秦 剛，張 明，張 楠，秦 笑

(西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

沉降自動檢測設(shè)計與實現(xiàn)*

秦 剛，張 明，張 楠，秦 笑

(西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

為了提高沉降檢測精度，節(jié)約生產(chǎn)成本，采用高精度AD采集芯片，結(jié)合多元補償算法，設(shè)計出了一種沉降自動檢測系統(tǒng)。經(jīng)過實驗室試驗分析，其達(dá)到了系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，滿足了設(shè)計需要。

沉降自動檢測；AD7793；單片機；精確測量

路基沉降量檢測主要由壓力傳感器、溫度傳感器、儲液罐、導(dǎo)通管以及其他輔助設(shè)備組成，其工作原理是利用液體壓力差結(jié)構(gòu)，采集參考點附近多個位置的路基沉降量的壓力值，并集中到主控板，經(jīng)過溫度補償?shù)玫礁鱾€位置對應(yīng)的高度值，并與參考點的高度值進(jìn)行對比，從而得到對應(yīng)位置點的沉降量。目前，路基沉降量的檢測均由人工通過基礎(chǔ)的儀器檢測來完成，操作人員在工作過程中主要依靠人工觀測，不僅勞動強度大，統(tǒng)計周期長，而且還會引入很多人工誤差，導(dǎo)致漏報錯報，從而為道路正常運營埋下隱患。隨著計算機技術(shù)和自動檢測理論的發(fā)展，對路基沉降量實行自動化檢測已經(jīng)成為可能。自動化監(jiān)測具有精度高和速度快等優(yōu)點，是目前路基沉降量檢測的發(fā)展趨勢[1-4]。

本文根據(jù)路基沉降檢測的要求，依照設(shè)計原理，組裝了路基沉降自動檢測系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)，并利用微控制器以及其他輔助元器件設(shè)計了一種路基沉降自動檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 機械設(shè)計原理

根據(jù)連通管的流體壓差測量原理，在路基某一固定基準(zhǔn)點處設(shè)置基準(zhǔn)壓力傳感器和儲液箱。儲液箱、基準(zhǔn)傳感器以及被緊固于沉降板各測點處的壓力傳感器通過柔性連通管連接在一起，并充滿低揮發(fā)、低熱脹冷縮系數(shù)的液體。儲液箱中液體液面與柔性連通管和壓力傳感器之間存在一定高程差，當(dāng)路基發(fā)生沉降變形時，帶動各測點處的壓力傳感器和柔性連通管同步變形，使得測點與基準(zhǔn)液面的高程差發(fā)生變化。利用高程差與液體壓力差成正比的關(guān)系，只要測量出壓差的變化，即可推算出高程差的變化，進(jìn)而計算出沉降變形的大小。

1.2 機械設(shè)計組成

每個采集點由硅壓阻型壓力傳感器、PT100型熱敏電阻和相應(yīng)的電路模塊組成，安裝在1個保護(hù)盒內(nèi)，并留有水管、氣管和線纜接口。每2個傳感器之間通過水管、氣管和線纜等連接起來，水管與儲液箱相連并形成回路，氣管通入大氣，采集點將采集到的數(shù)據(jù)以數(shù)字量的形式，通過RS-485通信方式發(fā)送到數(shù)據(jù)主采集板，然后通過遠(yuǎn)程傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)往觀測站。

2 路基沉降自動檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計方案與技術(shù)指標(biāo)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

所設(shè)計的系統(tǒng)總框圖如圖1所示。

圖1 路基沉降自動檢測系統(tǒng)總框圖

路基沉降自動檢測系統(tǒng)工作時，工作人員操作監(jiān)測站的上位機發(fā)送采集指令，通過遠(yuǎn)程傳輸模塊控制數(shù)據(jù)主采集板采集數(shù)據(jù)，并將采集到的沉降量發(fā)送回監(jiān)測站，進(jìn)行存儲、分析和顯示。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

1)采集精度：0.3 mm。

2)量程：500 mm。

3)環(huán)境溫度：-40～60 ℃。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)路基沉降自動檢測系統(tǒng)的要求，設(shè)計了數(shù)據(jù)采集模塊硬件原理圖，如圖2所示。硬件電路設(shè)計遵循模塊化的設(shè)計方法，主要包括控制器模塊、電源模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、外存儲器模塊、通信模塊以及其他電路。

圖2 路基沉降自動檢測系統(tǒng)主要模塊硬件原理框圖

3.1 控制器模塊

本設(shè)計采用美國飛思卡爾半導(dǎo)體公司的mc9s12xs128單片機作為主處理器。MC9S12XS128是16位單片機，由16位中央處理單元(CPU12X)、128 kB程序Flash(P-lash)、8 kB RAM和8 kB數(shù)據(jù)Flash組成片內(nèi)存儲器，工作頻率為80 MHz，最大總線時鐘可達(dá)120 MHz[5-8]。

3.2 電源模塊

系統(tǒng)采用12 V電池供電(見圖3)，電路中使用電源為5 V，由LM2940(見圖4)得到的5 V給單片機、外存儲器和通信電路供電，由LM1117(見圖5)得到的5 V給AD采集模塊供電。圖3中，R為0 Ω，C1為電解電容(25V470μF)，C2和C3為CBB電容，T20為共模扼流圈。

圖3 12 V電源濾波電路

圖4 LM2940-5V穩(wěn)壓電路圖

圖5 LM1117-5V穩(wěn)壓電路圖

3.3 AD采集模塊

AD7793是1個低噪聲可編程增益儀表放大器，最高可具有23位有效分辨率，3個差分輸入口，采用SPI總線方式與主控制芯片連接，芯片具有內(nèi)部激勵電流源的輸出引腳，可以輸出有效電流源，為壓力數(shù)據(jù)采集和溫度采集提供可靠電源，在ADuM5401數(shù)字隔離芯片的配合使用下，可以達(dá)到最小值±0.1%FS的檢測精度。AD采集電路原理結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。壓力傳感器和溫度傳感器的模擬量信號先輸入到A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7793，信號經(jīng)過數(shù)字隔離芯片ADuM5401與單片機的I/O口相連，保證系統(tǒng)具有較高的數(shù)據(jù)采集精度和很強的抗干擾能力。試驗結(jié)果表明，其設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，精度較高，效果較好。

根據(jù)系統(tǒng)的測量精度和控制精度要求，選擇了RTD傳感器PT100作為測溫傳感器。PT100具有良好的長期穩(wěn)定性，線性度好，響應(yīng)時間快，測試電流在允許值范圍內(nèi)，自熱系數(shù)小，可滿足系統(tǒng)的技術(shù)要求。PT100傳感器對溫度的變化輸出一般是微伏級的微弱信號，但AD7793具有完整的模擬前端功能，內(nèi)部集成了低噪聲儀表放大器，且可以設(shè)置增益；因此，可以直接輸入測量傳感器輸出的微弱信號，輸入信號通過低通濾波后進(jìn)入AD7793的A/D輸入端。選擇Motorola生產(chǎn)的MPX型硅壓阻式壓力傳感器作為沉降檢測傳感器，其電阻是利用離子注入工藝光刻在硅膜片上，并采用了計算機控制的激光修正技術(shù)和溫度補償技術(shù)。該壓力傳感器的精度非常高，模擬輸出電壓正比于輸入的壓力值和電源偏置電壓，具有極好的線性度，且靈敏度高，長期重復(fù)性好。傳感器的2根差分信號輸出端接入AD7793的差分信號輸入口，可以檢測到壓力傳感器的微弱信號變化。

圖6 AD數(shù)據(jù)采集電路原理結(jié)構(gòu)圖

3.4 外存儲器模塊

外存儲器模塊采用的是AT24C512存儲芯片，主要用來存儲溫度補償參數(shù)，為曲線擬合大量參數(shù)儲存提供支持。

3.5 RS-485通信模塊

鑒于無人參與的純粹“人工智能創(chuàng)作”在版權(quán)法中的特殊性，人工智能創(chuàng)作中自然人的人工干預(yù)程度對于判斷“人工智能創(chuàng)作”的版權(quán)法屬性至關(guān)重要。由于版權(quán)法保護(hù)對象實際上是作品中的獨創(chuàng)性表達(dá)，因此，如果人工智能使用者可以通過控制系統(tǒng)設(shè)定、外部輸入或輸出端選擇的方式控制人工智能輸出結(jié)果的表達(dá)或部分表達(dá)，則不屬于本文所說的純粹“人工智能創(chuàng)作”。

通信模塊采用的芯片為SN65LBC184，是一種8管腳的收發(fā)器。2管腳為數(shù)據(jù)接收信號，低電平有效；3管腳為數(shù)據(jù)發(fā)送信號，高電平有效；1管腳R為讀信號，4管腳D為寫信號。1、2、3和4管腳與數(shù)據(jù)采集模塊主控單片機相連，6、7管腳A、B為SN65LBC184的輸出端。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 采集總流程

圖7 系統(tǒng)軟件主流程圖

根據(jù)路基沉降自動檢測的實際工作過程設(shè)計該系統(tǒng)軟件。本設(shè)計的路基沉降自動檢測系統(tǒng)初始化后，上位機發(fā)送檢測信號，下位機響應(yīng)后對壓力值和溫度值進(jìn)行檢測；然后利用存儲的溫度補償數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補償，得到相應(yīng)環(huán)境下的精確值；最后傳輸給上位機。上位機對傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析和顯示。軟件主流程圖如圖7所示。

4.2 補償軟件設(shè)計

由于硅壓阻式傳感器相當(dāng)于一個惠斯通電橋，電流源相比于電壓源的設(shè)計能更有效地提高采集精度。為了得到精準(zhǔn)的沉降量，每臺傳感器在使用前都要進(jìn)行零位校正和溫度補償。

在PC機上編寫上位機，主要用于用戶輸入和數(shù)據(jù)采集顯示，通過Visual C++6.0編譯環(huán)境開發(fā)，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。補償軟件對采集回來的數(shù)據(jù)和對應(yīng)的溫度進(jìn)行非線性補償處理，從而得到線性、準(zhǔn)確的沉降值。如采用二元函數(shù)P=f(U，T)來進(jìn)行補償處理(P為被測壓力，U為傳感器輸出電壓，T為環(huán)境溫度)，根據(jù)Weierstrass逼近定理存在多元多項式：

(1)

(2)

經(jīng)整理后，可得到a00,a01,…，anm矩陣方程。通過矩陣方程，可求得a00,a01,…，anm的值。

在矩陣求解中，為使矩陣值誤差最小，利用高斯消去法中的總體選主元法,求解出a00,a01,…，anm的值，代回式1中，可得出智能傳感器的非線性補償所用的曲面擬合函數(shù)式。

上位機進(jìn)行高度標(biāo)定時的數(shù)據(jù)見表1。利用補償程序?qū)Τ两蹈叨戎颠M(jìn)行非線性補償，得到相應(yīng)的高度值，經(jīng)過補償后的高度變化量呈線性變化，如圖8所示。

表1 實時標(biāo)定數(shù)據(jù)

圖8 標(biāo)定前后數(shù)據(jù)曲線

將表1的數(shù)據(jù)輸入上位機補償程序?qū)υ捒蚝?，得到如下曲線擬合函數(shù)式：

p=-42.338 1Up1+5.288 43Up2-0.216 001Up3+0.006 430 43Up4-6.751 28e-0.005Up5

式中的各項系數(shù)就是通過上位機補償軟件計算得到的參數(shù)，其中各項的系數(shù)是得到的補償參數(shù)通過上位機計算得到的，并且通過串口將補償參數(shù)發(fā)送到下位機外部存儲器中。當(dāng)不同溫度下對沉降量進(jìn)行采集時，單片機會通過預(yù)先標(biāo)定好的參數(shù)對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補償，從而得到相對準(zhǔn)確的沉降量。

5 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果

采用高精度信號調(diào)理芯片AD7793對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和補償，補償后的精度可達(dá)到0.2 mm。其基本補償思想是對傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗，在不同壓力和溫度下測量誤差，得到補償系數(shù)，并存入外部存儲中。在進(jìn)行實際測量時，取出存儲中對應(yīng)的補償系數(shù)補償傳感器的輸出，最終實現(xiàn)對傳感器的溫度補償。

溫度從0 ℃變化到40 ℃時差異較大的幾組數(shù)據(jù)見表2，可以看出其誤差最大為0.15 mm。

表2 壓力為3 kP，溫度變化時的輸出值

系統(tǒng)的誤差主要源于信號調(diào)理電路和傳感器特性，經(jīng)過幾臺傳感器聯(lián)合安裝調(diào)試后得出其系統(tǒng)誤差為0.24 mm，滿足項目設(shè)計指標(biāo)要求。

6 結(jié)語

應(yīng)用本文提出的沉降自動檢測技術(shù)對試驗結(jié)果進(jìn)行分析表明，本設(shè)計滿足了設(shè)計的性能指標(biāo)要求，達(dá)到了設(shè)計目的。沉降自動檢測的實現(xiàn)也降低了檢測人員的勞動強度，提高了檢測精度，不僅減少了生產(chǎn)事故的發(fā)生，而且滿足了人們對建筑施工質(zhì)量越來越高的要求。

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*陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(2014 K05-44)

責(zé)任編輯李思文

ResearchandDesignofAutomaticDetectionSystemofSettlement

QIN Gang，ZHANG Ming, ZHANG Nan, QIN Xiao

(College of Electronic Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710021，China)

In order to improve the sedimentation precision and save the costs of production, taking AD sampling chip with high precision, and combining with multiple compensation algorithm, designed a subsidence automatic detection system. Through lab experiment analysis, achieved technical indexes of the system, which can meet the designing needs.

subsidence automatic detection, AD7793, microcontroller, measure of precision

TN 81

：A

秦剛(1965-)，男，碩士，教授，主要從事嵌入式和自動控制等方面的研究。

2014-07-24