基于LabVIEW的多通道螺纹机构松动预警系统设计

郭三明，王志方，孙鹏荆，吴 俊，王玉栋

（河南理工大学 电气工程与自动化学院，焦作 454000）

0 引言

螺纹机构是一种常见且重要的机械结构，一般包括螺栓与螺母两部分。近年来由于机构松动导致螺栓或螺母脱落的重大事故比比皆是，造成了严重经济损失与人员伤亡[1]。松动的原因主要是螺母沿螺栓的径向振动导致螺纹不可靠自锁，此外有研究表明，当温度和振动等极端情况发生时，即使是反死螺栓也有发生脱落的风险[2]。目前对于螺纹机构松动与否的常规检查基本依靠人力，在电力系统输电杆塔等大型钢架结构中，更是采用直升机携带高清摄像头或人工使用望远镜等方法进行检测，工作强度大，成本高。

针对以上情况，本文中设计了一种多通道螺纹机构松动预警系统，该系统基于LabVIEW软件，通过监控终端发送监控对象的状态信号至下位机，下位机接收、处理数据并传至上位机，实现多路螺纹机构的集中状态监控，实验表明，其可靠性高，实用性强。

1 螺纹机构松动预警原理

螺纹机构松动时，螺栓与螺母将发生相对位移，通过监控终端检测二者有无相对位移判断松动与否。原理图如图1所示，监控终端包括主单元与副单元，主单元以非接触式霍尔传感器为核心元器件构成，固定安装于螺栓上，用于检测磁场信号[3]；副单元为磁性元件，安装于螺母上，提供磁场信号。

主单元与副单元错位安装，使监控终端对监控对象有一定的容忍度。正常状态下，主单元未被触发；发生松动时，螺母反旋，主、副单元开始靠近，当主单元霍尔传感器进入副单元的磁场中时，将产生一个开关信号，主单元电路被触发，进行预警。

图1 螺纹机构松动预警原理图

2 系统总体设计

系统总体结构如图2所示，多路监控终端将监控对象的状态信号通过无线形式发送到下位机，经过下位机集中处理，最终把各个监控对象的状态显示在上位机上，下位机与上位机通过串行总线进行通信。

图2 系统结构示意图

图3 监控终端电路

在该系统中，各终端与下位机的无线通信采用PT2262、PT2272无线模块，PT2262/2272是一对带地址、数据编码功能的无线遥控发射/接收芯片，其中PT2262模块作为无线发射模块，发送终端的监控信号，PT2272模块为无线接收模块，接收PT2262模块所发信号并送给下位机；下位机采用51单片机开发板；基于LabVIEW的上位机程序在PC机上运行；上位机与下位机的串行通信采用RS232串行总线[4]。

3 监控终端电路设计

监控终端电路如图3所示，主要包括3144E型霍尔传感器构成的触发电路、CD4013触发器芯片构成的锁存电路、二极管D1和D2构成的与门电路以及NE555定时器芯片构成的多谐振荡电路等，图中P3端子连接PT2262无线发射模块。工作工程如下：

电路通电后，C2、R12组成的上电复位电路首先使U1触发器复位，其1引脚输出低电平，系统进入监控状态，此时霍尔传感器没有处于磁场中，其3引脚输出高电平，CD4013 的4引脚处于低电平，触发器处于稳态，1引脚持续输出低电平，U2构成的多谐振荡器不启动，因此多谐振荡器驱动的Beep与LED不工作，不产生预警信号；同时D1、D2构成的与门电路输出低电平，开关三极管B7因基极为高而不导通，其控制的无线发射模块不向下位机接收模块发送任何信号。

螺纹机构松动致使霍尔传感器进入磁性元件的磁场中时，传感器3引脚输出低电平，B1三极管导通，触发器被置位，CD4013的1引脚输出高电平，此时B2三极管导通，多谐振荡器启动，NE555的3引脚输出一定频率PWM信号，该信号加至三极管B3及B5基极，B3将驱动Beep发出报警声，B5驱动LED产生预警灯光；同时由于C4经R15充电，D1阳极将出现暂态的高电平，B6、B7相继导通，PT2262无线模块向下位机接收模块发送一位开关信号，该信号将使上位机主界面对应路的预警灯点亮[5,6]。

松动状况解除后，按下复位按键K1，触发器被手动复位，其1引脚翻转为低电平，多谐振荡器停止输出，Beep及LED停止预警；按动K1后，C2经R12充电，D2阳极出现暂态高电平，B6导通，B7也导通，PT2262无线模块再次向下位机接收模块发送一次开关信号，该信号使上位机程序解除预警，继续保持监控状态。监控终端PCB及实物如图4所示。

图4 监控终端PCB及实物

4 下位机及上位机设计

4.1 下位机部分

下位机选用单片机开发板，采用STC12C5A60S2单片机，该单片机是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。PT2272无线接收模块数据输出端与单片机I/O相连[7]。

为验证下位机部分的可行性及可靠性，在Protues环境下搭建仿真电路进行仿真实验，如图5所示，预警系统的通道数为8，采用8个按键模拟PT2272无线模块接收到的信号，用8个发光二级管象征下位机上传至上位机的终端状态信息，按下按键表明对应路的监控对象发生松动，再次按下该按键表明松动状况解除。单片机根据无线模块接收到的数据，不断更新上传的数据，使终端状态信息实时显示在上位机上。仿真代码如下：

仿真结果表明，按下通道1按键，终端1灯点亮并维持，再次按下该按键，对应灯熄灭，其余各通道实验结果相同，这说明下位机可以实现预期功能。在实际系统中，下位机通过RS232串行总线方式上传数据，实现通信的具体代码为：

图5 下位机仿真电路

4.2 上位机部分

上位机基于LabVIEW软件实现，LabVIEW作为一种虚拟仪器开发平台，编程方式简单直观、显示特性灵活、兼容性好[8,9]。本系统中基于LabVIEW的上位机程序框图如图6所示，上位机主要实现以下功能：

图6 上位机程序框图

1）串口通信：通过串口通信接收下位机发送的各个监控终端状态信息。首先配置串口参数，即波特率、数据位、校验位和停止位等（本系统设定为典型值9600、8、None、1.0），接着对打开的串口进行读操作，读完接收的数据后清空缓冲区，最后关闭串口；

2）预警显示：识别出检测到松动的监控终端，在上位机前面板上进行显示（终端对应的红色预警灯点亮）。

5 系统测试

为验证基于LabVIEW的多通道螺纹机构松动预警系统是否可靠，对该系统进行了功能测试，搭建的系统平台如图7所示，图8为4#终端检测到松动状况时的监控界面。

图7 系统平台实物图

图8 系统监控界面

表1 系统测试结果

测试中，手动反旋监控对象的螺母，模拟松动过程，以验证监控终端是否能被触发报警，同时验证上位机监控界面预警灯是否点亮；然后旋转螺母至正常状态，相当于解除松动状况，此时按下监控终端的复位按键，验证监控终端及上位机是否结束预警。

按照上述试验过程，对本系统的8个通道逐一进行多次测试，测试结果如表1所示。结果表明，各通道检测到松动时均能正常预警，没有出现未报警或误报警现象，且各终端及上位机均能被正常复位，运行良好。

6 结论

本文提出一种基于LabVIEW的多通道螺纹机构松动预警系统。该系统由监控终端、下位机以及基于

LabVIEW的上位机程序组成。系统的主要特点是能够实现螺纹机构多点集中监控；发生松动时能够在上位机与监控终端上同步预警，同步复位。测试结果表明：系统能够稳定工作，可靠性好，在输电杆塔等需要进行螺纹机构松动预警的场合具有广阔的实用前景。由于系统测试工作仅在实验室环境下进行，因此其工程实用性、电磁兼容性等还需进一步试验及优化；同时监控终端与下位机、下位机与上位机之间的通信方式可不限于本文所述，采用更好通信方式的新系统有待开发。

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