Single-chip microcomputer-based measuring of engine vibration　 speed、displacement and acceleration

Abstract: This paper presents a measuring method of engine vibration speed、displacement and acceleration。At first the signal from vibration senor of engine was filtered by low-pass and high-pass filters, then changed into voltage signal through a analog switch , measured by RMS and changed into frequency signal again through VFC。 The frequency signal was counted and displayed by the single-chip microcomputer. Integrating the vibration speed, we can get vibration displacement and differentiating it we can get vibration acceleration. The result indicates that this method can reduce the effects of environment and improve the precision of measuring.

Keywords: single-chip microcomputer? vibration speed? vibration displacement vibration acceleration

摘要：本文介紹了一種基于單片機的發動機振動速度、位移和加速度測量方法。該方法首先對發動機的振動傳感器信號進行高、低通濾波，然后通過模擬開關將其轉化為電壓信號，再經過RMS幅值測量元件和壓頻轉換器轉變成頻率信號，由單片機對頻率信號進行計數、計算和顯示測量結果。對振動速度進行積分和微分，可得到振動位移和加速度，實測結果表明，該方法可以有效地減少環境因素對電子元件的影響，提高測量精度。

關鍵詞：單片機　振動速度　振動位移　振動加速度

1 引言

在航空發動機中，對振動的監控具有重要的作用，它可以有效的分析發動機的工作情況，同時振動值也是發動機性能評定的重要標準之一，而如何正確測量發動機的振動參數，如振動的速度，位移和加速度也就成為了一個重要的研究內容。本文即從此方向入手，進行一種方法的論述與實現。

2　測量原理分析

由于發動機振動速度傳感器輸出的頻率信號與發動機振動速度成正比，可采用頻率測量法，即通過測量發動機傳感器的輸出頻率來得到相應的振動速度。同時，由發動機振動形成機理和實踐經驗可知，傳感器的輸出頻率中混雜有高頻和低頻噪聲信號，為了提高測量精度，必須將其過濾掉，因此首先對得到的振動速度信號進行放大和高、通濾波處理。振動的速度、位移和加速度信號之間存在著一定的關系，將濾波后的振動速度信號經過積分，可得到振動位移信號，經過微分，可得到振動的加速度信號。為了提高測量的準確性，通過模擬開關和RMS幅值測量元件將上述信號轉化為0-5伏的電壓信號，再經過VFC轉化芯片，將電壓信號轉化為頻率信號，這樣可得到非常穩定的頻率信號，然后輸入到單片機T0引腳進行計數。

脈沖頻率的計數由單片機內部16位計數器完成，計數的閘門時間(時基)由晶振提供，此設計中還利用了數字濾波技術來提高轉速的測量精度和測量穩定性。

在設計中，為了提高系統的維護性，增加了自校功能，將選擇開關打到“自校”時，由頻率信號給定器給出頻率信號送入系統中，通過看輸出結果來決定是否進行校正。同時為了方便使用，加入靈敏度系數調整機制，并在每次系統開機后自動由E2PROM加載到系統的內存RAM中，在調整了靈敏度值、系統關機或突然斷電的時候，會由中斷程序將當前靈敏度值保存到E2PROM中，方便下次的使用(見圖2主程序流程圖)。為了保證系統的可靠性，看門狗電路也是不可少的。

3　具體實現

3.1 　測量振動量

根據上面的分析，進行硬件的設置，繪制測量系統的總體框圖如圖1所示。

圖1　總體框圖

通過速度傳感器得到振動速度信號后，進行放大和高、低通濾波處理。濾波后，分為三路，一路經過運放匹配電路，得到振動速度信號，一路經過積分電路，得到振動位移信號，一路經過微分電路，得到振動的加速度信號。三種信號經過測量選擇開關的選擇，將欲測量的一路信號通過模擬開關，輸送到RMS幅值測量元件AD637中，將其轉化為0-5伏的電壓信號，再經過VFC轉化芯片，將電壓信號轉化為頻率信號，然后輸入到單片機T0引腳進行計數。

MCS－51系列單片機內部設置了兩個16位可編程的定時器/計數器T0和T1，它們具有計數器和定時器兩種工作方式和四種工作模式，通過設置狀態字，可以方便的選擇適當的工作方式與工作模式；同時，單片機設有兩個外部中斷，相應信號輸入引腳是INT0和INT1，用于輸入外部中斷源的中斷請求信號。在此，采用計數器T0的16位計數模式，用于對輸入頻率信號的計數，T1采用定時方式，定時時間為0.1s，4次定時0.4s，在中斷服務程序中讀取T0內容并計算和顯示振動值,具體見圖4，T1中斷服務程序流程圖(可根據DIP開關選擇濾波系數和顯示刷新率)。顯示值由P3口的低四位輸出百位顯示數據，由P2口的高四位輸出十位顯示數據，P2口的低四位輸出個位顯示數據。分別驅動14513進行顯示。

3.2? 調整開關

靈敏度系數調節通過INT1來完成，如圖1所示的粗調或細調信號由一個開關按鈕產生，即按下按鈕后產生一個邏輯低電平信號，此信號在送往INT1引腳并引起中斷的同時，也送到P1的高四位，這樣，擴展了中斷源的判斷信息，在INT1的中斷服務程序中，同時對相應的P1口的引腳信號進行判斷，進而執行不同的處理程序，詳見圖5，INT1中斷服務程序。同時，對調節后的靈敏度值進行邊界條件的判斷，即最大值與最小值的判斷。若進行粗調或細調后所得到的靈敏度系數為0或大于999，則系統認為是不合法(在第一次上電時的情況)，重置為200，然后閃爍顯示4～5次。

3.3　存儲模塊

在INT0中斷中完成斷電保存靈敏度系數SENS的工作，SENS分兩字節保存，SENS_H存貯于24C04的020H; SENS_L存貯于021H單元，因為MCS－51系列單片機中沒有內置的I2C接口，所以，采用軟件模擬硬件電路信號的方法，用P3口的兩個引腳來當作SDA，SCL信號線，接口信號對應關系：SDA對應P3.0，SCL對應P3.1引腳。程序流程見圖3 INT0中斷。

3.4　看門狗電路

單片機在不讀取片外的擴展芯片時，ALE引腳輸出一定頻率的時鐘信號，看門狗電路的頻率信號即取自此引腳，該信號經過兩片CD4020分頻后，送到RESET復位引腳，而CD4020的RESET信號由T1引腳階段性輸出，當程序正常運行時，有意識地階段性地用指令給T1引腳置低電平，因此在T1引腳不斷的送出復位信號，此信號不斷地對CD4020的計數進行清除，所以永遠達不到對單片機的復位的計數信號要求。當程序走飛時，因為不能正常地執行程序，所以T1引腳不能送出復位信號，不能對CD4020進行復位，因此，當計時到一定時間時，就會有復位信號送到單片機的RESET復位引腳，使系統強制復位，程序從0000H重新開始執行，系統回到正確運行狀態，進行信號的測量與正常顯示。

3.5　 濾波系數和顯示刷新率

因為采用了數字濾波技術，為了調整濾波系數和顯示的刷新率，以滿足不同要求，在P1口加了一個濾波系統設置裝置，即一個DIP開關，將其撥到“ON”位置，則接＋5V電壓，此時讀取引腳時得到邏輯1信號，將其撥到“OFF”位置，則接地，此時讀取引腳時得到邏輯0信號，由此可根據DIP開關選擇濾波系數和顯示刷新率。

3.6　程序流程

圖2　主程序???????????????????????? ?圖3 INT0中斷???????????????圖4　T1中斷服務程序

3.7? 操作面板設計

在操作面板中，設計一個3位顯示窗，用于顯示發動機測得的振動測量值；一個“測量/自校”開關，用于系統的測量與自校準模式的選擇，可選擇“自校”方式，進行儀器自我檢驗，打到“測量”，則進行系統的測量。一個三檔測量選擇開關，用于選擇測量并顯示的是振動的速度，位移還是加速度值，粗調或細調信號開關按鈕可采用觸摸開關設計，電源插座和開關放在儀器的背面。

圖5　INT1中斷服務程序

4　結束語

本系統基于單片機完成發動機振動速度、位移和加速度信號的測量，因為采用了RMS幅值測量和VFC轉換，提高了測量的精度、準確性和工作效率。系統中設置有靈敏度調整，可以根據實際工作情況調整，并在調整完成后關機或是系統斷電時自動保存到E2PROM，方便用戶的使用。同時系統中設置有看門狗復位電路，能夠自動監控程序的運行，在系統走飛死機時可自動復位，重新進入正常運行狀態，提高了可靠性，可由DIP開關選擇濾波系數和顯示刷新率，以滿足不同要求。本系統已經投入到實際的測量應用當中，并被證明可完全滿足實際工作要求。

5　參考文獻

[1]吳道悌 . 非電量電測技術[M] . 西安交通大學出版社，2002

[2]馬忠梅，籍順心 . 單片機的C語言應用程序設計[M] . 北京航空航天大學出版社，2001

[3]李軍，華建國 . 飛機推進系統原理[M] . 空軍工程大學工程學，1992

[4]江曉安，董秀峰 . 模擬電子技術[M] . 西安電子科技大學出版社，2003

[5]張振榮，晉明武等 . MCS－51單片機原理及應用技術[M] . 人民郵電出版社，2000

作者簡介：王育虔(1980—)，男，湖南隆回人，空軍工程大學工程學院航空宇航推進系統理論與工程專業，2003級碩士研究生；研究方向：航空推進系統狀態監控與故障診斷

通訊地址：西安空軍工程大學工程學院研究生二隊? 郵??? 編：710038

總結

以上是生活随笔為你收集整理的51单片机基本刷屏测试实验_基于单片机的发动机振动速度、位移和加速度测量方法...的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。