隨著人類對能源需求的不斷增加，以及化石能源造成的環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等問題的出現(xiàn)，能源安全已成為世界各國面臨的最重要的問題。風(fēng)能是目前最有開發(fā)利用前景的可再生清潔能源,風(fēng)力發(fā)電作為風(fēng)能利用的主要方式而備受關(guān)注[1]。截止2010年底，全球風(fēng)電裝機容量已達到2億千瓦。已經(jīng)有100多個國家開始發(fā)展風(fēng)電，裝機容量超過100萬千瓦的國家有20個。我國除臺灣外累計風(fēng)電裝機容量已達4 400萬千瓦，已經(jīng)超過美國成為裝機第一的風(fēng)電大國[2]。

    葉片是風(fēng)力發(fā)電機組吸收風(fēng)能的關(guān)鍵部件，葉片質(zhì)量好壞直接關(guān)系著機組運行的安全性。機組的載荷主要由葉片產(chǎn)生，葉片承受的載荷主要有吸收風(fēng)載的氣動載荷、本身的重力載荷以及轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的離心力載荷。隨著機組容量不斷增大，葉片的長度也越來越長，為了降低成本，薄殼結(jié)構(gòu)的葉片也變得越來越輕巧，結(jié)構(gòu)的撓性變得越大。葉片在旋轉(zhuǎn)過程中受到大氣邊界層的剪切風(fēng)、隨機陣風(fēng)、塔影效應(yīng)、變槳、偏航、氣動的不平衡、葉片本身彈性恢復(fù)等因素影響，形成了復(fù)雜的激振源，由此引發(fā)的多因素的結(jié)構(gòu)耦合振動越發(fā)引起重視。振動的主要形式表現(xiàn)為揮舞、擺陣和扭轉(zhuǎn)振動。因此，檢測葉片在不同風(fēng)速下的振動特性，分析其振動機理，對于指導(dǎo)葉片設(shè)計和機組安全運行有著重要的意義。
    由于風(fēng)力機葉片特殊的工作方式，傳統(tǒng)的測振方式無法安裝在葉片上。本研究設(shè)計了一套低功耗的無線振動采集系統(tǒng)，可以把振動傳感器模塊安裝在葉片內(nèi)部某一半徑位置，上位機的收發(fā)模塊安裝在機艙中，上位機可以放在塔筒底部，它們之間采用RS485通信。系統(tǒng)采用ATMEGA32單片機作為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的核心，用NRF24E1低功耗的收發(fā)芯片作為無線通信模塊，上位機通過LabVIEW編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的圖形化顯示，并且可以通過軟件編程使單片機和無線發(fā)射模塊工作在更低的功耗狀態(tài)。
1 系統(tǒng)組成
    本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。選用的高性能低頻傳感器把振動信號傳輸給單片機，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后無線收發(fā)模塊通過半雙工的通信模式傳輸出去。平時不工作時，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，上位機有數(shù)據(jù)采集的中斷信號發(fā)出以后，即可把系統(tǒng)從休眠狀態(tài)中喚醒，啟動收發(fā)模塊，檢驗通道是否暢通，然后把存儲在單片機中的數(shù)據(jù)發(fā)射出去，當(dāng)接收端確認(rèn)正確接收后，系統(tǒng)重新進入休眠狀態(tài)[3-4]。接收部分通過RS485完成和計算機的通信，采用LabVIEW圖形化的編程語言對數(shù)據(jù)做最后的接收、顯示和處理。

2 系統(tǒng)硬件
    振動傳感器要安裝在旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機葉片上，不能經(jīng)常拆卸，因此要考慮固定和系統(tǒng)的功耗問題。采用低功耗的元器件是本系統(tǒng)的一個重要特色。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

2.1傳感器選擇  
    系統(tǒng)選用TZDM22-55振動傳感器，它采用了銻化銦薄膜磁敏電阻作為敏感元件，配以放大整形線路用金屬外殼封轉(zhuǎn)，輸出信號為準(zhǔn)正弦波的交變電壓信號。安裝時將傳感器緊固在一側(cè)的振動體上，當(dāng)振動體在傳感器敏感的測量方向上振動時，傳感器內(nèi)部的振動磁鋼相應(yīng)地強制振動，安裝在振動磁鋼旁的磁敏元件能夠感應(yīng)出磁鋼引起的磁場變化，并產(chǎn)生一個交變電壓信號，經(jīng)過電路的處理放大后，輸出與被測振動參數(shù)（頻率和幅值大?。┫鄬?yīng)的交變電壓信號。工作電壓VDC 5～24 V，振動頻率范圍0.3 Hz~3 kHz，使用溫度范圍-25℃~+75℃，防護等級IP65~IP67。無振動時輸出近似2.5 V的直流電平，噪音小于30 mV；有振動輸出時，輸出電壓幅值50 mV~4.8 V之間。兩根電源線，一根信號輸出線。具有體積小、頻響寬、接線簡單、分辨率高、靈敏度高、壽命長等特點。有振動和無振動時的輸出波形見圖3。

2.2單片機的選擇
    系統(tǒng)選用了ATMEL公司的ATMEGA32單片機[5-7]。其內(nèi)核具有豐富的指令集，所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。具有32 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，1 KB EEPROM, 2 KB SRAM，32個通用I/O端口，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，3個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，面向字節(jié)的兩線串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP封裝)的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI串行端口，以及6個可以通過軟件進行選擇的睡眠模式。
2.3 時鐘電路
    時鐘電路選用DS1302。工作電壓2.0 V~5.5 V，2.0 V時工作電流小于300 nA。DS1302內(nèi)部提供了一個31×8 bit的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器，還增加了主電源和備份電源的雙電源引腳,在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。通過三線(RST、I/O、SCLK)串行方式與單片機進行數(shù)據(jù)傳送，能夠向單片機提供包括秒、分、時、日、月、年等在內(nèi)的實時時間信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄，并可對月末日期、閏年天數(shù)自動進行調(diào)整。
2.4 無線傳輸模塊
    采用了NORDIC公司生產(chǎn)的nRF24E1[8-9]。該模塊的無線收發(fā)器工作于2.4 GHz的ISM頻段,有多達125個頻點，能夠?qū)崿F(xiàn)點對點、點對多點的無線通信，同時可采用改頻和跳頻來避免干擾。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。NRF24E1內(nèi)部集成了增強型8051內(nèi)核,2.4 GHz無線收發(fā)器,100 kS/s的9路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置 RC振蕩器、SPI接口、UART接口、 PWM輸出、看門狗和喚醒定時器以及專門的穩(wěn)壓電路。所有高頻元件包括振蕩器、電感等全部集成在芯片內(nèi)部，因此芯片的性能穩(wěn)定，受外界環(huán)境的影響很小。
    NRF24E1采用36腳QFN(6 mm×6 mm)封裝，體積小、功耗低，非常適用于對體積和功耗要求較高的應(yīng)用場合；最大傳輸速率可達1 Mb/s，靈敏度為-90 dBm，最大發(fā)射功率為0 dBm；在較為理想的環(huán)境中，室內(nèi)傳輸距離可達30～40 m，室外傳輸距離可達100～200 m；其工作電壓為1.9～3.3 V，工作溫度范圍為－40 ℃～+80 ℃。
    信號采集和發(fā)射模塊的電路原理圖如圖5所示，單片機的D6口接收傳感器的脈沖信號，PB0～PB2口與DS1302的RST 、I/O、SCLK引腳相連，單片機通過TXD和RXD與發(fā)射模塊進行通信。32.768 kHz的晶振為時鐘芯片提供計時脈沖。nRF24E1的運行程序放在外部串行EEPROM中,開始工作時,內(nèi)部引導(dǎo)程序會自動把主程序?qū)隨RAM中并執(zhí)行。

３ 系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

    單片機選用內(nèi)部自帶的1 MHz晶振，B口接收DS1302的時間數(shù)據(jù)，D6口接收振動信號。單片機收到上位機采集信號的請求后，通過INIT0中斷把單片機從睡眠模式中喚醒，然后給nRF24E1返回一個準(zhǔn)備完畢的信號“*”。初始化NRF24E1，首先送握手信號“#”，待確認(rèn)后，調(diào)用發(fā)射程序，把數(shù)據(jù)通過USART發(fā)給接收模塊，當(dāng)監(jiān)測到UCSAR的TXC為置位時，發(fā)送結(jié)束，系統(tǒng)重新進入睡眠狀態(tài)。發(fā)射數(shù)據(jù)時NFRF24E1工作在ShockBurst模式下，可使數(shù)據(jù)發(fā)送時間大大縮短。軟件采用了LabVIEW語言編程，可以方便地實現(xiàn)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的采集和分析處理。單片機控制的軟件流程如圖6所示。
4 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)
    系統(tǒng)在實驗室組裝調(diào)試成功后，在室內(nèi)轉(zhuǎn)動的吊扇葉片上進行了測試，測試數(shù)據(jù)如圖7所示。圖7(a)是葉片慢速轉(zhuǎn)動時的部分?jǐn)?shù)據(jù)曲線， 圖7(b)是給了一個激勵后的振動數(shù)據(jù)曲線。采集的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，對激勵信號反應(yīng)靈敏，能夠?qū)︼L(fēng)機葉片的低頻振動信號進行可靠的采集。

    該系統(tǒng)以計算機為上位機，利用無線通信方式實現(xiàn)風(fēng)電機組葉片振動測量，解決了一般有線測量方法在葉片上難以安裝的難題。通過選用低功耗的器件以及電路的優(yōu)化設(shè)計和軟件的處理，使系統(tǒng)能夠工作在更低功耗狀態(tài)，抗干擾性更強，并具有良好的人機對話界面，系統(tǒng)整體集成度高，擴展性強，軟件編程簡單，可開發(fā)能力強。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足葉片低頻振動測量的需要。
參考文獻
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