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：本文介绍了一种基于单片机的发动机振动速度、位移和加速度测量方法。该方法首先对发动机的振动传感器信号进行高、低通滤波，然后通过模拟开关将其转化为电压信号，再经过RMS幅值测量元件和压频转换器转变成频率信号，由单片机对频率信号进行计数、计算和显示测量结果。对振动速度进行积分和微分，可得到振动位移和加速度，实测结果表明，该方法可以有效地减少环境因素对电子元件的影响，提高测量精度。

关键词：单片机　振动速度　振动位移　振动加速度

1 引言

在航空发动机中，对振动的监控具有重要的作用，它可以有效的分析发动机的工作情况，同时振动值也是发动机性能评定的重要标准之一，而如何正确测量发动机的振动参数，如振动的速度，位移和加速度也就成为了一个重要的研究内容。本文即从此方向入手，进行一种方法的论述与实现。

2　测量原理分析

由于发动机振动速度传感器输出的频率信号与发动机振动速度成正比，可采用频率测量法，即通过测量发动机传感器的输出频率来得到相应的振动速度。同时，由发动机振动形成机理和实践经验可知，传感器的输出频率中混杂有高频和低频噪声信号，为了提高测量精度，必须将其过滤掉，因此首先对得到的振动速度信号进行放大和高、通滤波处理。振动的速度、位移和加速度信号之间存在着一定的关系，将滤波后的振动速度信号经过积分，可得到振动位移信号，经过微分，可得到振动的加速度信号。为了提高测量的准确性，通过模拟开关和RMS幅值测量元件将上述信号转化为0-5伏的电压信号，再经过VFC转化芯片，将电压信号转化为频率信号，这样可得到非常稳定的频率信号，然后输入到单片机T0引脚进行计数。

脉冲频率的计数由单片机内部16位计数器完成，计数的闸门时间(时基)由晶振提供，此设计中还利用了数字滤波技术来提高转速的测量精度和测量稳定性。

在设计中，为了提高系统的维护性，增加了自校功能，将选择开关打到“自校”时，由频率信号给定器给出频率信号送入系统中，通过看输出结果来决定是否进行校正。同时为了方便使用，加入灵敏度系数调整机制，并在每次系统开机后自动由E2PROM加载到系统的内存RAM中，在调整了灵敏度值、系统关机或突然断电的时候，会由中断程序将当前灵敏度值保存到E2PROM中，方便下次的使用(见图2主程序流程图)。为了保证系统的可靠性，看门狗电路也是不可少的。

3　具体实现

3.1 　测量振动量

根据上面的分析，进行硬件的设置，绘制测量系统的总体框图如图1所示。

图1　总体框图

通过速度传感器得到振动速度信号后，进行放大和高、低通滤波处理。滤波后，分为三路，一路经过运放匹配电路，得到振动速度信号，一路经过积分电路，得到振动位移信号，一路经过微分电路，得到振动的加速度信号。三种信号经过测量选择开关的选择，将欲测量的一路信号通过模拟开关，输送到RMS幅值测量元件AD637中，将其转化为0-5伏的电压信号，再经过VFC转化芯片，将电压信号转化为频率信号，然后输入到单片机T0引脚进行计数。

MCS－51系列单片机内部设置了两个16位可编程的定时器/计数器T0和T1，它们具有计数器和定时器两种工作方式和四种工作模式，通过设置状态字，可以方便的选择适当的工作方式与工作模式；同时，单片机设有两个外部中断，相应信号输入引脚是INT0和INT1，用于输入外部中断源的中断请求信号。在此，采用计数器T0的16位计数模式，用于对输入频率信号的计数，T1采用定时方式，定时时间为0.1s，4次定时0.4s，在中断服务程序中读取T0内容并计算和显示振动值,具体见图4，T1中断服务程序流程图(可根据DIP开关选择滤波系数和显示刷新率)。显示值由P3口的低四位输出百位显示数据，由P2口的高四位输出十位显示数据，P2口的低四位输出个位显示数据。分别驱动14513进行显示。

3.2  调整开关

灵敏度系数调节通过INT1来完成，如图1所示的粗调或细调信号由一个开关按钮产生，即按下按钮后产生一个逻辑低电平信号，此信号在送往INT1引脚并引起中断的同时，也送到P1的高四位，这样，扩展了中断源的判断信息，在INT1的中断服务程序中，同时对相应的P1口的引脚信号进行判断，进而执行不同的处理程序，详见图5，INT1中断服务程序。同时，对调节后的灵敏度值进行边界条件的判断，即最大值与最小值的判断。若进行粗调或细调后所得到的灵敏度系数为0或大于999，则系统认为是不合法(在第一次上电时的情况)，重置为200，然后闪烁显示4～5次。

3.3　存储模块

在INT0中断中完成断电保存灵敏度系数SENS的工作，SENS分两字节保存，SENS_H存贮于24C04的020H; SENS_L存贮于021H单元，因为MCS－51系列单片机中没有内置的I2C接口，所以，采用软件模拟硬件电路信号的方法，用P3口的两个引脚来当作SDA，SCL信号线，接口信号对应关系：SDA对应P3.0，SCL对应P3.1引脚。程序流程见图3 INT0中断。

3.4　看门狗电路

单片机在不读取片外的扩展芯片时，ALE引脚输出一定频率的时钟信号，看门狗电路的频率信号即取自此引脚，该信号经过两片CD4020分频后，送到RESET复位引脚，而CD4020的RESET信号由T1引脚阶段性输出，当程序正常运行时，有意识地阶段性地用指令给T1引脚置低电平，因此在T1引脚不断的送出复位信号，此信号不断地对CD4020的计数进行清除，所以永远达不到对单片机的复位的计数信号要求。当程序走飞时，因为不能正常地执行程序，所以T1引脚不能送出复位信号，不能对CD4020进行复位，因此，当计时到一定时间时，就会有复位信号送到单片机的RESET复位引脚，使系统强制复位，程序从0000H重新开始执行，系统回到正确运行状态，进行信号的测量与正常显示。

3.5　 滤波系数和显示刷新率

因为采用了数字滤波技术，为了调整滤波系数和显示的刷新率，以满足不同要求，在P1口加了一个滤波系统设置装置，即一个DIP开关，将其拨到“ON”位置，则接＋5V电压，此时读取引脚时得到逻辑1信号，将其拨到“OFF”位置，则接地，此时读取引脚时得到逻辑0信号，由此可根据DIP开关选择滤波系数和显示刷新率。

3.6　程序流程

图2　主程序                          图3 INT0中断               图4　T1中断服务程序

3.7  操作面板设计

在操作面板中，设计一个3位显示窗，用于显示发动机测得的振动测量值；一个“测量/自校”开关，用于系统的测量与自校准模式的选择，可选择“自校”方式，进行仪器自我检验，打到“测量”，则进行系统的测量。一个三档测量选择开关，用于选择测量并显示的是振动的速度，位移还是加速度值，粗调或细调信号开关按钮可采用触摸开关设计，电源插座和开关放在仪器的背面。

图5　INT1中断服务程序

4　结束语

本系统基于单片机完成发动机振动速度、位移和加速度信号的测量，因为采用了RMS幅值测量和VFC转换，提高了测量的精度、准确性和工作效率。系统中设置有灵敏度调整，可以根据实际工作情况调整，并在调整完成后关机或是系统断电时自动保存到E2PROM，方便用户的使用。同时系统中设置有看门狗复位电路，能够自动监控程序的运行，在系统走飞死机时可自动复位，重新进入正常运行状态，提高了可靠性，可由DIP开关选择滤波系数和显示刷新率，以满足不同要求。本系统已经投入到实际的测量应用当中，并被证明可完全满足实际工作要求。

5　参考文献

[1]吴道悌 . 非电量电测技术[M] . 西安交通大学出版社，2002

[2]马忠梅，籍顺心 . 单片机的C语言应用程序设计[M] . 北京航空航天大学出版社，2001

[3]李军，华建国 . 飞机推进系统原理[M] . 空军工程大学工程学，1992

[4]江晓安，董秀峰 . 模拟电子技术[M] . 西安电子科技大学出版社，2003

[5]张振荣，晋明武等 . MCS－51单片机原理及应用技术[M] . 人民邮电出版社，2000

作者简介：王育虔(1980—)，男，湖南隆回人，空军工程大学工程学院航空宇航推进系统理论与工程专业，2003级硕士研究生；研究方向：航空推进系统状态监控与故障诊断

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