ADXL345在机械设备振动监测中的应用
摘要：对振动信号进行在线监测和分析是机械设备故障诊断的重要手段，为了及时监控机械设备故障，采用三轴加速度计ADXL345和单片机相结合的技术设计可对机械设备振动进行实时检测的了一种监控装置，本文详细描述该装置的硬件和控制软件实现。
关键词：ADXL345，加速度传感器，机械振动监测
Abstract: Monitor and analysis of vibration is important means for diagnosing failures of mechanical equipments. In order to timely monitor the mechanical equipment failures, a monitoring device for monitoring the vibration of machinery and equipment is designed using the ADXL345 three-axis accelerometer and SCMC technology. This paper describes the hardware and control software of its implementation.
Key words: ADXL345; acceleration sensor; mechanical vibration monitoring
1.引言
当今机械设备正朝着高速化、大型化和自动化的方向发展，这一方面提高了生产力，另一方面给安全维护提出了更高的要求。机械振动是各种机器工作工程中经常发生的现象，在机械故障和大型机械的状态监测中振动占有重要的地位，对振动信号进行在线监测和分析可诊断系统及其部件的运行是否正常。随着制造业发展的精密化和复杂化，使得振动缺陷给生产带来的损失不断的增加。为了与现代工业生产匹配，设备必须具备高的可靠性和安全性，这使得对机械设备的监测变得越发的重要。在工业生产中采用分析振动信号对设备进行监测和故障诊断的方法可以及早的发现设备故障甚至预测未来故障的发展方向，可以做到根据实际情况来进行维护，缩短停工周期，减少维护时间，节省花在设备维护上的人力和物力。
振动相关的物理量包括加速度、速度和位移等，由于测量加速度信号具有方便、经济的优势，工程上通常通过测量加速度测量振动[1]。早期的加速度传感器是惯性式的，由电磁感应原理产生微弱的电信号，再经过信号调理放大后通过ADC送到微处理器，这种方法电路复杂且成本较高。近年来很多IC厂商制造出了数字加速度计，将加速度感应装置和一些必要的外围电路集成在一片晶圆上，大大降低了加速度信号的测量成本，其中Analog Device公司生产的三轴加速度计ADXL345是一款比较突出的产品。
2.三轴加速度计ADXL345结构和功能特性
三轴加速度传感器 ADXL345尺寸小，功耗低，分辨率高达13位，测量范围可达±16g。它的数据以16位2进制补码格式输出，并提供SPI和I2C两种数字访问接口，编程简单方便，非常适合于应用在移动设备上。它用于测量倾斜导致的静态重力加速度，能测到小于1°的倾角；在运动或者冲击导致的加速度测量中分辨率可达3.9mg/LSB。ADXL345提供多种特殊检测功能并能映射到中断脚输出，包括：(1) 活动和非活动检测功能，通过比较任意轴上的加速度与用户设置的阈值来检测有无运动发生；(2) 敲击检测功能，可以检测任意方向的单振和双振动作；(3) 自由落体检测功能，可以检测器件是否正在掉落。ADXL345内部集成了一个32位先进先出(FIFO)缓冲器用于存储数据，可降低处理器的负荷和整个系统的功耗。ADLX345主要应用于手机、医疗器械、游戏、定点设备、工业仪器仪表、个人导航设备和硬盘驱动保护等多种领域。
ADXL345晶圆顶部为多晶硅表面微加工结构加速计，多晶硅弹簧悬挂于晶圆表面的结构之上，在有加速度时提供力量阻力。它通过内部的差分电容对结构偏转进行测量，差分电容包括独立固定板和活动质量连接板，加速度使惯性质量偏转、差分电容失衡，从而传感器输出的幅度与加速度成正比。ADXL345的工作流程为：首先由3轴敏感单元感应3个方向
的加速度，然后通过电子感应器件将感应到的加速度量转化成模拟量，模拟量经ADC转换为数字量后进行数字滤波并存储在FIFO中，等待主设备通过控制和中断逻辑从串行I/O口读加速度的值。
3. 系统设计与实现 3.1硬件电路设计
基于三轴加速度传感器的振动检测设备由按键模块、加速键盘报警电路单度传感器模块、RS232接口电路、报警电路模块、继电器控制
RS232继电器片模块和LCD显示模块等几部分构成。系统结构框图如图1所
机LCD示，其中单片机为系统控制核心，采用华邦W78E052，它最加速度计大支持40MHz时钟，供电电压范围宽（2.4V~5.5V），内部包
电源及电源管理含2个外部中断、3个定时计数中断和看门狗计时器，用在本
系统中具有相当高的性价比。工作时系统以50Hz的速率不断
图1 系统机构框图 地采集三轴方向的加速度信号，并通过LCD将数据显示出来。同时也可以通过串口将数据传输到上位机。
三轴加速度模块电路的电源退耦和旁路设计很重要，如图2所示，在VDD I/O和电源间放置一只0.1μF电容且尽可能地靠近VDD I/O，可用来消除电源电压波动产生的噪声。另外需在VS处加上电源旁路设计，采用一只10Ω的电阻和10μF的电容进行旁路连接。
将第7脚片选引脚拉高至VDD I/O时
图2 加速度计模块电路 ADXL345处于 I2C通讯模式，以I2C模式工
作要将ATL ADDRESS引脚接地。为了保证正确操作，上电需在SCL和SDA引脚加上拉电阻，上拉电阻的范围可
初始化在2K~10K之间[2]。需特殊说明的是，如果还有其他器
件连接到I2C总线时，这些器件的额定工作电压电平不
自检要高于VDDI/O 0.3V以上。将SCL、SDA、INT1引脚分
Y别与W78E052的P1.1、P1.2和INT1引脚相连接，此故障显示并报警2
N时ADXL345的IC通讯地址为0x53，当FIFO中的数
Y有按键按键处理据满后，ADXL345会提供中断信号给单片机，这时单
N片机可以通过I2C读取FIFO中的数据。
数据采样ADXL345是一款高灵敏度3轴加速度传感器，它
在PCB上的安装和PCB板固定都有一定的要求。因为Y上传数据联机？PCB板的谐振程度会影响加速度的计量，如果将传感器N安装在PCB上一些没有硬支撑的位置，会导致明显的数据处理测量错误[3-4]。
N超警界3.2 软件设计
Y基于三轴加速度传感器的振动监测设备可以工作停机并报警在两种模式，一是单机模式，二是联机模式，这两种模
显示数据式可以通过按键来设定。单机模式下，设备将监控到的
数据与预先设定的数据进行比较，如果超过警界值，则发出停机指令并报警。而在联机模式下，设备则将采集
图3 系统软件流程 到的数据通过RS232发给上位机，并执行上位机发出的
命令。
系统软件流程如图3所示，系统上电后单片机对各模块进行初始化，并进行故障自检，如发现模块有故障，通过LCD显示故障模块并报警[5]。如果没有故障，则进入主程序。主程序不断的循环查询是否有按键按下，如果有按键按下则执行按键功能程序。如果没有，则三轴加速度传感器进行数据采样，系统判断是否处于联机模式。处于联机模式时跟上位机交换数据。单机模式时，按照预先的设定值执行程序，如果有异常停机并发出报警，将异常数据显示出来。
单片机读取ADXL345的数据完成后发出清空指令将FIFO清除，然后发出启动采集加速度信号，设定好ADXL345的触发模式，这样当FIFO的数据采集满时，INT1引脚将产生一个下降沿的中断。单片机的中断服务程序中设置一个ADXL345数据采集完成的标志位，每次有中断时就将数据读出来，这样ADXL345的数据采集和单片机的数据处理就可以同步进行了。
4.结论
选用三轴加速度传感器ADXL345设计了一款机械振动的监测装置，本文详细介绍了它的软硬件的设计，完成了对机械设备的故障引起的振动进行监测的功能，实现了对机械设备故障的及时掌握和控制。装置提供RS232接口，可以方便地将数据传输到上位机。随着微电子技术的不断发展，利用微电子技术制作的传感器对机械系统的各种性能进行监测将会得到越来越多的应用。
参考文献：
[1]赵丹.振动加速信号直接数字积分的DSP实现[D]. 太原理工大学硕士研究生学位论文，2008,06.
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[3]袁西，陈栋，田湘，等. 三轴加速计ADXL345及其在捷联惯导中的应用[J]. 电子设计工程，2010,18(3):138-140.
[4]唐立军，滕召胜，陈良柱，等. 电子称倾角自动检测与称量误差补偿方法研究[J]. 电子测量与仪器学报，2011,25(1):61-67.
[5]李广弟，朱月秀，王秀山. 单片机基础[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007(7):101-105
ADXL345在机械设备振动监测中的应用
