基于LabVIEW的多通道螺紋機構松動預警系統設計

郭三明，王志方，孫鵬荊，吳 俊，王玉棟

（河南理工大學 電氣工程與自動化學院，焦作 454000）

0 引言

螺紋機構是一種常見且重要的機械結構，一般包括螺栓與螺母兩部分。近年來由于機構松動導致螺栓或螺母脫落的重大事故比比皆是，造成了嚴重經濟損失與人員傷亡[1]。松動的原因主要是螺母沿螺栓的徑向振動導致螺紋不可靠自鎖，此外有研究表明，當溫度和振動等極端情況發生時，即使是反死螺栓也有發生脫落的風險[2]。目前對于螺紋機構松動與否的常規檢查基本依靠人力，在電力系統輸電桿塔等大型鋼架結構中，更是采用直升機攜帶高清攝像頭或人工使用望遠鏡等方法進行檢測，工作強度大，成本高。

針對以上情況，本文中設計了一種多通道螺紋機構松動預警系統，該系統基于LabVIEW軟件，通過監控終端發送監控對象的狀態信號至下位機，下位機接收、處理數據并傳至上位機，實現多路螺紋機構的集中狀態監控，實驗表明，其可靠性高，實用性強。

1 螺紋機構松動預警原理

螺紋機構松動時，螺栓與螺母將發生相對位移，通過監控終端檢測二者有無相對位移判斷松動與否。原理圖如圖1所示，監控終端包括主單元與副單元，主單元以非接觸式霍爾傳感器為核心元器件構成，固定安裝于螺栓上，用于檢測磁場信號[3]；副單元為磁性元件，安裝于螺母上，提供磁場信號。

主單元與副單元錯位安裝，使監控終端對監控對象有一定的容忍度。正常狀態下，主單元未被觸發；發生松動時，螺母反旋，主、副單元開始靠近，當主單元霍爾傳感器進入副單元的磁場中時，將產生一個開關信號，主單元電路被觸發，進行預警。

圖1 螺紋機構松動預警原理圖

2 系統總體設計

系統總體結構如圖2所示，多路監控終端將監控對象的狀態信號通過無線形式發送到下位機，經過下位機集中處理，最終把各個監控對象的狀態顯示在上位機上，下位機與上位機通過串行總線進行通信。

圖2 系統結構示意圖

圖3 監控終端電路

在該系統中，各終端與下位機的無線通信采用PT2262、PT2272無線模塊，PT2262/2272是一對帶地址、數據編碼功能的無線遙控發射/接收芯片，其中PT2262模塊作為無線發射模塊，發送終端的監控信號，PT2272模塊為無線接收模塊，接收PT2262模塊所發信號并送給下位機；下位機采用51單片機開發板；基于LabVIEW的上位機程序在PC機上運行；上位機與下位機的串行通信采用RS232串行總線[4]。

3 監控終端電路設計

監控終端電路如圖3所示，主要包括3144E型霍爾傳感器構成的觸發電路、CD4013觸發器芯片構成的鎖存電路、二極管D1和D2構成的與門電路以及NE555定時器芯片構成的多諧振蕩電路等，圖中P3端子連接PT2262無線發射模塊。工作工程如下：

電路通電后，C2、R12組成的上電復位電路首先使U1觸發器復位，其1引腳輸出低電平，系統進入監控狀態，此時霍爾傳感器沒有處于磁場中，其3引腳輸出高電平，CD4013 的4引腳處于低電平，觸發器處于穩態，1引腳持續輸出低電平，U2構成的多諧振蕩器不啟動，因此多諧振蕩器驅動的Beep與LED不工作，不產生預警信號；同時D1、D2構成的與門電路輸出低電平，開關三極管B7因基極為高而不導通，其控制的無線發射模塊不向下位機接收模塊發送任何信號。

螺紋機構松動致使霍爾傳感器進入磁性元件的磁場中時，傳感器3引腳輸出低電平，B1三極管導通，觸發器被置位，CD4013的1引腳輸出高電平，此時B2三極管導通，多諧振蕩器啟動，NE555的3引腳輸出一定頻率PWM信號，該信號加至三極管B3及B5基極，B3將驅動Beep發出報警聲，B5驅動LED產生預警燈光；同時由于C4經R15充電，D1陽極將出現暫態的高電平，B6、B7相繼導通，PT2262無線模塊向下位機接收模塊發送一位開關信號，該信號將使上位機主界面對應路的預警燈點亮[5,6]。

松動狀況解除后，按下復位按鍵K1，觸發器被手動復位，其1引腳翻轉為低電平，多諧振蕩器停止輸出，Beep及LED停止預警；按動K1后，C2經R12充電，D2陽極出現暫態高電平，B6導通，B7也導通，PT2262無線模塊再次向下位機接收模塊發送一次開關信號，該信號使上位機程序解除預警，繼續保持監控狀態。監控終端PCB及實物如圖4所示。

圖4 監控終端PCB及實物

4 下位機及上位機設計

4.1 下位機部分

下位機選用單片機開發板，采用STC12C5A60S2單片機，該單片機是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍。PT2272無線接收模塊數據輸出端與單片機I/O相連[7]。

為驗證下位機部分的可行性及可靠性，在Protues環境下搭建仿真電路進行仿真實驗，如圖5所示，預警系統的通道數為8，采用8個按鍵模擬PT2272無線模塊接收到的信號，用8個發光二級管象征下位機上傳至上位機的終端狀態信息，按下按鍵表明對應路的監控對象發生松動，再次按下該按鍵表明松動狀況解除。單片機根據無線模塊接收到的數據，不斷更新上傳的數據，使終端狀態信息實時顯示在上位機上。仿真代碼如下：

仿真結果表明，按下通道1按鍵，終端1燈點亮并維持，再次按下該按鍵，對應燈熄滅，其余各通道實驗結果相同，這說明下位機可以實現預期功能。在實際系統中，下位機通過RS232串行總線方式上傳數據，實現通信的具體代碼為：

圖5 下位機仿真電路

4.2 上位機部分

上位機基于LabVIEW軟件實現，LabVIEW作為一種虛擬儀器開發平臺，編程方式簡單直觀、顯示特性靈活、兼容性好[8,9]。本系統中基于LabVIEW的上位機程序框圖如圖6所示，上位機主要實現以下功能：

圖6 上位機程序框圖

1）串口通信：通過串口通信接收下位機發送的各個監控終端狀態信息。首先配置串口參數，即波特率、數據位、校驗位和停止位等（本系統設定為典型值9600、8、None、1.0），接著對打開的串口進行讀操作，讀完接收的數據后清空緩沖區，最后關閉串口；

2）預警顯示：識別出檢測到松動的監控終端，在上位機前面板上進行顯示（終端對應的紅色預警燈點亮）。

5 系統測試

為驗證基于LabVIEW的多通道螺紋機構松動預警系統是否可靠，對該系統進行了功能測試，搭建的系統平臺如圖7所示，圖8為4#終端檢測到松動狀況時的監控界面。

圖7 系統平臺實物圖

圖8 系統監控界面

表1 系統測試結果

測試中，手動反旋監控對象的螺母，模擬松動過程，以驗證監控終端是否能被觸發報警，同時驗證上位機監控界面預警燈是否點亮；然后旋轉螺母至正常狀態，相當于解除松動狀況，此時按下監控終端的復位按鍵，驗證監控終端及上位機是否結束預警。

按照上述試驗過程，對本系統的8個通道逐一進行多次測試，測試結果如表1所示。結果表明，各通道檢測到松動時均能正常預警，沒有出現未報警或誤報警現象，且各終端及上位機均能被正常復位，運行良好。

6 結論

本文提出一種基于LabVIEW的多通道螺紋機構松動預警系統。該系統由監控終端、下位機以及基于

LabVIEW的上位機程序組成。系統的主要特點是能夠實現螺紋機構多點集中監控；發生松動時能夠在上位機與監控終端上同步預警，同步復位。測試結果表明：系統能夠穩定工作，可靠性好，在輸電桿塔等需要進行螺紋機構松動預警的場合具有廣闊的實用前景。由于系統測試工作僅在實驗室環境下進行，因此其工程實用性、電磁兼容性等還需進一步試驗及優化；同時監控終端與下位機、下位機與上位機之間的通信方式可不限于本文所述，采用更好通信方式的新系統有待開發。

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