位电路在上电或复复位过程中中，控制CCPU的复复位状态：这段时间间内让CPPU保持复复位状态，而而不是一上上电或刚复复位完毕就就工作，防防止CPU发出错误误的指令、执执行错误操操作，也可可以提高电电磁兼容性性能。无论论用户使用用哪种类型型的单片机机总要涉及及到单片机机复位电路路的设计。而而单片机复复位电路设设计的好坏坏直接影响响到整个系系统工作的的可靠性。许许多用户在在设计完单单片机系统并并在实验室室调试成功功后在现场场却出现了了死机程序序走飞等现现象这主要要是单片机机的复位电电路设计不不可靠引起起的。图3.9 复位电路路3. 电源电路为单片机工工作提供稳稳定的电源源,采用LLM11117电压调调节器。LLM11117是一个个低压差电电压节器系系列。其压压差在1.2V输出出，负载电电流为8000mA时时为1.22V。它与与国家半导导体的工业业标准器件件LM3117有相同同的管脚排排列。LMM11177有可调电电压的版本本，通过22个外部电电阻可实现现1.25513.8V输出出电压范围围。另外还还有5个固固定电压输输出（1.8V、22.5V、2.85V、3.3V和5V）的型号。LM1117提供电流限制和热保护。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 电源电电路4. A/D转换换电路由于C80051F3340是一一个混合控控制器，本本身包含110位ADDC转换模模块部分。CC80511F3400的ADC00子系统集集成了两个个通道模拟拟多路选择择器（合称称AMUXX0）和一一个2000kspss 的100位逐次逼逼近寄存器器型 ADDC，ADDC中集成成了跟踪保保持电路和和可编程窗窗口检测器器。AMUUX0、数数据转换方方式及窗口口检测器都都可用软件件通过特殊殊功能寄存存器来配置置。5. C88051FF340介介绍及引脚脚功能说明明在整个硬件件设计中CC80511F3400 单片机机是系统重重要的组成成部分。CC80511F3400单片机是是S illiconn Labborattoriees公司推推出的完全全集成的混混合信号片片上系统型型MCU。具具有高速、流流水线结构构的80551兼容的的微控制器器内核( 可达488M IPPS ); 通用串串行总线(USB )功能控控制器, 有8 个个灵活的端端点管道, 集成收收发器和11K FIIFO RRAM; 真正100位200kspss的单端/差分ADDC, 带带模拟多路路器; 片片内电压基基准和温度度传感器; 精确校校准的122MH zz内部振荡荡器和4 倍时钟乘乘法器; 多达644KB 的的片内FLLASH 存储器; 多达44352字字节片内RRAM ( 2566+ 4KKB ); 多达440个端口口I/O (容许55V 输入入)采集系系统的电路路设计。C80511F3400使用Siilicoon Laabs的专专利CIPP-51微微控制器内内核。CIIP-511与MCSS-51TTM指令集集完全兼容容，可以使使用标准8803x/805xx的汇编器器和编译器进行行软件开发发。CIPP-51内内核具有标标准80552的所有有外设部件件，包括44个16位位计数器/定时器、两两个具有扩扩展波特率率配置的全全双工UAART、一一个增强型型SPI端端口、多达达43522字节的内内部RAMM、1288字节特殊殊功能寄存存器（SFFR）地址址空间及多多达40个个I/O引引脚。由于CC80511F3400本身集成成众多硬件件电路的特特性, 硬硬件接口设设计变得非非常简单, 不需要要再添加额额外的电子子元器件就就能实现UUSB的数数据传输和和AD转换换等, 使使得系统的的硬件结构构简单, 集成度高高, 可靠靠性好。CC80511F3400上的P22. 0 P2. 6引脚脚作为数据据采集的输输入端口, 接受来来自预处理理电路输送送过来的数数据, 最最后通过单单片机的模模拟多路选选择器( AMUXX) 最终终决定进入入AD 转转换的通道道。其引脚脚图如下：图3.111 C80051F3340的引引脚分布MAX2332串口通通信功能RS一2332C是美美国电子工工业协会EEIA(EEleettroniieInddus 抑抑Assooeiattion)制定的一一种串行物物理接口标标准。RSS-2322C总线标标准规定了了21个信信号和255个引脚，包包括一个主主通道和一一个辅助通通道，在多多数情况下下主要使用用主通道。完完整的RSS-2322C接口采采用标准的的25芯插插头；对于于一般双工工通信，常常用9芯插插头，仅需需几条信号号线就可实实现，最简简单的通讯讯方式只需需3根引线线，包括一一条发送线线、一条接接收线和一一条地线。 由于RSS-2322C的逻辑辑0电平规规定为+55+155V，逻辑辑1电平规规定为-115 -5V，因因此，在与与TTL电电路接口时时必须经过过电平转换换。下面简简单介绍一一下常用的的RS-2232C电电平转换芯芯片MAXX232。 MAX2232是MMAXIMM公司生产产的、包含含两路接收收器和驱动动器的RSS-2322C电平转转换芯片，适适用于各种种232通通信接口。MMAX2332芯片内内部有一个个电源电压压变换器，可可以把输入入的+5VV电源电压压变换成为为RS-2232C输输出电平所所需的+110V或-10V电电压。所以以，采用此此芯片接口口的串行通通信系统只只需单一的的5V电电源就可以以了。由于于其适应性性强，加之之价格低廉廉，硬件接接口简单，所所以被广泛泛采用。MAX2332引脚功功能说明第一部分是是电荷泵电电路。由11、2、33、4、55、6脚和和4只电容容构成。功功能是产生生+12vv和-122v两个电电源，提供供给RS-232串串口电平的的需要。 第二部分分是数据转转换通道。由由7、8、99、10、111、122、13、114脚构成成两个数据据通道。其其中13脚脚（R1IIN）、112脚(RR1OUTT)、111脚(T11IN)、114脚(TT1OUTT)为第一一数据通道道。8脚(R2INN)、9脚脚(R2OOUT)、110脚(TT2IN)、7脚(T2OUUT)为第第二数据通通道。TTTL/CMMOS数据据从T1IIN、T22IN输入入转换成RRS-2332数据从从T1OUUT、T22OUT送送到电脑DDB9插头头；DB99插头的RRS-2332数据从从R1INN、R2IIN输入转转换成TTTL/CMMOS数据据后从R11OUT、RR2OUTT输出。 第三部分分是供电。115脚GNND、166脚VCCC(+5vv)。 图3.122 串口接接入电路图图3.3.33采集模块块的设计 由硬件电电路获得所所需的振动动信号以后后，需进行行A/D采采集，通过过串口通讯讯传入PCC机中，使使用上位机机程序进行行后续处理理。A/DD采集功能能及传输功功能采用CC80511F3400单片机上上集成的UUSB和110位ADDC转换模模块来实现现。采集模块的的总体电路路原理图 图3.113 采集集模块的原原理总图本系统主要要有两大部部分：上位位机微处理理器控制系系统和下位位机测量系系统。上位位机微处理理器控制系系统是控制制系统的核核心，是负负责与下位位机通信并并完成信息息收集和与与计算机串串口通信功功能的，具具体由通过过单片机内内部集成的的USB与与计算机的的连接部分分、单片机机和信号分分析三部分分组成。下下位机测量量系统负责责对测量点点的振动信信号测量，上上位机控制制系统的主主要组成硬硬件有： C80551F3440单片机机、下位机机信息采集集系统的硬硬件组成有有振动信号号传感器、CC80511F3400单片机、774CH114信号处处理芯片。C8051F340单片机74CH14AD544LPC机MAX232图3.144 下位机结构构图MAX232PC机C8051F340单片机AD544L74CH14图3.155 上位机机结构图4 系统软软件设计系统的软件件主要是根根据单片机机对振动信信号的分析析，利用CC语言和汇汇编语言在在MATLLAB软件件中实现的的通过导入入数字信号号中实现轴承承故障的诊诊断跟检测测。4.1主程程序方案主程序调用用三个子程程序，分别别是振动信信号采集程程序、特征征故障频率率选择程序序、数据上上传程序。（1） 振振动信号采采集程序：对信号采采集模块送送过来的数数据进行处处理，进行行判断。（2）数据据上传程序序：检测采采集过来的的含有故障障特性频率率的数字信信号。（3） 系系统框图见见附录4.2主要要流程图介介绍按照模块化化设计的思思想，系统统中各主要要功能模块块均编成独独立的函数数在主程序序中加以调调用，程序序主要由以以下功能模模块组成：基于744CH144触发器震震动信号采采集函数、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方方案，本系系统的软件件设计采用用模块化、结结构化得设设计方法，整整个系统为为上位机程程序设计部部分和下位位机程序部部分，其中中下位机主主要包括信信号监测模模块、数据据转换模块，上上位机主要要包括数据据处理模块块。软件的的整体设计计流程如图图。整个系系统的各个个部分都是是服务于数数据处理这这个目的。所所以，在整整个系统的的软件设计计中，数据据处理是关关键。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 主程序序流程图由于轴承的的振动产生生的振动频频率经振动动传感器转转换为振动动信号，由由于信号的的电压很低低，需要基基于AD5554L放放大芯片的的放大电路路进行放大大，然后再再由滤波电电路进行滤滤波，才能能获得A/D转换器器所需要的的具有特征征振动频率率的模拟信信号，由AA/D转换换器进行模模转数，获获得数字信信号。由于本系统统不需要电电脑与单片片机进行反反馈，C80551F3440单片机机用于对轴轴承故障诊诊断中测试试信号的采采集, 由于CC80511F3400单片机内内部集成了了高精度时时钟源、电电压调节器器、A/DD转换器以以及用于AA/D转换换的参考电电压源等丰丰富的片上上外设, 因此在对对数据采集集模块硬件件设计时, 无需扩扩展上述模模块, 使使得硬件结结构简单, 集成度度高. 通通过片上MMAX2332接口, C80051F3340单片片机与PCC机连接; REGGIN为内内部电压调调节器输入入端, 可可以外接55V电源, 也可以以与VBUUS连接, 单片机机由USBB供电. 此时, C80551F3440单片机机的VDDD端可看作作+3. 3V电源源, 可给给外部器件件供电. P2. 0 PP2. 33为四路模模拟输入通通道. CC80511F3400单片机片片内10位位A/D测测量的输入入范围为00VREEF* 11023/10244,选择内内部参考电电压VREEF=2. 44VV, 因加加速度传感感器电压输输出范围为为- 122 + 12V, 需加处处理电路，使其达达到单片机机A/D的的可测量范范围。设备启动初始化YD-12Pc机初始化AD544L初始C8051F340内部的10位AD转换模块MAX232串口图4.2 信号采集集及传输的的流程图4.2.22 ADD采集使用C80051F3340单片片机内部集集成的100位ADCC对四路信信号采样. 经过滤滤波和检波波之后, 振动信号号为包含故故障特征的的低频信号号, 频率率范围仅为为数KHzz, 故由由采样定理理知采样频频率选择225KHzz已足够。 ADCC0转换启启动方式为为定时器22溢出启动动,定时器器2工作于于16位自自动重装载载模式, 其重装载载值决定AADC0的的采样频率率. 使用用C