大型风电机组塔筒振动应变测量系统主程序设计.docx
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大型风电机组塔筒振动应变测量系统主程序设计
湖南科技大学机电工程学院
课程设计任务书
课程设计名称
专业综合课程设计
课程设计题目
大型风电机组塔筒振动、应变测量系统
学生姓名
年级
专业
测控技术与仪器
学号
指导教师
单位
湖南科技大学机电工程学院
课程设计起止日期
2015年12月28日~2015年1月17日
设计内容：
（1）大型风电机组塔筒振动、应变测量系统
（2）中央处理系统模块
任务与要求：
（1）提出合理的振动、应变测量系统总体设计方案；
（2）中央处理系统组成及结构分析；
（3）主程序的流程图设计；
（4）对各个模块的子程序地址安排以及I/0选择；
（5）实现各个模块较为合理组合；
（6）综合电路基于PROTUES的仿真；
（7）单片机实物焊接时，各模块位置编排，力求美观合理；
（8）单片机实物调试；
主要参考资料：
[1]潘永雄.单片机原理与应用.北京:
电子工业出版社,2002
[2]徐新艳.单片机及工程应用.北京:
高等教育出版社,2005
[3]张毅刚.单片机原理及应用.北京高等教育出版社,2004
[4]戴胜华.单片机原理与应用北京:
北方交通大学出版社,2005
[5]周坚.单片机轻松入门.北京:
北京航空航天大学出版社,2004
大型风电机组塔筒振动、应变测量系统
摘要：
塔筒是风力发电机组中的主要支撑装置，必须有足够的强度、刚度和稳定性以保证机组安全可靠运行。
本项目通过在测量塔筒的应变和振动基础上，设定应变和振动的阈值，当塔筒所受的振动和应变超过阈值的时候，所设计的设备会报警，提示工作人员进行维修和检测。
设备的中央控制芯片是单片机，通过单片机的自动控制最终实现对风力发电机塔筒的监控。
关键词:
风力机;塔筒;振动;应变
第一章、总体方案设计
1.1大型风电机组塔筒振动、应变测量系统的现状
1.1.1概述
塔筒是风力发电机组（风力机）中的主要支撑装置，它将机舱和风轮托举到所需的高度。
在机组的整个寿命周期内，塔筒在受到风轮、机舱以及自身重力作用的同时，还要受到各种风况（正常风况、极端风况）引起的动载荷作用，承受大小和方向随时变化的疲劳载荷和极限载荷。
因此设计时必须保证塔简具有足够的强度、刚度和稳定性。
塔筒的振动分析与控制是风力机在设计过程中必须进行的工作之一。
由于风轮在一定范围内转动，且风轮的转速时刻都在发生变化，因此设计时必须考虑风力发电机组运行时变载荷、变转速的特性，通过对各个部件动态特性及其耦合特性的设计，保证整个机组在工作过程中平稳及安全可靠地运行。
通过对塔筒振动和应变的测量和分析，可以了解实际工作过程中塔筒的振动水平，从而对塔筒进行优化设计。
1.1.2塔筒的载荷分析
目前，风电机组塔筒大都为锥形结构，其顶端安装有较大质量的机舱和在风载荷作用下旋转的风轮。
概括起来，作用在塔筒上的载荷主要有以下几类：
1）气动力：
作用在塔筒顶部的风轮上的气动力是塔筒载荷的主要来源。
此外，风载荷直接作用在塔筒上也会对塔筒产生动载荷。
2）重力：
机舱和风轮重力直接作用于塔筒顶部，是塔筒设计和机组安装时必须考虑的一个重要参数。
机舱和风轮的重心位置也是设计时必须考虑的一个重要参数。
3）惯性载荷：
由于风载荷的随机性，会引起塔筒的振动，而这种振动会产生惯性力，不但引起塔筒的附加应力，而且还会影响塔筒顶端叶轮的变形和振动。
4）控制系统的运行载荷：
风电机组在运行过程中，控制系统和保护系统使机组启动、停车（包括紧急停车）、偏航、变桨、脱网时，都会引起机组结构和塔筒部件的载荷变化。
塔筒受到多种载荷的共同作用，特别是由于风载荷的随机性，必然引起塔筒的变形和振动，而这种振动不但会引起塔筒的附加应力，而且有可能与叶片产生共振，从而影响整个风电机组组的稳定性。
因此，在风电机组组塔架设计中，必须对塔筒进行动力学分析，合理设计塔筒的强度和刚度。
通过对塔筒进行模态分析，动力响应计算等，使塔架频率（主要为一阶频率）与叶片的通过频率之间错开一定的数值，而且把机组和塔筒的振动都控制在一定的范围内。
对于钢制锥形塔筒，把机舱、风轮等近似作为集中质量作用于塔筒顶部，其1阶固有频率可用下式进行估算：
（1-1）
式中：
E—塔筒材料弹性模量
I—塔筒截面惯性矩
H—塔筒高度
m1—塔架质量
m2—机舱及风轮质量
目前，风电机组塔筒的动力学分析主要通过有限元方法（FEM）进行。
1.2提出振动、应变系统测量方案
大型风电机组塔筒振动、应变测量系统；将该系统分为5个模块：
供电电源模块、振动信号采集模块及子程序、应变信号采集模块及相应子程序、中央处理系统及人机界面、主程序及数据处理子程序）
1、供电电源模块
1）供电电源组成及结构分析
2）根据其他模块的需求，提供不同的电压
2、振动信号采集模块及子程序
1）振动传感器功能及选型分析
2）振动测量模块的测量特性分析
3）振动测量模块与单片机进行连接
4）振动信号输出模数转换子程序设计
5）振动测量模块的实物调试
3、应变信号测量模块及子程序
1）应变片的功能及选型分析
2）应变片的测量电路设计
3）应变片的测量特性及灵敏系数测定
4）应变片信号的放大滤波电路设计
5）应变信号输出模数转换子程序设计
4、人机界面设计模块
1）确定人机界面在总系统中的定位及结构分析；
2）人机界面的功能及各个元件选型分析；
3）人机界面的输出特性及相关系数测定；
4）人机界面信号输入及其与单片机的连接；
5）显示子程序以及按键控制子程序
6）基于Proteus进行仿真模拟输出；
6）振动测量模块的实物调试
5、中央处理系统模块
1）中央处理系统组成及结构分析
2）主程序的流程图设计
3）对各个模块的子程序地址分配
4）单片机的I/O设计编排
1.3总体设计的框图
图1.1总体设计框图
1.4功能单元定义
电源模块：
1）将220V的交流电转换为直流电压，给系统各模块供电
2）单片机供电5V
3）模数转换模块5-12V
应变测量模块：
1）设计测量电路，将测得的信号转换为数字信号传送到单片机
2）应变数据存储单元为单片机50H
振动传感器测量模块：
1）检测振动信号，将测得的信号转换为数字信号传送到单片机
2）振动数据存储单元为单片机30H
A/D转换模块：
1）将振动信号转换为数字信号
2）将应变信号转换为数字信号
按键模块:
1）设置按键1用于单片机复位
2）设置按键2用于系统显示内容转换
3）设置按键3用于阈值更改
晶体管显示模块：
1）4位显示振动信号或者应变信号
2）2位显示振动信号或者应变信号的阈值
3）最后一位显示单位伏特（V）
单片机AT89S51
1）控制处理信号的测量和显示
2）对测得的信号相应的控制
第二章、功能划分及各模块任务安排
2.1中央处理系统组成及结构分析
2.1.1单片机选型：
经过比较3款典型单片机，AT89C51、AT89S51、STC89C51，从单片机的性能等方面来说，这3款芯片都属于51系列的单片机，单片机性能大同小异；具有“三总线”构架；40脚封装；在内部包含4KB以上可编程Flash程序存储器；具有3级程序存储器锁定；可进行1000次擦/写操作；具有待机和掉电工作方式。
就该项目所需要的性能来说，3种单片机都能实现需要的功能。
最终，结合考虑经济、实用性等因素，决定采用STC89C51。
2.1.2中央处理系统组成：
中央处理系统组成：
单片机STC89C51、复位电路、晶振电路组成的最小系统，给单片机供电的电源电压为5V。
图2.1中央处理系统复位电路、晶振电路
2.2功能划分以及各模块任务：
2.2.1电源供电模块：
1）单片机STC8951的供电电压值为5V
2）ADC0809的工作电压在5-12V之间
3）单片机供电电源需要接地电容，去除电源的纹波，稳定输出电压
2.2.2振动信号采集处理模块：
1）由于振动传感器的输出的比较小并且不够稳定，所以需要设置滤波以及放大电路
2）滤波的方法一般采用无源元件电容或电感,利用其对电压,电流的储能特性达到滤波的目的.由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L,当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。
但是振动信号的滤波采用并联电容C。
3）模数转换器的选型，需要对比至少3款模数转换器，确定最终类型。
4）模数转换器的启动程序的设计以及与单片机的连接；AD转换的输出端接到单片机的P0口作为输入，数据存放在单片机40H单元。
5）模数转换器与单片机的连接部分的PROTUES仿真。
6）振动传感器的输出电压与其对应的振动幅度之间的关系，通过对传感器的进行测量并且作出电压--振幅的曲线，得出最后的关系。
2.2.3应变信号采集处理模块：
1）测量应变的传感器需要经过对比选型，确定比较合适的应变传感器。
2）测量应变传感器的基本电路设计，前端电路的设计
3）测量应变传感器的输入比较小，应该进行放大滤波电路。
4）模数转换器对AD089的输入信号的要求：
信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
5）输出的模拟信号与对应的应变之间的关系需要确定
6）AD转换器的输出接口与单片机的接口的为P1，输出的数据存储在50H单元。
7）模数转换器与单片机的连接部分的PROTUES仿真。
2.2.4人机界面显示模块：
1）显示界面的器件选型，选择数码管还是LCD1602、或者彩屏显示。
通过对比这3中显示器件，从经济、性能、项目的要求这几个方面确定显示器件。
同时还需要对AD转换之后的数值进行转换，转换成10进制才能进行显示，因为有两个信号输入，所以需要有两个转换子程序。
2）因为还有两个输入信号，当需要显示数值的时候，一个显示器不可能同时的显示，所以需要一个控制按键，控制显示的内容
3）设计一个调整阈值的按键，增加阈值，还应该有个按键设置，减少阈值
4）报警界面的设置，蜂鸣器报警并且伴随LED闪亮。
第三章、系统软件模块设计
3.1主程序流程图
3.1.1主程序流程图
3.1.2主程序汇编代码
STARTBITP3.0;启动信号,地址锁存信号,上升沿锁存地址,下降沿开始转换
EOCBITP3.2;转换结束信号,1有效,表示转换结束
OEBITP3.1
YZANJBITP3.6；阈值按键
ANJBITP3.7;显示内容转换按键
DISM0EQU30H;定义显示缓冲区
DISM1EQU31H
DISM2EQU32H
DISM3EQU33H
DISM4EQU34H
DISM5EQU35H
DISM6EQU36H
DISM7EQU37H
ADCXEQU40H;转换结果数据存放单元
LEDBTEQU41H;显示位码
;=========================================
;主程序开始；
RESET:
CLRSTART
MOVR0,#7FH;内存清0
CLREA:
MOV@R0,#0
DJNZR0,CLREA
MOVR6,#00H
MOVDISM5,#10
MOVDISM6,#10
;主循环程序开始
;=========================================
MLOOP:
ANJ1:
JBANJ,AD2
ACALLADC08
MOVA,ADCX;取转换结果
ACALLCUNCHU;调用存储的数据
MOVDISM4,#10
MOVDISM7,#11
ACALLKEY;应变数值显示
ACALLDISUP;调显示子程序
AJMPANJ1
AD2:
ACALLADC082
MOVA,ADCX;取转换结果
ACALLCUNCHU;调用存储的数据
MOVDISM4,#10
MOVDISM7,#11
ACALLKEY;振动数值显示
ACALLDISUP
AJMPMLOOP
3.2子程序设计
3.2.1各模块子程序地址安排及I/O口的使用
首先，本设计需要测量振动和应变两种输入信号，而且两种输入信号都需要进行模数转换，经过模数转换之后必须在数码管上进行显示，所以就意味着数码管需要分时复用，分时调用模数转换之后的数据。
表3.1各个模块地址分配情况
地址
命名
地址的作用
30H
DISM0
存放振动信号或者应变信号转换后输出的第一位数据
31H
DISM1
存放振动信号或者应变信号转换后输出的第二位数据
32H
DISM2
存放振动信号或者应变信号转换后输出的第三位数据
33H
DISM3
存放振动信号或者应变信号转换后输出的第四位数据
34H
DISM4
用来存放振动信号、应变信号的单位（V）
35H
DISM5
存放振动信号或者应变信号的阈值第一位
36H
DISM6
存放振动信号或者应变信号的阈值第二位
37H
DISM7
存阈值的单位（V）
40H
ADCX
转换结果存储单元
41H
LEDBT
晶体管位码存储单元
采用多通道的AD0809进行模数转换，选择通道0和通道3分别输入应变信号和振动信号。
分时调用并且显示相应通道输出的值，这样可以节省单片机的I/O口，同时也可以节省存储地址，之前给应变信号采集模块的信号存储地址可以共用振动信号存放的地址，存储数据的地址可以减半，30H-33H中既可以存放振动信号的输出值，也可以存放应变信号的输出值，这样既减少了单片机上存储地址的使用，也减少了编程时地址过多的麻烦。
由于显示的时候需要分开显示，因此设置一个按键，转换显示的内容。
其次就是单片机的接口的问题，分时复用的思想可以减少I/O口的使用，使得原理图的设计也比较的简单、清晰，虽然给单片机的程序编程带来一定的麻烦，但是给整体的设计带来的效果会更好。
单片机的30H-33H：
用来存储振动信号或者应变信号经过AD转换器之后的输出数据，存储的是8位2进制数。
单片机的35H-36H：
用来存储振动信号或者应变信号的阈值。
单片机的40H:
用于存放转换结果的数值
单片机的41H：
用于晶体管位码存储
3.2.2I/O的分配和各个引脚使用
本设计需要实现显示的功能，由于使用的是数码管显示而且使用的数码管比较多，所以占用的I/O口相对较多，同时还需要满足输入的信号，因为有2类输入信号，就意味着还需要外接I/O口，但是外接比较麻烦，所以选择两类信号采用相同的接口，在软件使用的时候分时使用。
表3.2I/O口的分配和各个引脚功能
引脚
I/O口
作用
19
接12MHZ晶振
18
接12MHZ晶振
9
复位电路接口
1-8
P1口
数码管显示段码
10
P3.0
ST为启动信号,地址锁存信号,上升沿锁存地址,下降沿开始转换
11
P3.1
OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据
12
P3.2
EOC为转换结束信号。
当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。
13-15
P3.3-P3.5
通道选择
16
P3.6
阈值增加按键
17
P3.7
显示内容转换开关
21-28
P2口
晶体管片选
32-39
P0口
AD转换之后的数据输出从P0口输入单片机
单片机P0口：
AD转换器接入单片机的接口
单片机P1口：
显示数码管段码
单片机P2口：
数码管片选控制
单片机P3口：
P3.0接AD0809的START端口
P3.1接AD0809的OE端口
P3.2接AD0809的EOC端口
3.1.3ADC0809输入通道的控制及选择
表3.3通道选择
C
B
A
通道
0
0
0
通道0
0
0
1
通道1
0
1
0
通道2
0
1
1
通道3
为了方便实物的焊接，在选择通道时，选择通道比较远，同时又不需要占用3个I/O口，因此选择通道0和通道3.选择通道0（000），用于应变片的信号输入，通道3（011）用于振动传感器的信号输入。
ADC0809子程序：
;=========================================
;ADC0809应变信号转换子程序
;=========================================
ADC09:
MOVP3,#0C4H;通道0：
应变信号输入
SETBSTART;上升沿锁存地址
CLRSTART;下降沿启动转换
JNBEOC,$;等待转换结果
SETBOE
MOVADCX,P0;从P2口读取转换数据
CLROE
RET
;=========================================
;ADC0809振动信号转换子程序
;=========================================
ADC092:
MOVP3,#0DCH;通道3：
振动信号输入
SETBSTART;上升沿锁存地址
CLRSTART;下降沿启动转换
JNBEOC,$;等待转换结果
SETBOE
MOVADCX,P0;从P2口读取转换数据
CLROE
RET
第四章、系统仿真以及实物调试
4.1系统仿真
4.1.1总体仿真图
图4.1总体仿真图
4.1.2PROTUES仿真设计介绍
PROTUES仿真中包括的几个主要部分：
单片机AT89C51（在仿真软件中没有STC89C51，但是功能是一样的所以可以选用AT89C51代替）：
40引脚，工作电压5V。
晶振电路：
元件库中选择12MHZ的晶振（CRYSTAL），2个30uF的电容，连接的电路接到单片机的18、19引脚。
复位电路：
用于单片机的复位；元件库中选择按钮（BUTTON），电容。
连接成的电路接到单片机RST复位接口。
模数转换器AD0808：
元件库中选择ADC0808（仿真软件中AD0809不能进行仿真，而AD0808可以代替AD0809，芯片的性能和引脚都一样），ADC0808的输出的8位引脚接在单片机的P0口。
各个接口及其功能如下：
1）ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。
当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。
ALE与ST连接在一起，接到单片机的P3.0接口
2）A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。
在本设计中选择的通道是通道0和通道3。
分别表示振动输入信号和应变输入信号，与单片机的接口位P3.3，P3.4，P3.5。
3）ST为转换启动信号。
当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。
4）EOC为转换结束信号。
当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。
5）OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。
6）D7－D0为数字量输出线，接单片机P0口
7）CLK为时钟输入信号线。
因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，
8）VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。
图4.2ADC0808仿真图以及各接口
应变信号的采集：
包含放大滤波电路，仿真中使用的是滑动变阻器，代替应变传感器的输入变化。
元件库中选择理想运算放大器、电容、电阻等。
用滑动变阻器和电阻搭成的桥电路，构成应变测量信号采集系统；采用并联电容的方式滤波。
信号处理部分与ADC0808的接口是通道3。
P3.3=1，P3.4=1，P3.5=0.
振动信号的采集：
同样包含放大滤波电路，仿真中使用的是滑动变阻器，代替应变传感器的输入变化。
元件库中选择理想运算放大器、电容、电阻等。
用滑动变阻器和电阻搭成的应变测量信号采集系统；采用并联电容的方式滤波。
信号处理部分与ADC0808的接口是通道0，P3.3=0，P3.4=0，P3.5=0.
晶体管显示：
元件库中选择8位共阴极的数码管，选择其中的7位数码管用来显示。
8个段选接口接在单片机的P1接口，8个片选接口接在单片机的P2接口，7位显示中，最后一位显示的输出的值得单位，电压V。
4.2PROTUES仿真结果分析
内容显示按键开关没有按下，阈值调整按钮没有按下，当振动信号和应变信号都有输入的时候，观测晶体管钟显示的值，与对应的测量探针的显示之间的关系
图4.3PROTUES仿真结果1
通过以上的结果分析，在输入为5.99V的情况下，在数码管上显示的电压值为5.970V，也就是说显示的误差约为0.1左右。
满足设计的要求
当改变滑动变阻器的值得时候，显示的值也相应的改变
在输入为3.00V的情况下，在数码管上显示的电压值为3.01V，也就是说显示的误差约为0.1左右。
仿真结果如下：
图4.4PROTUES仿真结果2
当显示内容转换开关按下时，晶体管显示的内容改变，仿真结果如下：
图4.5PROTUES仿真结果3
按键按下之后，晶体管中的值由之前的3.01V，转换成显示4.43V，显示振动传感器测得的信号。
当需要显示并且调整阈值的时候，可以按下按钮，显示初始阈值2.0V，如果需要重新设定阈值的话，每按按钮一次阈值增加0.2V。
图4.6PROTUES仿真结果4
按键5次后显示的阈值结果是：
图4.7PROTUES仿真结果5
按键8次后显示的阈值结果是：
图4.8PROTUES仿真结果6
通过对以上的仿真结果进行分析总结得出已经基本实现以下的功能：
1）显示输入的振动信号和应变信号的电压
2）按键开关可以实现显示内容的转换
3）阈值按钮可以改变阈值的显示
4）输入的信号超过设定的阈值发生报警
第五章、心得体会
经过为期三周的课程设计，经过和老师多次的交流以及和同学之间的探讨，我们最终完成了这个课程设计。
在这个课程设计当中，我们学会了和同学之间的合作，虽然说在开始的合作当中效果不佳，因为对软件的不熟练，以及对汇编编程的基本
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