基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

作，将 ADC 输出数据在不经过处理器指令而直接写入指定的 XRAM 区域。 C8051F060MCU 内部有两个全双工增强型 UART， UART0 是一个具有地址识别硬件和帧错误检测的增强型串行口。 它可以工作在半双工同步方式和全双工一步方式。 UART0 有两个中断源，一个发送中断标志和一个接收中断标志。 UART0 提供四种工作方式，四种方式提供不同的波特率和通信协议。 C8051F060 MCU 内部有 5 个计数器 /定时器，这些计数器 /定时器可以用于测量时间间隔、对外部事件计数或产生周期性的中断请求。 其中定时器 0 和定时器 1 有四种工作方式；定时器 定时器 3 和定时器 4 是 16 位自动重装载并具有捕捉功能的定时器，这三个定时器用法完全相同。 无线通信 Zigbee 是基于 标准的低功耗广域网 协议。 ZigBee 技术是一种短距离、低功耗的 无线通信 技术。 ZigBee 协议从下到上分别为 物理层 (PHY)、媒体访问控制层基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 6 (MAC)、传输层 (TL)、 网络层 (NWK)、 应用层 (APL)等。 其中物理层和媒体访问控制层遵循 标准的规定。 ZigBee 模块以其工业级应用设计、稳定可靠、标准易用、功能强大等突出特点，在通信市场发展迅猛， 已广泛应用于物联网产业链中的 M2M 行业，如智能电网、智能交通、移动 POS 终端、工业自动化、供应链自动化、智能建筑、公共安全、环境保护、遥感勘测、农业、煤矿、石化等领域。 本文所采用 ZigBee 模块是基于 ZigBee20xx 协议，可视传输距离可达 1600 米的ZigBee 技术应用，该模块具有自动组网的功能，所有的模块上电即自动组 网。 Zigbee网络通常由三种节点构成： Coordinator：用来创建一个 Zigbee 网络，并为初次加入网络的节点分配地址，每个 Zigbee 网络需要且只需要一个 Coordinator； Router：可以收发数据，起到路由的作用； End Device：终端节点，通常定义为电池供电的低功耗设备。 本文中配置振动识别端 ZigBee 模块为 Router，用来为下位机收发数据；上位机端ZigBee 模块为 Coordinator，作为组网的主机；当全部上电， Coordinator 自动将所在范围内所有 Router 组网并分配 地址。 组网完成后， ZigBee 模块间实行透明传输数据方式。 ZigBee 模块参数如下： 输入电压范围： ，标准电压 ； 串口速率可设置 9600bps， 19200bps， 38400bps， 57600bps， 115200bps； 无线频率： (2460MHz)； 传输距离：可视，开阔，传输距离 1600 米； 工作电流：发射： 120mA（最大）， 80MA（平均） ， 接收： 45mA（最大）， 待机： 40MA（最大）； 接口： UART。 电源转换模块 从图 系 统硬件设计结构框架中，我们可以看到，本系统需要的电源种类多，因此为了使用方便，在硬件电路中，我们设计了多种电源转换模块，其中涉及到总输入电源转换，直流 5V 转 24V，直流 5V 转177。 12V，直流 5V转177。 5V，直流 5V 转 ，直流5V 转。 在本设计中用 IA_S2W 系列 DCDC 转换器实现直流 5V 转 24V、177。 12V和177。 5V；用 AS1117 低压差的线性稳压器实现直流 5V转 ，用 MC1403 实现直流 5V转。 以下为各转换模块的简介。 IAS2W 系列 DCDC 转换器采用厚膜电路、高效的稳压芯片、陶 瓷电容，全 SMT加工工艺，性能优良，稳定可靠。 电磁兼容性良好，输出文波及噪声小，适用于供电电源稳定的电路。 如图 所示为 IAS2W 系列引脚图。 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 7 Vin1GND2+Vo70V10V09IA0512S2WU14 图 IAS2W 引脚图 AS1117 低压差线性稳压器，能提供多种固定电压版本，输出电压有 ， ， ， 5V。 外围应用电路简单，固定电压版本只需要输入输出两个电容和负载。 芯片内部包括启动电路，偏置电路，电压基准源电路，过热保护，过流保护，功率管极其驱动电路等。 本文选择 输出版本供微处理器芯片使用。 其引脚排列图如图 所示。 MarkSOT2231 2 3 图 AS1117 引脚排列图 AS1117 固定版本典型应用如图 所示。 A S 1 1 1 7V i nV o u tG N D / A D JC 1C 2R l o a d 图 AS1117 固定版本典型应用图 MC1403 是美国摩 托罗拉公司生产的高准确度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源。 它采用 DIP－ 8 封装，引脚排列如图 所示。 Vin＝＋ ～＋ 15V， Vout＝（典型值），为了配 8P 插座，还专门设置了 5 个空脚。 M C 1 4 0 38 7 6 51 2 3 4V i n V o u t G N DN CN CN CN CN C 图 MC1403 引脚排列图 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 8 软件设计方案 振动识别单元由安装在杆塔上的传感器模块 +微处理器 +ZigBee 无线通信 +PC 监控中心组成，软件设计涉及到对信号的采样，采样数据的运算，及与远端上位机的通信程序。 而这些主要的软件设计部分主要是由对芯片 C8051F060 编程来完成。 C8051F060具有两个 16 位、 1Msps 的 ADC，带 DMA 控制器， 4k 片内 RAM，两个 UART 串行接口，以及定时器可供使用，能满足软件设计的配置要求。 如图 所示为系统软件设计程序流程图。 开 始局 部 采 样振 动 预 判 断完 整 采 样F F T 变 换有 无 振 动发 送 振 动 识 别 信 息有 无 上 位 机 召 唤 指 令发 送 当 前 信 息结 束无有无无有有 图 系统软件设计程序流程图 从图中可知，软件设计部分也涉及到系统设计的三个主要具体功能，信号采集部分，数据处理部分，以及信息通信部分。 三个部分具体的连接使用，将在后续章节具体阐述。 本章总结 本章主要介绍了输电杆塔振动检测系统的整体设计方案，并分别，对其中的硬件设计方案及软件设计方案进行了详细的介绍，在硬件设计方案中给出了整体硬件框架，并基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 9 介绍了系统监测系统中选取的元器件，简单描述了它们的工作原理。 软件设计方案中描述了整体软件设计构架。 系统的整体设计思路，让 我们在做系统之前有一个明确的认识，能更好更清晰的去完成每一个环节。 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 10 3 输电杆塔振动识别单元的硬件实现 系统电源设计 电源设计是决定本设计优劣的一个重要因素，在此前介绍 的硬件电路设计中，都需要提供电源支持，因此电源电路的稳定性决定 其他器件的稳定性，最终决定实验结果的准确性。 在硬件电路设计方案中，我们可以看出，在调理电路中，我们需要能提供直流 24V，177。 12V，177。 5V， ， 的电源。 如图 所示为系统整个电源分配结构图，以下将详细介绍电源转换各模块的实现方法。 电 源 转 换 模 块输 入电 源 2. 5 V V5V12 V24 V传感器供电运放供电运放供电加法电路单片机供电 图 系统电源转换示意图 在本设计中，我们改变变阻器阻值设置电源转换模块输出为直流的 +5V。 考虑到输电杆塔所处的地理位置及特殊的外部环境，我们需要保证本设计能适用于更多的特殊、偏远、条件落后的环境下，我们采用可调节的宽电压输入的电源模块。 为后期的 使用提供更多的选择。 我们选择宽电压输入 QS1212CBD24W 电源转换模块，其输入电压范围 335V，输出电压范围 ，电流 2A。 其引脚图如图 所示。 Vin+1Vin2Vo4Vo+3QS1212CBDU17QS1212CBD24W+5V 图 QS1212CBD 电源转换模块引 脚图 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 11 IAS2W 系列 DCDC 转换器 IA0512S2W 电源转换模块输入电压标称值 5V，输出电压标称值 12VDC ，输出电流 o4. 2 m A I 42 m A。 IA0505S2W 电源转换模块输入电压标称值 5V，输出电压标称值 5VDC ，输出电流 o20 m A I 20 0 m A。 如图 所示，给出了电源转换模块的连接电路图。 +12V12V+24VGNDD3R21123J6+5V5VVin1GND2+Vo70V10V09IA0512S2WU14Vin1GND2+Vo70V10V09IA0505S2WU16C50C51Vin1GND2+Vo70V10V09IA0512S2WU13C52C53C54C55Vin+1Vin2Vo4Vo+3QS1212CBDU17QS1212CBD24WVo+1 32 4U201 32 4U151 32 4U19+5V 图 电源转换模块电路连接图 AS1117 芯片电路连接图 数据采集芯片 C8051F060 供电需要 的模拟电源和数字电源，本文用 AS1117芯片固定输出 版本，其电路连接图如图 所示。 3 21V VGNDINOUTU12 AS111710uFC39C40C4110uHL110uFC43C42DV3 AV3GNDAGNDVo+ 图 AS1117 芯片 5V 转 电源电路 电路功能：将直流 5V 转换成 的模拟电源和 数字电源输出。 供 C8051F060使用。 电路元器件说明：电路中电容起到滤波的作用，电感 L1 和 C4 C43 组成的 型电路，电感的作用是起滤波作用，另外当数字电路工作在高频时电源的脉动比较大，如果和模拟电源一起使用 时就会给模拟电源造成干扰，电感在这里使数字电源和模拟电源基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 12 互不影响，都保持比较稳定的状态。 MC1403 电路连接图 +5VC13Vin1Vout2Gnd3U7MC1403 V 图 芯片引脚连接图 电路功能：这部分的电源转换模块作用是输出固定 电压，作为减法电路中的减数。 电路元器件说明： MC1403 是低压基准芯片。 一般用作需要基本精准的基准电压的场合。 因为输出是固定的，所以电路很简单。 就是 Vin 接电源输入， GND 接底， Vout加一个 ~1uF 的电容就可以了。 振动信号调理电路设计 各种传感器输出的信号很微弱，所 处的环境噪声很大，后续模块很难检测到，信号频率成分也十分复杂，因此需要对各种传感器的输出信号进行有针对性的调理，来达到后续模块的采集要求。 整个调理电路是由电流稳压电路、放大电路、滤波电路、跟随与限幅电路、减法与反相电路组成。 以下为调理电路结构图： 放 大 电 路滤 波 电 路 限 幅 电 路 加 法 电 路传 感 器 信 号送 至 采 集 芯 片 图 调理电路结构图 放大电路设计 如图 所示，为信号放大电路。 电路功能：放大信号；传感器采集的信号是很微弱的，因此首先将信号做放大处理，本文采用简单的同相放大电路，利用 R3 和 RV1 的 阻值比例关系，达到放大信号的目的。 电路元器件说明： 1RV 为变阻器，在调试电路时，根据需要改变变阻器的阻值来调节放大倍数。 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 13 3261 574U21KR3+12V12VC2C3R220KRV1C1Single_In1Single_Out1 图 信号放大电路 其放大的输出信号 outS 计算式为： 31out3 inR RVSSR () 因此电路的放大倍数为  3 1 3VA R RV R 。 仿真：如图 所示为放大电路在 Multisim 中仿真 结果。 输入 为 50HZ、 2V的正弦波形，放大倍数设置为 3VA 。 图 Multisim 中放大电路仿真结果 滤波电路设计 如图 所示，为信号滤波电路。 电路功能：采用二阶有源低。