论文总字数：23130字

摘 要

机械缺陷或者故障可能会产生严重的经济和环境后果，所以说建议一个早期的实时机器故障监测系统来及时识别机器早期缺陷给出相应的报警就显得格外有必要。振动是工业应用中最常用的信息形式，因为它便于测量和分析，所以建立在振动分析上的监测仪器就有了普适意义。经典的故障监测系统包括了传感器、放大器、滤波器、采集板和计算机等模块，这种结构设计不仅昂贵而且笨重在实际工业中不易使用。随着微处理器技术的发展，我们可以开发出智能传感器，它在电路板上集成了相关的硬件如传感器、放大器、滤波器、模数转换器等。在本文，我们还应用了一些信号处理技术用于数据处理。这种新型的监测装置便于携带而且价格低廉并具有一定的可重构性可以适应于不同的应用条件，在工业应用中具有重要的价值。

经过多年的发展，计算机技术和通信技术以上升到了一个新的高度，仪器仪表的开发与设计也迈入迈上了一个新的台阶，虚拟仪器应运而生。利用硬件和计算机软件开发新型的仪器仪表进入了常态。本文中使用的MSP430F149单片机具有超低功耗性能强大集成度高等特点，在工业生产和科学科研中有着重要的应用。它集成了12位高精度的数字模拟信号转换模块，具有速度快，易用性广等优良特点。本文中使用的MSP430单片机的AD转换模块可以将振动加速度传感器采集的模拟电压信号转换成数字信号并通过单片机串口通信传输给PC上位机。最后利用Labview软件设计的虚拟示波器可以对单片机传输来的数据进行实时波形显示和分析等功能，达到了智能示波器的功能与目的。

关键词：振动监测；MSP430F149；LabVIEW；虚拟仪器；串口通信；

A DESIGN OF MSP430 AND LabVIEW-BASED

SMART VIBRATION MONITOR

Abstract

A mechanical failure may lead to serious economic and environmental consequence. A online machinery condition monitoring system is very useful to a wide array of industries to recognize an incipient machinery defect so as to prevent machinery performance degradation. Vibration is the most common form of information in industrial applications as it is easy to measure and analyze. So it is meaningful to create a monitoring system based on vibration analysis. A classic fault detection system consists of hardware such as sensors, amplifiers, antialiasing filters, a data acquisition board and a processing computer; it is not only expensive but also inconvenient for implementation in real industrial applications. With the development of microprocessors smart sensors have been developed to integrate the related data acquisition hardware (e.g., sensors, amplifiers, filters, and A/D converters) on electric chips, and if possible , to implement some signal processing techniques for data analysis. This new kind of monitoring devices are affordable and easy to carry which can be used in different conditions. Smart monitoring devices have a great value in industrial applications.

After years of development, computer technology and information technology have developed greatly. The design of instrument has changed a lot as virtual instrument are used more commonly. MSP430F149 single chip microcomputer has the characteristics of ultra-low power consumption, high performance，high level of integration and it is commonly used in industrial production and scientific research. It integrates a 12 high precision digital to analog signal conversion module which is fast and easy to use. In this paper, I use the ADC module to convert the analog signal collected from the acceleration sensor to digital signal and transfer it to the computer visa serial port. Finally I developed a virtual oscilloscope by LabVIEW which can display waveform and data analysis.

KEYWORDS: Vibration monitoring, LabVIEW, MSP430, Virtual instrument, Serial port communication.

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 智能振动检测的背景与意义 1

1.1.1 振动检测的必要性 1

1.1.2 传统振动检测的局限性 1

1.2 虚拟仪器技术的概况 1

1.2.1 虚拟仪器技术的概述 1

1.2.2 虚拟仪器的构成 2

1.3 本文的主要内容安排 3

第二章 硬件模块设计 4

2.1系统功能需求分析 4

2.1.1功能需求 4

2.1.2系统工作流程 4

2.2 数据采集模块 5

2.2.1 数据采集模块整体结构设计 5

2.2.2 传感器信号采集电路 6

2.2.3 信号放大电路 7

2.3 ADC模块 8

2.4 串口通信模块 12

2.5 本章小结 14

第三章 软件设计 15

3.1 单片机软件开发环境简介 15

3.2 单片机程序设计 15

3.2.1 AD模块初始化 15

3.2.2 数进制转换 16

3.2.3 发送字符 16

3.2.4 中断服务程序 17

3.3 LabVIEW程序设计 18

3.3.1 图形化编程语言LabVIEW 18

3.3.2 LabVIEW编程设计 19

3.4 本章小结 25

第四章 系统测试 26

4.1 单片机串口通信测试 26

4.2 波形显示测试 26

4.3 数据保存与打开测试 27

4.4 波形回放和傅立叶变换功能测试 27

4.5 本章小结 28

总结 29

参考文献 30

致谢 31

第一章 绪论

智能振动检测的背景与意义

在工业生产应用中，振动状态检测有广泛和实际的作用。一个可靠的在线机器状态监测系统用于广范围的识别初期机械缺陷是非常有用的，可以防止机器性能退化故障甚至灾难性故障^[1]。所以说一个早期的故障警告可以激活一个预测保持系统的建立，这对于这些机器是很重要的（比如飞机，动力涡轮机和化学机械设施），这些机器一个未知的宕机会造成严重的经济和环境后果。例如在1998年中国的秦岭发电厂由于某个机组轴承断裂，造成了上亿元的经济损失^[2]，2008年我国华能依敏煤电公司600MW机组发生转子裂纹事故等^[3]。故障监测可以根据信息载体如声发射、压力波形、油分析、天气变化、振动等。然而，振动是工业应用中最常用的信息形式因为便于测量和分析，振动分析也会在这篇文章中用到^[4]。

振动检测的必要性

随着工业的发展和科技的进步，现代的机械自动化程度大大加强，机械正朝着大型化，集成化，高速化等方向发展，当这些机械发生故障时，通常会造成巨大的人身伤害、经济灾难和环境灾难。对于这些机械我们得建立起一个实时的监测系统，当机械出现小的故障时可以及时的检测出来排除故障以防产生更严重的各种后果。以振动检测为例，轴承检测最为使用广泛。滚动轴承是最常见的机械部件几乎出现在所有的大型机械装置中，例如车床、变速箱、发动机等。这些滚动轴承的工作条件十分恶劣，十分易于损坏，而轴承损坏又直接严重影响到机械的性能表现，大多数机械故障的产生都是由于轴承故障引起的^[5]。所以说建立起一套有效可靠的实时振动检测系统具有重要的实际意义。

传统振动检测的局限性

一个传统的故障监测系统包括了硬件例如传感器，放大器，抗锯齿滤波器，一个熟悉采集板和一个用于处理的计算机，它不仅昂贵而且在实际工业中应用很不方便。而且这些检测系统的普适性差，适用范围窄，也无形增加了检测的成本^[1]。随着电子技术的不断发展，基于微处理器的新型仪器被开发使用的越来越广泛，这种新型的仪器具有易于开发，体积小，功耗低，便于使用等特点，在中小企业中得到了极大的推广和普及。

虚拟仪器技术的概况

虚拟仪器技术的概述

虚拟仪器技术是计算机技术和通信技术发展带来的成果，它结合了计算机技术与传统仪器仪表的各自特点，在以计算机为核心的硬件平台上，用户通过编程设计和自定义各种各样用户所需要的功能^[6]。它具有一个虚拟的面板，在电脑屏幕上则可以像观察现实仪器一样观察所测量的数据。虚拟仪器技术有很多特点，它简单易用，效率高，可定制性强。目前在我国使用广泛的是美国NI公司的LabView软件。LabView是当前用于数据采集、信号处理、和虚拟仪器开发的一个高效易用的编程软件，它是一个基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具，无需复杂的代码语言学习开发者也可以轻松上手使用，开发者可以利用它做出精美的仪器界面，LabView适用于多种操作系统，用它开发的虚拟仪器可以脱离LabView的开发环境下使用^[7]，用户看到的可以是和实际硬件仪器毫无区别的操作面板。虚拟仪器技术的功能正变得越来越强大，是未来仪器仪表技术的发展方向，它有着大量的数据处理信号分析库，可以对收集到的信号根据需要调用函数库进行复杂的处理得出所需的结果。可以说，虚拟仪器由于它一系列优良的特性正在一步步取代着传统的仪器，大势所趋，不可改变。

虚拟仪器的构成

首先，虚拟仪器的用户界面是一个前面板，它与普通仪器的显示界面和功能可以毫无差别，它具有开关，可以选择通道，测得的数据可以现实数值也可以选择任意的波形。用户可以点击前面板上的各种按钮选择自己所需要的各种功能，设置各种参数以应对不同的测量环境。传统仪器的前面板后是内部构造，是通过电路等物理方式来实现对待测量的测量的。而虚拟仪器前面板后所对应的就是系统的流程图，流程图上各个节点对应的是不同的功能模块。前面板上任何组件都在流程图上有所对应，各个组件之间通过连线连接在一起完成关联作用。

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