基于加速度傳感器MMA8451的振動(dòng)檢測儀設(shè)計(jì)

摘要 MMA8451是一款低電壓供電，電容式微機(jī)械全數(shù)字式的傳感器，可測量三軸方向的加速度。基于這款高性能的傳感器，設(shè)計(jì)出主從式振動(dòng)檢測儀器。文中介紹了整個(gè)電路的設(shè)計(jì)思路與組成結(jié)構(gòu)，給出了作為前端傳感器在虛擬儀器中的應(yīng)用，并且給出了測試結(jié)果。使用主從式對虛擬儀器進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定目標(biāo)并且擺脫了虛擬儀器開發(fā)對LabView的依賴。

關(guān)鍵詞 振動(dòng)檢測;三軸加速度傳感器;虛擬儀器

自從美國國家儀器公司(NI)提出基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬儀器概念以來，電子儀器得到了較大的發(fā)展。現(xiàn)在的虛擬儀器大多使用基于NI公司的LabView專用的PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，但是受PC機(jī)箱和總線限制，電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平較高，機(jī)箱內(nèi)無屏蔽等諸多缺點(diǎn)，限制了虛擬儀器的推廣與使用。文中使用主從式虛擬儀器用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，主從式虛擬儀器由主機(jī)和從機(jī)兩部分組成，從機(jī)即為該振動(dòng)檢測電路，完成數(shù)據(jù)的處理和數(shù)據(jù)的顯示。

1 從機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)基于主從式虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想，使用單片機(jī)作為從機(jī)的控制系統(tǒng)，由于STC89C52RC性價(jià)比高并且應(yīng)用技術(shù)成熟等特點(diǎn)，故采用其作為從機(jī)的控制芯片。單片機(jī)用于接收傳感器信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過串行口發(fā)送到主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和顯示。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是既可以與筆記本計(jì)算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)臺式和便攜式兩用，使用方便。基本設(shè)計(jì)思想框圖如圖1所示。

1.1 傳感器及其外圍電路設(shè)計(jì)

MMA8451數(shù)字式三軸加速度傳感器是飛思卡爾公司新推出的一款低電壓供電，電容式微機(jī)械傳感器，其最高精度可達(dá)14位。傳感器采用QFN封裝，靈活的可編程選項(xiàng)，擁有兩個(gè)可配置的中斷端口。其模式可選，在嵌入式系統(tǒng)中可大幅地節(jié)省電量，傳感器內(nèi)部自帶低通濾波器功能，在作振動(dòng)檢測時(shí)可以快速作出反應(yīng)。在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)可以保持功耗狀態(tài)，并且器件可以由中斷信號喚醒。

作為一款數(shù)字式輸出的傳感器，相比于傳統(tǒng)的輸出模擬信號的傳感器而言，無需添加A/D轉(zhuǎn)換器，并且傳感器的集成電路自帶高通濾波器，大幅簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)，其典型電路如圖2所示。

I2C協(xié)議：由于MMA8451默認(rèn)使用I2C協(xié)議，所以，在此將對I2C的工作方式進(jìn)行解釋。I2C總線使用3根信號線進(jìn)行通信，分別是SCL、SDA和SA0，外部上拉電阻需要將SDA和SCL接到VDD的IO上，當(dāng)總線空閑時(shí)，這兩根線表現(xiàn)為高電平狀態(tài)。MMA8451的I2C接口可工作在快速模式400 kHz或普通模式100 kHz。

總線傳輸開始由START信號觸發(fā)，START信號定義為，當(dāng)數(shù)據(jù)線從高電平跳變到低電平，而時(shí)鐘線SCL仍然保持高電平。由主機(jī)發(fā)送START信號后，I2C總線被認(rèn)為從空閑狀態(tài)進(jìn)入忙狀態(tài)。緊接著START信號后主機(jī)發(fā)送的字節(jié)，前7位用于指示從機(jī)地址，第8位用于指示數(shù)據(jù)方向是讀出還是寫入。地址發(fā)送完畢后，總線上的所有從機(jī)將自己的地址和總線上接收到的地址進(jìn)行比較，地址匹配的設(shè)備即為主機(jī)選中設(shè)備。第9個(gè)脈沖為應(yīng)答響應(yīng)，發(fā)送設(shè)備必須在這個(gè)ACK周期內(nèi)釋放數(shù)據(jù)線，而接收設(shè)備則需要在ACK周期的時(shí)鐘高電平期間將數(shù)據(jù)線拉低。

SCL線是高電平時(shí)，SDA線由低電平向高電平切換，這個(gè)情況表示停止條件。停止條件將終止發(fā)送器的發(fā)送。

1.2 單片機(jī)STC89C52RC

從機(jī)的核心部件采用宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)STC89C52RC，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，其性能與可靠性完全滿足本次設(shè)計(jì)的需求。工作時(shí)的基本參數(shù)為：工作頻率范圍，0～40 MHz，相當(dāng)于普通8051的0～80 MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48 MHz;用戶應(yīng)用程序空間為8 kByte;12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇;片上集成512 Byte RAM;ISP/IAP，無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口直接下載用戶程序，具有EEPROM功能;具有看門狗功能;共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。

1.3 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電源電路

由于現(xiàn)今晶體管尺寸在持續(xù)減小，電路集成度越來越高，晶體尺寸也隨之減小。導(dǎo)致晶體管擊穿電壓也變更低，但當(dāng)擊穿電壓低于電源電壓時(shí)，則要求減小電源電壓。對于MMA8451電路而言，就是用3.3 V電源。

由于單片機(jī)的速度和復(fù)雜性，使之達(dá)到了足以要求降低電源電壓的程度，并正在向5 V電源電壓以下轉(zhuǎn)換。但絕大多數(shù)接口電路仍然是為5 V電源而設(shè)計(jì)的。為使MMA8451電路正常工作，需要將5 V電源轉(zhuǎn)換為3.3 V。另外，這個(gè)任務(wù)不僅包括邏輯電平轉(zhuǎn)換，同時(shí)還包括為3.3 V系統(tǒng)供電、電壓電流穩(wěn)定問題、轉(zhuǎn)換模擬信號使之避開從5～3.3 V的障礙。

設(shè)計(jì)采用LM1117電路，LM1117是一個(gè)低壓差三端可調(diào)穩(wěn)壓集成電路。其壓差在1.2 V輸出，電流為800 mA時(shí)為1.2 V。LM1117有可調(diào)電壓的版本，通過兩個(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn)1.25～13.8 V輸出電壓范圍。另外還有5個(gè)固定電壓輸出的型號。

LM1117的典型應(yīng)用如圖3所示，在電路中，輸出端需要一個(gè)至少10μF的鉭電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。

1.4 通信電平轉(zhuǎn)換電路的選擇

由于MMA8451的輸出數(shù)據(jù)速率為1.56～800 Hz，所以在這種速率的傳輸模式下，使用這種接口簡單、使用方便、價(jià)格低廉的串口通信方式，成為一種合理的選擇，由于單片機(jī)STC89C52RC采用TTL電平，但PC機(jī)的串行口使用RS-232的電平，所以單片機(jī)與電腦不能直接連接，首先必須進(jìn)行RS-232電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換。所以在本設(shè)計(jì)中使用MAX232作為通信電平轉(zhuǎn)換芯片。

2 振動(dòng)檢測電路的軟件設(shè)計(jì)

從機(jī)按照主機(jī)的指令，完成數(shù)據(jù)采集，并且將數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)，在串口空閑的時(shí)候?qū)?shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。主程序的工作流程如圖4所示，圖5為串口發(fā)送程序的流程圖。在圖5中，連續(xù)發(fā)送FF的原因在于選擇上位機(jī)顯示程序中的示波器功能。

3 測試結(jié)果

上位機(jī)顯示軟件為軟件開發(fā)采用VS2010的集成開發(fā)環(huán)境，使用C#語言模塊化編程，為系統(tǒng)調(diào)試帶來極大的方便。由于傳感器輸出為數(shù)字信號，單片機(jī)經(jīng)過處理后送入示波器，示波器采數(shù)字上位機(jī)軟件示波器。圖6為示波器界面顯示的測試結(jié)果。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)檢測的幾個(gè)基本功能。而且它擺脫了LabView的束縛，所以具有較高開放性和擴(kuò)展空間。當(dāng)然，本設(shè)計(jì)還有許多需要改進(jìn)的地方，如提高通信的速度和可靠性，提高從機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度，除此之外，還需在軟件算法上作進(jìn)一步優(yōu)化，以提高測試精度，減小數(shù)據(jù)誤差。