東莞職業(yè)技術(shù)學院實訓中心 徐治根

1.引言

機械設(shè)備的高速化、大型化和自動化發(fā)展，一方面提高了生產(chǎn)力，另一方面給安全維護提出了更高的要求。機械振動是各種機器工作工程中經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象，在機械故障和大型機械的狀態(tài)監(jiān)測中振動占有重要的地位，對振動信號進行在線監(jiān)測和分析可診斷系統(tǒng)及其部件的運行是否正常。

振動相關(guān)的物理量包括加速度、速度和位移等，由于測量加速度信號具有方便、經(jīng)濟的優(yōu)勢，工程上通常通過測量加速度測量振動[1]。早期的加速度傳感器是慣性式的，由電磁感應原理產(chǎn)生微弱的電信號，再經(jīng)過信號調(diào)理放大后通過ADC送到微處理器，這種方法電路復雜且成本較高。近年來很多IC廠商制造出了數(shù)字加速度計，將加速度感應裝置和一些必要的外圍電路集成在一片晶圓上，大大降低了加速度信號的測量成本，其中Analog Device公司生產(chǎn)的三軸加速度計ADXL345是一款比較突出的產(chǎn)品。

2.三軸加速度計ADXL345結(jié)構(gòu)和功能特性

三軸加速度傳感器ADXL345尺寸小，功耗低，分辨率高達13位，測量范圍可達±16g。它的數(shù)據(jù)以16位2進制補碼格式輸出，并提供SPI和I2C兩種數(shù)字訪問接口，編程簡單方便，非常適合于應用在移動設(shè)備上。它用于測量傾斜導致的靜態(tài)重力加速度，能測到小于1°的傾角；在運動或者沖擊導致的加速度測量中分辨率可達3.9mg/LSB。ADXL345提供多種特殊檢測功能并能映射到中斷腳輸出，包括：(1)活動和非活動檢測功能，通過比較任意軸上的加速度與用戶設(shè)置的閾值來檢測有無運動發(fā)生；(2)敲擊檢測功能，可以檢測任意方向的單振和雙振動作；(3)自由落體檢測功能，可以檢測器件是否正在掉落。ADXL345內(nèi)部集成了一個32位先進先出(FIFO)緩沖器用于存儲數(shù)據(jù)，可降低處理器的負荷和整個系統(tǒng)的功耗。ADLX345主要應用于手機、醫(yī)療器械、游戲、定點設(shè)備、工業(yè)儀器儀表、個人導航設(shè)備和硬盤驅(qū)動保護等多種領(lǐng)域。

圖1 系統(tǒng)機構(gòu)框圖

圖2 加速度計模塊電路

ADXL345晶圓頂部為多晶硅表面微加工結(jié)構(gòu)加速計，多晶硅彈簧懸掛于晶圓表面的結(jié)構(gòu)之上，在有加速度時提供力量阻力。它通過內(nèi)部的差分電容對結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)進行測量，差分電容包括獨立固定板和活動質(zhì)量連接板，加速度使慣性質(zhì)量偏轉(zhuǎn)、差分電容失衡，從而傳感器輸出的幅度與加速度成正比。ADXL345的工作流程為：首先由3軸敏感單元感應3個方向的加速度，然后通過電子感應器件將感應到的加速度量轉(zhuǎn)化成模擬量，模擬量經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后進行數(shù)字濾波并存儲在FIFO中，等待主設(shè)備通過控制和中斷邏輯從串行I/O口讀加速度的值。

圖3 系統(tǒng)軟件流程

3.系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 硬件電路設(shè)計

基于三軸加速度傳感器的振動檢測設(shè)備由按鍵模塊、加速度傳感器模塊、RS232接口電路、報警電路模塊、繼電器控制模塊和LCD顯示模塊等幾部分構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中單片機為系統(tǒng)控制核心，采用華邦W78E052，它最大支持40MHz時鐘，供電電壓范圍寬（2.4V~5.5V），內(nèi)部包含2個外部中斷、3個定時計數(shù)中斷和看門狗計時器。工作時系統(tǒng)以50Hz的速率不斷地采集三軸方向的加速度信號，并通過LCD將數(shù)據(jù)顯示出來。同時也可以通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。

三軸加速度模塊電路的電源退耦和旁路設(shè)計很重要，如圖2所示，在VDD和地間放置一只0.1μF電容且盡可能地靠近VDD，可用來消除電源電壓波動產(chǎn)生的噪聲。另外需在VS處加上電源旁路設(shè)計，采用一只10Ω的電阻和10μF的電容進行旁路連接。

將第7腳片選引腳拉高至VDD時ADXL345處于I2C通訊模式，以I2C模式工作要將ATL ADDRESS引腳接地。為了保證正確操作，需在SCL和SDA引腳加上拉電阻，上拉電阻的范圍可在2K~10K之間[2]。需特殊說明的是，如果還有其他器件連接到I2C總線時，這些器件的額定工作電壓電平不要高于VDD0.3V以上。將SCL、SDA、INT1引腳分別與W78E052的P1.1、P1.2和INT1引腳相連接，此時ADXL345的I2C通訊地址為0x53，當FIFO中的數(shù)據(jù)滿后，ADXL345會提供中斷信號給單片機，這時單片機可以通過I2C讀取FIFO中的數(shù)據(jù)。

ADXL345是一款高靈敏度3軸加速度傳感器，它在PCB上的安裝和PCB板固定都有一定的要求。因為PCB板的諧振程度會影響加速度的計量，如果將傳感器安裝在PCB上一些沒有硬支撐的位置，會導致明顯的測量錯誤[3-4]。

3.2 軟件設(shè)計

基于三軸加速度傳感器的振動監(jiān)測設(shè)備可以工作在兩種模式，一是單機模式，二是聯(lián)機模式，這兩種模式可以通過按鍵來設(shè)定。單機模式下，設(shè)備將監(jiān)控到的數(shù)據(jù)與預先設(shè)定的數(shù)據(jù)進行比較，如果超過警界值，則發(fā)出停機指令并報警。而在聯(lián)機模式下，設(shè)備則將采集到的數(shù)據(jù)通過RS232發(fā)給上位機，并執(zhí)行上位機發(fā)出的命令。

系統(tǒng)軟件流程如圖3所示，系統(tǒng)上電后單片機對各模塊進行初始化，并進行故障自檢，如發(fā)現(xiàn)模塊有故障，通過LCD顯示故障模塊并報警[5]。如果沒有故障，則進入主程序。主程序不斷的循環(huán)查詢是否有按鍵按下，如果有按鍵按下則執(zhí)行按鍵功能程序。如果沒有，則三軸加速度傳感器進行數(shù)據(jù)采樣，系統(tǒng)判斷是否處于聯(lián)機模式。處于聯(lián)機模式時跟上位機交換數(shù)據(jù)。單機模式時，按照預先的設(shè)定值執(zhí)行程序，如果有異常停機并發(fā)出報警，將異常數(shù)據(jù)顯示出來。

單片機讀取ADXL345的數(shù)據(jù)完成后發(fā)出清空指令將FIFO清除，然后發(fā)出啟動采集加速度信號，設(shè)定好ADXL345的觸發(fā)模式，這樣當FIFO的數(shù)據(jù)采集滿時，INT1引腳將產(chǎn)生一個下降沿的中斷。單片機的中斷服務程序中設(shè)置一個ADXL345數(shù)據(jù)采集完成的標志位，每次有中斷時就將數(shù)據(jù)讀出來，這樣ADXL345的數(shù)據(jù)采集和單片機的數(shù)據(jù)處理就可以同步進行了。

4.結(jié)論

選用三軸加速度傳感器ADXL-345設(shè)計了一款機械振動的監(jiān)測裝置，本文詳細介紹了它的軟硬件的設(shè)計，完成了對機械設(shè)備的故障引起的振動進行監(jiān)測的功能，實現(xiàn)了對機械設(shè)備故障的及時掌握和控制。裝置提供RS232接口，可以方便地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，利用微電子技術(shù)制作的傳感器對機械系統(tǒng)的各種性能進行監(jiān)測將會得到越來越多的應用。

[1]趙丹.振動加速信號直接數(shù)字積分的DSP實現(xiàn)[D].太原理工大學碩士研究生學位論文,2008(06).

[2]NXP Semiconductors.UM10204 I2C-bus specif i cation and user manual.2007,6.

[3]袁西,陳棟,田湘,等.三軸加速計ADXL345及其在捷聯(lián)慣導中的應用[J].電子設(shè)計工程,2010,18(3):138-140.

[4]唐立軍,滕召勝,陳良柱,等.電子稱傾角自動檢測與稱量誤差補償方法研究[J].電子測量與儀器學報,2011,25(1):61-67.

[5]李廣弟,朱月秀,王秀山.單片機基礎(chǔ)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007(7):101-105.