Апаратне та програмне забезпечення системи моніторингу спектру віброприскорень

Abstract

Вібрація серед усіх видів механічних впливів для технічних об’єктів найбільш небезпечна. Знакозмінні напруження, викликані вібрацією, сприяють накопиченню пошкоджень у матеріалах, конструкції системи та руйнуванню. Досить швидко руйнування об’єкта настає при вібраційних впливах за умов резонансу. Водночас, вібрація викликає порушення фізіологічного та функціонального станів людини. Вплив вібрації на людину залежить від її спектрального складу, напрямку дії, тривалості впливу, а також від індивідуальних особливостей особи. У випадку впливу на людину зовнішніх коливань (хитавиці, струсів, вібрації) відбувається їхня взаємодія з внутрішніми хвильовими процесами, виникнення резонансних явищ. Так, зовнішні коливання, із частотою менш 0,7 Гц, утворюють хитавицю і порушують у людини нормальну діяльність вестибулярного апарату. Інфразвукові коливання (менш 16 Гц), впливаючи на людину, пригнічують центральну нервову систему, викликаючи почуття тривоги та страху. За певної інтенсивності на частоті 6…7 Гц інфразвукові коливання, втягуючи у резонанс внутрішні органи і систему кровообігу, здатні викликати травми, розриви артерій тощо. Розроблено структуру системи моніторингу спектру віброприскорень, яка ґрунтується на модульному принципі та включає мікроконтролер, акселерометр, рідкокристалічний графічний кольоровий дисплей, флеш пам’ять, монітор мікрокомп’ютера. Розроблено алгоритми системи моніторингу спектру віброприскорень, що включає алгоритм калібрування акселерометра, алгоритм вимірювання динамічних прискорень та алгоритм швидкого перетворення Фур’є. Визначено інтерфейс I2C для обміну даними між акселерометром ADXL345 та мікрокомп’ютером Raspberry Pi 3 Model B. Розроблено програмне забезпечення, що опрацьовує вхідну інформацію від декількох підключених до Raspberry Pi акселерометрів, що дає змогу проводити багатоканальні вимірювання і їхній аналіз. Наведено результати тестування побудованої системи, які дають змогу стверджувати про правильність та коректність функціонування розробленої системи.

Among all types of mechanical influences, vibration is the most dangerous for technical objects. Alternating stresses caused by vibration contribute to the accumulation of damage in materials, system design, and failure. The destruction of the object occurs quite quickly under vibrational influences under the conditions of resonance, at the same time, vibration causes a violation of the physiological and functional states of a person. The impact of vibration on a person depends on its spectral composition, direction of action, duration of exposure, as well as on the individual characteristics of the person. The structure of the vibration acceleration spectrum monitoring system was developed, which is based on the modular principle and includes a microcontroller, an accelerometer, a liquid crystal graphic color display, flash memory, and a microcomputer monitor. Algorithms of the vibration acceleration spectrum monitoring system were developed, including the accelerometer calibration algorithm, the dynamic acceleration measurement algorithm, and the fast Fourier transformation algorithm. The I2C interface for data exchange between the ADXL345 accelerometer and the Raspberry Pi 3 Model B microcomputer is defined. The software that processes the input information from several accelerometers connected to the Raspberry Pi, which enables multi-channel measurements and their analysis, is developed. The results of testing the built system are given which make it possible to assert the correctness and correctness of the functioning of the developed system. The article includes an introduction, an analysis of literary sources with a statement of the researched problem, in the section “Development of the structure and information support of the system for monitoring the spectrum of vibration accelerations” the developed structure of the system and the features of its hardware implementation are given. The hardware implementation was based on the use of inexpensive components to ensure a low price of the technological solution. In addition, in this section, I2C is selected for the implementation of data exchange between the components of the vibration spectrum monitoring system. The section “Algorithmic support of the designed system” describes the main steps of the algorithm. The section “Development of the vibration acceleration monitoring system software” includes information about the developed structure of the software and a brief description of a specific component. The results of testing the developed system are given in the section “Obtained results and their analysis”. The main results of the conducted research are formulated in the conclusions.