東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)訓(xùn)中心 徐治根

1.引言

機(jī)械設(shè)備的高速化、大型化和自動(dòng)化發(fā)展，一方面提高了生產(chǎn)力，另一方面給安全維護(hù)提出了更高的要求。機(jī)械振動(dòng)是各種機(jī)器工作工程中經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象，在機(jī)械故障和大型機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)中振動(dòng)占有重要的地位，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和分析可診斷系統(tǒng)及其部件的運(yùn)行是否正常。

振動(dòng)相關(guān)的物理量包括加速度、速度和位移等，由于測(cè)量加速度信號(hào)具有方便、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，工程上通常通過(guò)測(cè)量加速度測(cè)量振動(dòng)[1]。早期的加速度傳感器是慣性式的，由電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生微弱的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理放大后通過(guò)ADC送到微處理器，這種方法電路復(fù)雜且成本較高。近年來(lái)很多IC廠(chǎng)商制造出了數(shù)字加速度計(jì)，將加速度感應(yīng)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(hào)的測(cè)量成本，其中Analog Device公司生產(chǎn)的三軸加速度計(jì)ADXL345是一款比較突出的產(chǎn)品。

2.三軸加速度計(jì)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(dá)13位，測(cè)量范圍可達(dá)±16g。它的數(shù)據(jù)以16位2進(jìn)制補(bǔ)碼格式輸出，并提供SPI和I2C兩種數(shù)字訪(fǎng)問(wèn)接口，編程簡(jiǎn)單方便，非常適合于應(yīng)用在移動(dòng)設(shè)備上。它用于測(cè)量?jī)A斜導(dǎo)致的靜態(tài)重力加速度，能測(cè)到小于1°的傾角；在運(yùn)動(dòng)或者沖擊導(dǎo)致的加速度測(cè)量中分辨率可達(dá)3.9mg/LSB。ADXL345提供多種特殊檢測(cè)功能并能映射到中斷腳輸出，包括：(1)活動(dòng)和非活動(dòng)檢測(cè)功能，通過(guò)比較任意軸上的加速度與用戶(hù)設(shè)置的閾值來(lái)檢測(cè)有無(wú)運(yùn)動(dòng)發(fā)生；(2)敲擊檢測(cè)功能，可以檢測(cè)任意方向的單振和雙振動(dòng)作；(3)自由落體檢測(cè)功能，可以檢測(cè)器件是否正在掉落。ADXL345內(nèi)部集成了一個(gè)32位先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可降低處理器的負(fù)荷和整個(gè)系統(tǒng)的功耗。ADLX345主要應(yīng)用于手機(jī)、醫(yī)療器械、游戲、定點(diǎn)設(shè)備、工業(yè)儀器儀表、個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備和硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)保護(hù)等多種領(lǐng)域。

圖1 系統(tǒng)機(jī)構(gòu)框圖

圖2 加速度計(jì)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(jì)，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(shí)提供力量阻力。它通過(guò)內(nèi)部的差分電容對(duì)結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)進(jìn)行測(cè)量，差分電容包括獨(dú)立固定板和活動(dòng)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(yīng)3個(gè)方向的加速度，然后通過(guò)電子感應(yīng)器件將感應(yīng)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(jìn)行數(shù)字濾波并存儲(chǔ)在FIFO中，等待主設(shè)備通過(guò)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

基于三軸加速度傳感器的振動(dòng)檢測(cè)設(shè)備由按鍵模塊、加速度傳感器模塊、RS232接口電路、報(bào)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(jī)為系統(tǒng)控制核心，采用華邦W78E052，它最大支持40MHz時(shí)鐘，供電電壓范圍寬（2.4V~5.5V），內(nèi)部包含2個(gè)外部中斷、3個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)中斷和看門(mén)狗計(jì)時(shí)器。工作時(shí)系統(tǒng)以50Hz的速率不斷地采集三軸方向的加速度信號(hào)，并通過(guò)LCD將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。同時(shí)也可以通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

三軸加速度模塊電路的電源退耦和旁路設(shè)計(jì)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(lái)消除電源電壓波動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。另外需在VS處加上電源旁路設(shè)計(jì)，采用一只10Ω的電阻和10μF的電容進(jìn)行旁路連接。

將第7腳片選引腳拉高至VDD時(shí)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(shuō)明的是，如果還有其他器件連接到I2C總線(xiàn)時(shí)，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(shí)ADXL345的I2C通訊地址為0x53，當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)滿(mǎn)后，ADXL345會(huì)提供中斷信號(hào)給單片機(jī)，這時(shí)單片機(jī)可以通過(guò)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?yàn)镻CB板的諧振程度會(huì)影響加速度的計(jì)量，如果將傳感器安裝在PCB上一些沒(méi)有硬支撐的位置，會(huì)導(dǎo)致明顯的測(cè)量錯(cuò)誤[3-4]。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

基于三軸加速度傳感器的振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備可以工作在兩種模式，一是單機(jī)模式，二是聯(lián)機(jī)模式，這兩種模式可以通過(guò)按鍵來(lái)設(shè)定。單機(jī)模式下，設(shè)備將監(jiān)控到的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果超過(guò)警界值，則發(fā)出停機(jī)指令并報(bào)警。而在聯(lián)機(jī)模式下，設(shè)備則將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232發(fā)給上位機(jī)，并執(zhí)行上位機(jī)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(jī)對(duì)各模塊進(jìn)行初始化，并進(jìn)行故障自檢，如發(fā)現(xiàn)模塊有故障，通過(guò)LCD顯示故障模塊并報(bào)警[5]。如果沒(méi)有故障，則進(jìn)入主程序。主程序不斷的循環(huán)查詢(xún)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(méi)有，則三軸加速度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，系統(tǒng)判斷是否處于聯(lián)機(jī)模式。處于聯(lián)機(jī)模式時(shí)跟上位機(jī)交換數(shù)據(jù)。單機(jī)模式時(shí)，按照預(yù)先的設(shè)定值執(zhí)行程序，如果有異常停機(jī)并發(fā)出報(bào)警，將異常數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。

單片機(jī)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(dòng)采集加速度信號(hào)，設(shè)定好ADXL345的觸發(fā)模式，這樣當(dāng)FIFO的數(shù)據(jù)采集滿(mǎn)時(shí)，INT1引腳將產(chǎn)生一個(gè)下降沿的中斷。單片機(jī)的中斷服務(wù)程序中設(shè)置一個(gè)ADXL345數(shù)據(jù)采集完成的標(biāo)志位，每次有中斷時(shí)就將數(shù)據(jù)讀出來(lái)，這樣ADXL345的數(shù)據(jù)采集和單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理就可以同步進(jìn)行了。

4.結(jié)論

選用三軸加速度傳感器ADXL-345設(shè)計(jì)了一款機(jī)械振動(dòng)的監(jiān)測(cè)裝置，本文詳細(xì)介紹了它的軟硬件的設(shè)計(jì)，完成了對(duì)機(jī)械設(shè)備的故障引起的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械設(shè)備故障的及時(shí)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(jī)。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(duì)機(jī)械系統(tǒng)的各種性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)將會(huì)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

[1]趙丹.振動(dòng)加速信號(hào)直接數(shù)字積分的DSP實(shí)現(xiàn)[D].太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)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(jì)ADXL345及其在捷聯(lián)慣導(dǎo)中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程,2010,18(3):138-140.

[4]唐立軍,滕召勝,陳良柱,等.電子稱(chēng)傾角自動(dòng)檢測(cè)與稱(chēng)量誤差補(bǔ)償方法研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2011,25(1):61-67.

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