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

作者: 時(shí)間:2016-10-22 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

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(cè)量三軸方向的加速度?;谶@款高性能的傳感器,設(shè)計(jì)出主從式儀器。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中的應(yīng)用,并且給出了測(cè)試結(jié)果。使用主從式對(duì)進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了預(yù)定目標(biāo)并且擺脫了開(kāi)發(fā)對(duì)LabView的依賴(lài)。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201610/309038.htm

關(guān)鍵詞 ;;虛擬儀器

自從美國(guó)國(guó)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(lái),電子儀器得到了較大的發(fā)展?,F(xiàn)在的虛擬儀器大多使用基于NI公司的LabView專(zhuān)用的PCI總線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集卡,但是受PC機(jī)箱和總線(xiàn)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(wú)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(xiàn)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?xún)r(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(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,通過(guò)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(tái)式PC機(jī)相連,實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和便攜式兩用,使用方便?;驹O(shè)計(jì)思想框圖如圖1所示。

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

1.1 傳感器及其外圍電路設(shè)計(jì)

MMA8451數(shù)字式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(cè)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(hào)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(hào)的傳感器而言,無(wú)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(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì),其典型電路如圖2所示。

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

I2C協(xié)議:由于MMA8451默認(rèn)使用I2C協(xié)議,所以,在此將對(duì)I2C的工作方式進(jìn)行解釋。I2C總線(xiàn)使用3根信號(hào)線(xiàn)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(xiàn)空閑時(shí),這兩根線(xiàn)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(xiàn)傳輸開(kāi)始由START信號(hào)觸發(fā),START信號(hào)定義為,當(dāng)數(shù)據(jù)線(xiàn)從高電平跳變到低電平,而時(shí)鐘線(xiàn)SCL仍然保持高電平。由主機(jī)發(fā)送START信號(hào)后,I2C總線(xiàn)被認(rèn)為從空閑狀態(tài)進(jìn)入忙狀態(tài)。緊接著START信號(hào)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(xiě)入。地址發(fā)送完畢后,總線(xiàn)上的所有從機(jī)將自己的地址和總線(xiàn)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(xiàn),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(xiàn)拉低。

SCL線(xiàn)是高電平時(shí),SDA線(xiàn)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(mǎn)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(hù)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(wú)需專(zhuān)用編程器,無(wú)需專(zhuān)用仿真器,可通過(guò)串口直接下載用戶(hù)程序,具有EEPROM功能;具有看門(mén)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(lái)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(duì)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(wèn)題、轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)使之避開(kāi)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(guò)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(hào)。

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(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。

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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(jiǎn)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(cè)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。

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3 測(cè)試結(jié)果

上位機(jī)顯示軟件為軟件開(kāi)發(fā)采用VS2010的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,使用C#語(yǔ)言模塊化編程,為系統(tǒng)調(diào)試帶來(lái)極大的方便。由于傳感器輸出為數(shù)字信號(hào),單片機(jī)經(jīng)過(guò)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(cè)試結(jié)果。

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4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)檢測(cè)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(kāi)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(cè)試精度,減小數(shù)據(jù)誤差。



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