Виброметр

ФИЛИАЛ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ МЭИ»»

 в г. Смоленске

 

Кафедра вычислительной техники

 

 

 

 

 

«Виброметр.

Расчетно-пояснительная  записка»

 

 

 

 

                        Руководитель:

___________ Аверченков О.Е

"___" ______________2012г

 

 

 

Автор работы:

студент группы ВМ-09

____________Соловьева А.А.

"___" _____________ 2012г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Смоленск

2012

Аннотация

 

Курсовая работа по курсу «Схемотехника ЭВМ» на тему «Виброметр ». 

Цель работы – создание устройства, позволяющего определить максимальный сигнал от датчика вибрации и вывести на индикатор величину этой вибрации. 
Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе содержит:

• листов – 27;
• рисунков – 110;
• таблиц – 2;
• приложений – 3;
• источников – 10;

 

В ходе разработки данного  устройства рассматривались варианты различных схем аналого-цифрового преобразователя, формата хранения данных о величине вибрации в памяти микроконтроллера, различных схем индикации.

Техническое решение  устройства предложено на базе ОВМ  семейства x51 AT89C51 фирмы Atmel. Устройство представляет собой схему с  индикатором, кнопками для управления периодами снятия показаний с датчика, т.е. запуска, сброс.

Разработано ПО для управления устройством.

 

Оглавление

 

 

Техническое задание

        
          Разработать устройство, способное регистрировать сигнал с вибродатчика и определять уровень вибрации в соответствии с образцовым напряжением аналого-цифрового преобразователя, а также важным является частота, с которой мы будем снимать сигнал. Она должна соответствовать как способностям процессора, так и скорости изменения амплитуды сигнала. Однокристальный микропроцессор будет обрабатывать данные с датчика, а также управлять индикацией.

 

Требования к устройству:

 

1. Устройство должно быть автономным, питающимся за счет внутреннего источника постоянного напряжения, к примеру, от батареек.
2. Устройство должно предоставить возможности запуска или сбрроса.
3. Диапазон рабочих частот должен соответствовать скорости микропроцессора и скорости изменения амплитуд сигнала с датчика.
4. Должны быть средства для индикации максимального уровня вибрации.

 

Назначение и  область использования

 

Разработанное устройство может быть использовано, прежде всего, для определения дисбаланса вращения некоторой турбины. Вот несколько из вариантов применения виброметра:

1. Для измерения дисбаланса на изношенном карданном вале;
2. для поиска разбалансировки на турбинах различного типа;
3. для определения максимальной вибрации некоторой плоскости промышленного оборудования с целью ее устранения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

Эксплуатация современного промышленного оборудования и средств транспорта сопровождается значительным уровнем шума и вибрации, негативно влияющих на состояние здоровья работающих. С точки зрения безопасности труда шум и вибрация – одни из наиболее распространенных вредных производственных факторов на производстве, которые при определенных условиях могут выступать как опасные производственные факторы. Кроме шумового и вибрационного воздействия, вредное влияние на человека в процессе труда могут оказывать инфразвуковые и ультразвуковые колебания.

Приборов контроля, как в лабораториях, так и на производствах, сегодня множество, практически можно измерить и осуществить контроль любых параметров при изготовлении и эксплуатации материалов и изделий из них. Основная область использования виброметра – это эксплуатационный и технологический контроль промышленных объектов, оснащённых роторным оборудованием и подшипниковыми узлами, то есть контроль функционирования редукторов, систем управления и охлаждения, генераторов переменного тока, выхлопных трактов, передач, а также своевременное выявление неполадок в работе подшипников и системы торможения. 
         В бытовом оборудовании прибор применяют для контроля качества в процессе изготовления таких изделий, как стиральные машины, пылесосы, телевизионные лампы, телефоны, узлы компьютеров или инструменты, оснащённые электроприводом. 

Таким образом, устройство, измеряющее максимальную вибрацию некоторой поверхности, можно использовать для устранения и контроля уровня вибрации в производстве.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структурная схема  и общий алгоритм работы устройства.

 

Рисунок 1. Структурная схема устройства

 

Устройство работает следующим образом: 
при нажатии на клавиатуре кнопки «пуск» мы разрешаем устройству считывать сигнал с датчика вибрации, который попадает сперва на усилитель, затем на аналого-цифровой преобразователь, и далее цифровой сигнал сохраняется в памяти процессора. Таким образом в течение определенного периода времени мы собираем оцифрованные значения с датчика. Далее процессор обрабатывает массив данных и находит наибольшее значение из снятых и выводит его на индикатор, благодаря которому инженер, исследующий некоторый объект на наличие вибрации мог оценить ее величину. 

Состав устройства

 

Исходя из технических  требований и структурной схемы, в состав устройства будут входить следующие узлы: 
 1)Микропроцессор – производит запись и хранение данных с датчика, а затем обрабатывает эти значения.

2)Клавиатура – состоит  из 2 кнопок, предназначается для управления процессом считывания сигнала с аналого-цифрового преобразователя.

3)Средство индикации – двухразрядный семисегментный индикатор.

           4)Усилитель – неинвертирующий  УНЧ для сигнала от вибродатчика.

           5)АЦП – преобразовывает аналоговый  сигнал от датчика в цифровой для записи в память процессора.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Выбор, обоснование  и расчет отдельных узлов

 

 

Выбор микропроцессора

 

В качестве однокристального микропроцессора для данной работы будет использоваться AT89C8051. Процессор имеет небольшие габариты, количество портов ввода-вывода хватит, чтобы обслужить узлы, присутствующие на структурной схеме. Имеет встроенную флэш-память, объемом в 4Кб, для четырех музыкальных фраз этого вполне достаточно.  Также немаловажной причиной выбора именно этой микросхемы, является наличие в составе двух независимых таймеров, которые обеспечат формирование прямоугольных импульсов. Также микропроцессор предусматривает работу на частоте 12МГц, при напряжении в 5 вольт. Выбор данного напряжения питания обусловлен требованием, что устройство должно работать от батареек. Частота внешнего кварца в 12МГц. Ток потребления в активном режиме на частоте 12 МГц не превышает 15 мА при 6В.

 

Рисунок 2. Условное графическое обозначение AT89S51

 

Для подключения процессора требуется кварцевый резонатор, 2 конденсатора и элементы сбрасывающей RC- цепочки. Частота кварцевого резонатора оговорена в техническом задании и составляет 12 МГц. Будет использоваться резонатор HC-49U. Ёмкость обрамляющих конденсаторов С1-С2 для такого типа резонаторов описана в технической документации к микропроцессору и составляет 30 пФ. Будем использовать 2 отечественных керамических конденсатора КМ5Б М47 33пФ, 10%. Сбрасывающую RC-цепочку рассчитывают исходя из времени разгона микропроцессора. Для кварцевого резонатора частотой в 12МГц, время составляет 1,2 мс. Как правило, время берется с большим запасом. Возьмем постоянную времени . Учитывая, что микропроцессор AT89S8051 уже содержит в своём составе подтягивающий резистор , внешний резистор при этом можно исключить. Рассчитаем величину емкости С3:

Из стандартного ряда значений наиболее близко находится конденсатор с емкостью 1мкФ. Будет использоваться К-35 имп. 1мкФ*160В. Постоянная времени в этом случае

 

Клавиатура

 

В виброметре в состав клавиатуры будут входить 2 контактных ключей, возвращающиеся в исходное положение после нажатия. Логика работы схемы основана на том, что если ключ разомкнут, то на выводе микропроцессора, благодаря внутреннему подтягивающему резистору, устанавливается высокий потенциал, если замкнут, то вывод соединяется с землей, потенциал становится равным нулю.

 

 

 

 

 

 

 

Схема  имеет следующий  вид:

 

Рисунок 3. Устройство клавиатуры

 

В качестве ключей SB1, SB2 будут использоваться тактовые кнопки TC-0403. Рабочее напряжение 12В. Максимальный ток составляется 0.05А

 

Средства индикации

 

В качестве микросхем индикаторов  будем использовать семисегментный одноцветный индикатор КИПЦА38-3/8. Для управления схемами индикации  необходимо устройство, преобразующее  двоичный код на выходах счетчиков  в код управления индикатором. Таким  устройством является дешифратор. Совместно с КИПЦ38А-3/8 применяется дешифратор К514ИД1. Он представляет собой четырех разрядный дешифратор для семисегментных полупроводниковых цифровых индикаторов с разъединенными анодами сегментов. Условное графическое обозначение К514ИД1 представлено на рис. 3.а, КИПЦ38А-3/8 на     рис. 3.б.

рис. 4. Условное графическое обозначение микросхем

К514ИД1 (а) и КИПЦ38А-3/8 (б)

К514ИД1.

Назначение выводов:

1, 2, 4, 5 – входы;

3 – вход гашения;

6 –  общий;

7, 8, 9,  10,  11,  12,   13 – выходы;

14 – напряжение питания. 

Электрические параметры:

Номинальное напряжение питания	5 В ± 5%
Ток потребления	£ 50 мА
Выходной ток низкого уровня	£ 0,3 мА
Выходной ток высокого уровня	2,5…4,6 мА
Входной ток низкого уровня при  U0вx = 0,4В	£|-1,6| мА
Входной ток высокого уровня при  U1вx = 2,4В	£ 1 мА
Входной ток высокого уровня при  максимальном входном напряжении Uвx = 5B	£ 0,07 мА

 
Предельно допустимые режимы эксплуатации:

Ток нагрузки на каждом выходе	7,5 мА
Напряжение источника питания	5,25 В
Входное напряжение, не более	5,25 В

 

КИПЦ38А-3/8.

Назначение выводов:

1- сегмент E, 2- сегмент D , 3- сегмент H, 4 – сегмент C, 5- сегмент G, 7 - сегмент B, 10 - сегмент F, 11- сегмент A;

12 – общий1, 9 – общий2, 8 – общий3;

6 – отсутствует. 
 
 

Электрические параметры:

Номинальное напряжение питания	5 В ± 5%
Ток потребления	£ 10 мА
Диапазон рабочих температур	-55..55°С

Динамическая индикация основывается на инерционности человеческого зрения, что позволяет обслуживать индикаторы по очереди. Для этого необходимо подавать питание только на один индикатор на определенное время. Для такого управления я использую инвертор К561ЛН1 с повышенной нагрузочной способностью, но все 6 логических схем «не» мне не требуется. Я использую три из них. 

 
рис. 5. Инвертор.

 
Усилитель.

 
Усилитель должен быть по возможности  достаточно быстродействующим. Для  реализации устройства был выбран усилитель 140УД7. Частотный диапазон данного  достаточно велик и составляет 0,8 МГц. Скорость нарастания выходного  сигнала составляет V_Uвых =10  В/мкс. 

 

 

Рисунок 7. Неинвертирующий усилитель низкой частоты

 
Усилитель охвачен цепью обратной связи. Она выполнена в виде сопротивлений  R3  и R4. Обратная связь по способу суммирования входного сигнал и сигнала обратной связи является последовательной.

Нам требуется  усилить напряжение с датчика вибрации  от 0,1 мВ до 1 В. Т.е. требуется обеспечить коэффициент  усиления  K_ус = = =10000

Таким образом, K_ус= K_оос=1 + =10000

Сопротивления R₁ и R₂ ограничены сверху и снизу.  Сумма R3 и R4 не должна быть слишком малой. R₃ >> R4, поэтому выберем R3= 500 К, тогда

R4=

R3 = 50 Ом  
R5=R3=50 Ом, чтобы минимизировать токовую составляющую нулевого уровня. На рабочих частотах емкостные сопротивления конденсаторов на входе и выходе можно не учитывать, так что возьмем емкости C4=C5=0,5мкФ 
                                 Аналого-цифровой преобразователь(АЦП). 
В нашей схеме нам просто необходимо электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. АЦП КР572ПВ3 решит эту проблему. 
 
Рис.8. Типовая схема включения АЦП КР572ПВ3.

В своей схеме я  использую те же параметры резисторов и конденсатора.  Это двоичный 8-ми разрядный АЦП, способен выдать 256 дискретных значений, однако для решения нашей задачи вполне будет достаточно 30 дискретных значений.  
Параметры:  
           входное напряжение, ..... 10;