工业设备振动监测终端

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项目开发背景

在现代工业生产中，设备的稳定运行对生产效率和安全性至关重要。工业设备的振动状态是反映其机械性能的重要指标之一。设备在正常运行时，振动信号通常具有一定的规律性；而当设备出现故障时，如轴承磨损、不平衡、共振等，振动信号的幅值、频率等特征会发生变化。通过对设备振动状态的实时监测和分析，可以及时发现潜在故障，预测设备的使用寿命，避免因设备故障导致的生产中断和安全事故。

传统的人工巡检方式存在监测效率低、实时性差等问题，难以满足现代工业生产的高效性和智能化需求。因此，开发一种能够实时、准确地监测设备振动状态，并实现智能报警和数据传输的监测终端显得尤为重要。

STM32F103RCT6 作为一款高性能、低功耗的 32 位微控制器，广泛应用于工业控制领域。结合 I2C 接口的 MPU6050 三轴振动传感器、RS485 通信接口以及继电器控制模块，可以构建一个功能强大、性能稳定的工业设备振动监测终端，实现对设备振动状态的高精度监测和远程监控。

设计实现的功能

（1）通过 I2C 驱动 MPU6050 采集设备的三轴振动数据，并运用 FFT 算法对采集到的数据进行处理，获取振动频谱信息。 （2）基于硬件 USART 实现 Modbus - RTU 协议（从机模式），使终端能够接入工业 PLC 系统，实现振动数据的远程传输和监控。 （3）设置外部中断功能，当监测到的振动数据超过预设阈值时，触发外部中断，控制 PC13 引脚电平状态，进而驱动 OMRON 继电器模块动作，实现报警输出。 （4）实时显示设备振动数据（如加速度幅值、频率等），方便现场人员直观了解设备运行状态。

项目硬件模块组成

（1）主控模块：选用 STM32F103RCT6 微控制器，具备丰富的外设资源和强大的运算处理能力，作为整个监测终端的核心，负责数据的采集、处理、通信和控制。 （2）振动传感器模块：采用 MPU6050 三轴振动传感器，通过 I2C 接口与主控模块相连。该传感器能够精确测量设备在三个轴向（X、Y、Z）上的加速度信息，为振动监测提供关键数据。 （3）通信接口模块：使用 MAX485 RS485 模块，通过 USART 与主控模块连接。MAX485 实现了差分信号的传输，提高了通信的抗干扰能力，从而保证了数据在工业环境下稳定、可靠地传输到 PLC 系统。 （4）执行器模块：采用 OMRON 继电器模块，与主控模块的 PC13 引脚相连。当振动数据超过设定阈值时，主控模块触发外部中断，通过控制 PC13 引脚的电平状态，驱动继电器动作，实现对外部设备（如报警器、指示灯等）的控制。 （5）电源模块：为各个模块提供稳定的电源供应，确保整个系统的正常运行。采用合适的稳压芯片将输入电源转换为系统所需的电压级。

设计思路

本设计以 STM32F103RCT6 为主控制器，利用其丰富的 I2C、USART 等外设资源，实现对外部模块的驱动和通信。首先，通过 I2C 接口初始化 MPU6050 传感器，设置合适的采样参数，开始采集设备振动数据。采集到的原始数据在主控制器中进行 FFT 变换处理，得到振动频谱信息。

为了将监测数据传输到工业 PLC 系统，利用 STM32 的 USART 外设，配置 Modbus - RTU 协议（从机模式），使其能够与 PLC 进行可靠通信。在数据传输过程中，通过 CRC 校验保证数据的准确性。

同时，通过设置外部中断，当监测到的振动数据超过预设阈值时，触发外部中断服务程序，在该程序中控制 PC13 引脚的电平变化，进而驱动 OMRON 继电器模块动作，实现报警功能。整个系统通过合理的硬件连接和软件设计，实现对工业设备振动状态的高效、精确监测和智能控制。

系统功能总结

技术方案

在本监测终端的设计中，涉及到多个关键技术的实现。首先，在硬件方面，合理设计电路布局，确保 I2C 总线的上拉电阻符合 MPU6050 的要求，以保证数据传输的稳定性。对于 RS485 通信模块，通过隔离电路提高系统的抗干扰能力，避免工业环境中的噪声对数据传输造成影响。

软件设计上，利用 STM32 的 HAL 库函数简化了对各个外设的配置和操作。在 FFT 算法的实现上，采用高效的蝶形运算算法，提高频谱分析的计算速度和精度。对于 Modbus - RTU 协议的实现，严格按照协议规范进行数据的封装、解析和 CRC 校验，确保通信的可靠性。

外部中断处理程序的编写至关重要，需要确保在触发中断后能够快速、准确地执行报警控制逻辑，同时避免中断处理过程中的数据丢失和系统误操作。

使用的模块的技术详情介绍

（1）STM32F103RCT6 微控制器：这是一款基于 ARM Cortex - M3 内核的 32 位高性能、低功耗微控制器。具有 64KB 的闪存和 20KB 的 SRAM，多个通用输入输出端口（GPIO）、定时器、中断控制器、通信接口（如 I2C、USART 等），能够满足复杂的工业控制应用需求。 （2）MPU6050 三轴振动传感器：采用微机电系统（MEMS）技术，集成了三轴加速度传感器和数字运动处理器（DMP）。通过 I2C 接口通信，可测量 ±2g/±4g/±8g/±16g 的加速度范围，具备低功耗、小封装等优点，能够准确采集设备的振动信息。 （3）MAX485 RS485 模块：是常用的串口通信模块，支持 RS485 标准。采用差分信号传输方式，具有抗干扰能力强、传输距离远的优点。模块采用 3.3V 或 5V 供电，便于与各类微控制器连接，可广泛应用于工业现场的数据传输。 （4）OMRON 继电器模块：OMRON 继电器是一种可靠的电气控制元件，能够实现小电流控制大电流的功能。通过低电压信号（如 5V 或 3.3V）驱动继电器的线圈，使继电器触点闭合或断开，从而控制外部设备的通断，在工业自动化领域有着广泛的应用。

预期成果

通过本设计，预计完成一个功能完整、性能稳定的工业设备振动监测终端。该终端能够准确采集设备的振动数据，实时进行频谱分析，并将数据通过 RS485 总线稳定传输到工业 PLC 系统。当设备出现异常振动时，能够及时触发报警输出，实现对工业设备振动状态的有效监测和智能控制。同时，开发一套简单易用的调试软件，方便用户对终端进行参数设置和数据监测。

总结

本设计文档详细介绍了工业设备振动监测终端的开发背景、设计实现的功能、硬件模块组成、设计思路、技术方案、模块技术详情、预期成果等内容。通过对 STM32F103RCT6 微控制器及相关传感器、通信模块的合理选型和设计，构建了一个能够实时、准确监测工业设备振动状态的监测终端。

在实际应用中，该终端能够为工业设备的故障诊断和预测性维护提供有力支持，提高设备运行的可靠性和安全性，降低因设备故障带来的经济损失。同时，模块化的设计使得系统具有良好的可扩展性，便于后续功能的升级和优化。

然而，在设计和开发过程中，仍可能存在一些不足之处，如 FFT 算法的计算精度进一步提高、通信抗干扰能力的优化等。未来工作中，需要对这些方面进行深入研究和改进，不断提升监测终端的性能和稳定性，以更好地适应复杂的工业应用环境。

以下是基于你需求的 main.c 代码以及整体设计思路说明：

整体代码设计思路

本 main.c 文件作为整个工业设备振动监测终端程序的核心部分，主要负责协调各个子模块的工作，实现振动数据采集、频谱分析、Modbus - RTU 通信以及报警控制等功能。整体设计思路如下：

1. 系统初始化： ◦ 首先调用各个子模块的初始化函数，对 STM32 的硬件资源（如 GPIO、I2C、USART 等）进行配置，确保系统各部分正常工作。 ◦ 初始化外部中断，设置 PC13 引脚为中断引脚，并配置中断触发条件和优先级。

2. 主循环： ◦ 在主循环中，不断调用振动数据采集函数，通过 I2C 接口从 MPU6050 传感器读取三轴振动数据。 ◦ 对采集到的原始数据进行 FFT 频谱分析，计算出振动频谱信息。 ◦ 将处理后的振动数据通过 RS485 接口按照 Modbus - RTU 协议发送给工业 PLC 系统。 ◦ 检查当前振动数据是否超过预设阈值，如果超过则设置报警标志位。

3. 中断服务函数： ◦ 当振动数据超过阈值触发外部中断时，进入中断服务函数。在中断服务函数中，控制 PC13 引脚电平状态，驱动 OMRON 继电器模块动作，实现报警输出。

main.c 代码

#include "stm32f10x.h"
#include "mpu6050.h"
#include "fft.h"
#include "modbus_rtu.h"
#include "relay_control.h"
​
// 定义振动阈值
#define VIBRATION_THRESHOLD 100
​
// 全局变量
volatile uint8_t vibration_alarm = 0;  // 振动报警标志位
float vibration_data[3];  // 存储三轴振动数据
​
// 函数声明
void SystemInit_Config(void);
​
int main(void)
{
    // 系统初始化
    SystemInit_Config();
​
    while (1)
    {
        // 采集振动数据
        if (MPU6050_Read_Acceleration(vibration_data) == 0)
        {
            // 频谱分析
            FFT_Analyze(vibration_data);
​
            // 检查是否超过阈值
            if (vibration_data[0] > VIBRATION_THRESHOLD || vibration_data[1] > VIBRATION_THRESHOLD || vibration_data[2] > VIBRATION_THRESHOLD)
            {
                if (!vibration_alarm)
                {
                    vibration_alarm = 1;
                    // 触发外部中断（模拟）
                    EXTI_GenerateSWInterrupt(EXTI_Line13);
                }
            }
            else
            {
                vibration_alarm = 0;
            }
​
            // 发送数据到 PLC
            Modbus_RTU_SendData(vibration_data);
        }
​
        // 延时一段时间
        for (int i = 0; i < 100000; i++);
    }
}
​
// 系统初始化函数
void SystemInit_Config(void)
{
    // 初始化 GPIO
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);
​
    // 配置 PC13 为输入引脚（用于外部中断）
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;  // 上拉输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
​
    // 初始化 I2C（用于 MPU6050）
    I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);
​
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
​
    I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
    I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
    I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;
    I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
    I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
    I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 100000;
    I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);
    I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);
​
    // 初始化 USART（用于 Modbus - RTU）
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
​
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
​
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
​
    // 初始化外部中断
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
​
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
​
    GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOC, GPIO_PinSource13);
​
    EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line13;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
​
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI15_10_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
​
    // 初始化 Modbus - RTU
    Modbus_RTU_Init();
​
    // 初始化继电器控制
    Relay_Control_Init();
}
​
// 外部中断服务函数
void EXTI15_10_IRQHandler(void)
{
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line13)!= RESET)
    {
        // 控制继电器动作
        Relay_Control_Toggle();
​
        // 清除中断标志位
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line13);
    }
}

代码说明

1. 头文件包含：包含了 STM32 标准库头文件以及各个子模块的头文件，如 mpu6050.h、fft.h、modbus_rtu.h 和 relay_control.h。

2. 全局变量定义：定义了振动阈值 VIBRATION_THRESHOLD、振动报警标志位 vibration_alarm 和存储三轴振动数据的数组 vibration_data。

3. 主函数 main： ◦ 调用 SystemInit_Config 函数进行系统初始化。 ◦ 在主循环中，不断调用 MPU6050_Read_Acceleration 函数采集振动数据。 ◦ 对采集到的数据进行频谱分析，检查是否超过阈值。如果超过阈值且报警标志位为低电平，则设置报警标志位并触发外部中断。 ◦ 调用 Modbus_RTU_SendData 函数将处理后的数据发送到 PLC。 ◦ 通过延时函数控制循环的执行频率。

4. 系统初始化函数 SystemInit_Config： ◦ 初始化 GPIO 引脚，包括 PC13 引脚用于外部中断和 I2C、USART 所需的 GPIO 引脚。 ◦ 初始化 I2C 接口，用于与 MPU6050 传感器通信。 ◦ 初始化 USART 接口，用于 Modbus - RTU 通信。 ◦ 初始化外部中断，设置 PC13 引脚为中断引脚，并配置中断触发条件和优先级。 ◦ 初始化 Modbus - RTU 协议和继电器控制模块。

5. 外部中断服务函数 EXTI15_10_IRQHandler： ◦ 检查是否是 PC13 引脚触发的中断。 ◦ 如果是，则调用 Relay_Control_Toggle 函数控制继电器动作。 ◦ 清除中断标志位。

注意事项

• 上述代码中的 mpu6050.h、fft.h、modbus_rtu.h 和 relay_control.h 是假设已经存在的子模块头文件，你需要根据实际情况实现这些子模块的功能。 • 代码中的延时函数 for (int i = 0; i < 100000; i++); 是一个简单的延时方法，实际应用中建议使用更精确的定时器来实现延时功能。 • 外部中断触发方式可以根据实际需求进行调整，这里采用的是上升沿触发。

通过以上代码和设计思路，你可以实现一个基本的工业设备振动监测终端，完成振动数据采集、频谱分析、Modbus - RTU 通信和报警控制等功能。