ADXL345在機械設備振動監測中的應用

東莞職業技術學院實訓中心 徐治根

1.引言

機械設備的高速化、大型化和自動化發展，一方面提高了生產力，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常發生的現象，在機械故障和大型機械的狀態監測中振動占有重要的地位，對振動信號進行在線監測和分析可診斷系統及其部件的運行是否正常。

振動相關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、經濟的優勢，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，由電磁感應原理產生微弱的電信號，再經過信號調理放大后通過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公司生產的三軸加速度計ADXL345是一款比較突出的產品。

2.三軸加速度計ADXL345結構和功能特性

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。它的數據以16位2進制補碼格式輸出，并提供SPI和I2C兩種數字訪問接口，編程簡單方便，非常適合于應用在移動設備上。它用于測量傾斜導致的靜態重力加速度，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置的閾值來檢測有無運動發生；(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內部集成了一個32位先進先出(FIFO)緩沖器用于存儲數據，可降低處理器的負荷和整個系統的功耗。ADLX345主要應用于手機、醫療器械、游戲、定點設備、工業儀器儀表、個人導航設備和硬盤驅動保護等多種領域。

圖1 系統機構框圖

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構加速計，多晶硅彈簧懸掛于晶圓表面的結構之上，在有加速度時提供力量阻力。它通過內部的差分電容對結構偏轉進行測量，差分電容包括獨立固定板和活動質量連接板，加速度使慣性質量偏轉、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化成模擬量，模擬量經ADC轉換為數字量后進行數字濾波并存儲在FIFO中，等待主設備通過控制和中斷邏輯從串行I/O口讀加速度的值。

圖3 系統軟件流程

3.系統設計與實現

3.1 硬件電路設計

基于三軸加速度傳感器的振動檢測設備由按鍵模塊、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成。系統結構框圖如圖1所示，其中單片機為系統控制核心，采用華邦W78E052，它最大支持40MHz時鐘，供電電壓范圍寬（2.4V~5.5V），內部包含2個外部中斷、3個定時計數中斷和看門狗計時器。工作時系統以50Hz的速率不斷地采集三軸方向的加速度信號，并通過LCD將數據顯示出來。同時也可以通過串口將數據傳輸到上位機。

三軸加速度模塊電路的電源退耦和旁路設計很重要，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生的噪聲。另外需在VS處加上電源旁路設計，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中的數據滿后，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中的數據。

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 軟件設計

基于三軸加速度傳感器的振動監測設備可以工作在兩種模式，一是單機模式，二是聯機模式，這兩種模式可以通過按鍵來設定。單機模式下，設備將監控到的數據與預先設定的數據進行比較，如果超過警界值，則發出停機指令并報警。而在聯機模式下，設備則將采集到的數據通過RS232發給上位機，并執行上位機發出的命令。

系統軟件流程如圖3所示，系統上電后單片機對各模塊進行初始化，并進行故障自檢，如發現模塊有故障，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。主程序不斷的循環查詢是否有按鍵按下，如果有按鍵按下則執行按鍵功能程序。如果沒有，則三軸加速度傳感器進行數據采樣，系統判斷是否處于聯機模式。處于聯機模式時跟上位機交換數據。單機模式時，按照預先的設定值執行程序，如果有異常停機并發出報警，將異常數據顯示出來。

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

4.結論

選用三軸加速度傳感器ADXL-345設計了一款機械振動的監測裝置，本文詳細介紹了它的軟硬件的設計，完成了對機械設備的故障引起的振動進行監測的功能，實現了對機械設備故障的及時掌握和控制。裝置提供RS232接口，可以方便地將數據傳輸到上位機。隨著微電子技術的不斷發展，利用微電子技術制作的傳感器對機械系統的各種性能進行監測將會得到越來越多的應用。

[1]趙丹.振動加速信號直接數字積分的DSP實現[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及其在捷聯慣導中的應用[J].電子設計工程,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[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007(7):101-105.