萬(wàn)建均，肖衛(wèi)初，賀建權(quán)，劉志明，楊同松

基于STM32的路基壓實(shí)度測(cè)量裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

萬(wàn)建均，肖衛(wèi)初，賀建權(quán)，劉志明，楊同松

(湖南城市學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南益陽(yáng)413000)

針對(duì)傳統(tǒng)路基壓實(shí)度測(cè)量設(shè)備存在操作復(fù)雜、破壞性檢測(cè)和測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，研制了一種由STM32單片機(jī)控制的操作簡(jiǎn)單、對(duì)路基無(wú)損傷且快速測(cè)量壓實(shí)度的測(cè)量裝置.該裝置通過(guò)圖形操作界面觸摸選擇不同的路基，單片機(jī)控制電機(jī)帶動(dòng)落錘提升到固定位置作自由落體運(yùn)動(dòng)，落錘產(chǎn)生固定沖擊力將導(dǎo)桿打入地下，同時(shí)超聲波模塊采用時(shí)差法測(cè)量導(dǎo)桿下降的位移量，經(jīng)單片機(jī)將位移量轉(zhuǎn)換為壓實(shí)度并傳輸給LCD顯示.測(cè)試結(jié)果表明，該裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同路基壓實(shí)度的測(cè)量，平均誤差為0.54.

STM32;ucGUI;超聲波;帶觸摸LCD

隨著近幾年我國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，公路的通車?yán)锍炭焖僭黾樱瑸榇_保工程質(zhì)量，減少工程隱患，為人民的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全提供保障，同時(shí)加快工程進(jìn)度，給工程施工及監(jiān)理等提出了更高的要求.而壓實(shí)度作為路基路面施工質(zhì)量檢測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，傳統(tǒng)檢測(cè)方法采用灌砂法，該方法原理簡(jiǎn)單，但存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作不好掌握、容易引起較大誤差且對(duì)路基破壞性大，因此，有必要尋找一種準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便、快速、無(wú)損地檢測(cè)路基壓實(shí)度的方法.

近年來(lái)，隨著公路建設(shè)的快速發(fā)展，公路質(zhì)量問(wèn)題日益凸顯，國(guó)內(nèi)外對(duì)路基壓實(shí)度測(cè)量的研究十分重視.文獻(xiàn)[1]提出了一種基于激光圖像測(cè)量土的壓實(shí)度，該方法采用激光照射土體，激光與土的內(nèi)部組織顆粒發(fā)生相互作用，且被土組織顆粒多次散射和吸收，收集散射出來(lái)的激光形成激光圖像，分析并提取相關(guān)特征來(lái)評(píng)定壓實(shí)度.該方法操作難度大，實(shí)施困難，測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定.為了使操作更加簡(jiǎn)單，文獻(xiàn)[2]提出了一種利用瞬態(tài)沖擊法來(lái)檢測(cè)路基壓實(shí)度，該方法將一定質(zhì)量的重錘從選定高度自由落下，土體受到瞬態(tài)沖擊作用產(chǎn)生振動(dòng)，然后，在與沖擊點(diǎn)一定距離的土體中測(cè)取振動(dòng)加速度信號(hào)，通過(guò)對(duì)該信號(hào)的處理與分析，確定路基壓實(shí)度與信號(hào)的特征參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，從而得出路基的壓實(shí)度，該方法操作簡(jiǎn)單，但是，選取與沖擊點(diǎn)不同距離的振動(dòng)加速度信號(hào)測(cè)取點(diǎn)，會(huì)極大的影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性.為提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，文獻(xiàn)[3]提出了一種瞬態(tài)瑞雷面波法檢測(cè)路基壓實(shí)度，其原理是通過(guò)在介質(zhì)表面施加一個(gè)瞬態(tài)激振力，收集路基瞬態(tài)瑞雷面波的頻散曲線，再根據(jù)瑞雷波速不隨頻率的變化而改變的特性，以及在水平分層介質(zhì)中瑞雷波相速度與各層介質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性反求各層的參數(shù)，得出路基壓實(shí)度.該方法具備省時(shí)、效率高、測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，但易受直達(dá)波、折射波和反射波的干擾，且對(duì)這些干擾波的處理方法不完善.

綜上所述，對(duì)路基壓實(shí)度測(cè)量裝置的研究重點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、快速檢測(cè)和測(cè)量準(zhǔn)確.針對(duì)這些問(wèn)題，受文獻(xiàn)[4]的啟發(fā)，研制了一種基于STM32的路基壓實(shí)度測(cè)量裝置，該裝置通過(guò)移植ucGUI在LCD上設(shè)計(jì)一個(gè)圖形操作界面，通過(guò)觸摸方式在該界面上選擇不同的路基，單片機(jī)控制電機(jī)帶動(dòng)落錘提升到固定位置作自由落體運(yùn)動(dòng)，落錘產(chǎn)生固定沖擊力將導(dǎo)桿打入地下，同時(shí)超聲波模塊采用時(shí)差法測(cè)量導(dǎo)桿下降的位移量，測(cè)量的精度能夠達(dá)到毫米級(jí)，并通過(guò)I2C總線將位移量傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)將位移量經(jīng)位移壓實(shí)度轉(zhuǎn)換處理后傳輸給LCD顯示壓實(shí)度.測(cè)試結(jié)果表明，該裝置操作簡(jiǎn)單，只需根據(jù)測(cè)量的土質(zhì)在圖形界面上選擇路基種類；過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，減少勞動(dòng)量，大量縮短測(cè)量時(shí)間；實(shí)現(xiàn)不同路基的壓實(shí)度的測(cè)量，平均誤差為0.54.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

路基壓實(shí)度裝置總體設(shè)計(jì)方框如圖1所示，該裝置由控制部分、測(cè)量部分、顯示部分和機(jī)械部分組成.控制部分是單片機(jī)根據(jù)測(cè)量指令和碰撞檢測(cè)模塊的反饋信息，來(lái)控制電機(jī)帶動(dòng)落錘的起降；測(cè)量部分由超聲波發(fā)射器、超聲波接收器兩部分構(gòu)成，通過(guò)時(shí)差法測(cè)量導(dǎo)桿下降的位移量，并通過(guò)I2C總線與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞；顯示部分是通過(guò)移植ucGUI在LCD上設(shè)計(jì)一個(gè)圖形菜單界面，界面上可通過(guò)觸摸選擇不同的路基，同時(shí)可顯示超聲波測(cè)量的位移量和該路基的壓實(shí)度；機(jī)械部分由落錘、導(dǎo)桿、三腳架、擋板組成.該系統(tǒng)工作流程：在LCD的圖形菜單界面上選擇路基，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)落錘上升，當(dāng)落錘觸碰到碰撞檢測(cè)裝置后，碰撞檢測(cè)裝置反饋數(shù)據(jù)給單片機(jī)，單片機(jī)接收到反饋數(shù)據(jù)控制步進(jìn)電機(jī)釋放落錘，落錘通過(guò)自由落體運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)桿打入地下，此時(shí)超聲波對(duì)打入地下的位移量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)換成壓實(shí)度，并將位移量和壓實(shí)度傳輸?shù)絃CD上顯示.

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1控制電路

該系統(tǒng)控制如圖2所示.單片機(jī)通過(guò)內(nèi)置FSMC接口控制帶觸摸LCD、通過(guò)I2C總線與超聲波模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞、通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和碰撞檢測(cè)模塊對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制[5].PB6、PB7為I2C總線的SCL、SDA接口，實(shí)現(xiàn)超聲波模塊與單片機(jī)數(shù)據(jù)傳遞；PB14連接碰撞檢測(cè)模塊的信號(hào)輸出端口；PA4連接驅(qū)動(dòng)模塊的CW端口控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，PA5連接驅(qū)動(dòng)模塊的EN端口控制電機(jī)的使能，PA7連接驅(qū)動(dòng)模塊的CLK端口即時(shí)鐘信號(hào)；采用FSMC控制帶觸摸LCD，其中FSMC_A[16:23]為地址線，F(xiàn)SMC_D[0:15]為雙向數(shù)據(jù)線，F(xiàn)SMC_NCE2為片選，F(xiàn)SMC_CLK為時(shí)鐘信號(hào)線，F(xiàn)SMC_NOE為輸出使能，F(xiàn)SMC_WE為寫(xiě)使能，F(xiàn)SMC_NWAIT為NOR閃存要求FSMC等待的信號(hào).

圖2 控制電路

2.2帶觸摸的LCD電路

帶觸摸的LCD電路包括LCD顯示電路和觸摸屏電路，電路圖如圖3所示.LCD的分辨率為(240 320)，使用ILI9341芯片驅(qū)動(dòng)LCD，芯片的GRAM(Graphics RAM)中每個(gè)存儲(chǔ)單元都對(duì)應(yīng)著液晶面板的一個(gè)像素點(diǎn)，與芯片內(nèi)部的其他模塊共同作用把GRAM存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成液晶面板的控制信號(hào)，使像素點(diǎn)呈現(xiàn)特定顏色，而像素點(diǎn)組合起來(lái)則成為一幅完整的圖像；通過(guò)TSC2046芯片控制觸摸屏，單片機(jī)通過(guò)SPI（串行外設(shè)接口）向它寫(xiě)入控制字，由它檢測(cè)X、Y方向的觸點(diǎn)電壓并返回給單片機(jī)，單片機(jī)讀取該電壓并進(jìn)行軟件轉(zhuǎn)換，即得X、Y方向的坐標(biāo)[6]. ILI9341的通訊接口時(shí)序是8080時(shí)序，雖然STM32可以采用普通的I/O來(lái)模擬8080通訊接口時(shí)序，但這樣效率低下，極大的影響LCD的刷屏效果.為了提高顯示效率，該系統(tǒng)通過(guò)STM32內(nèi)置的FSMC接口，采用NORPSRAM工作模式控制LCD，提高傳輸效率.

圖3 帶觸摸的LCD電路

2.3測(cè)量電路

測(cè)量電路包括超聲波發(fā)射電路與接收電路，電路如圖4所示.通過(guò)超聲波模塊采用時(shí)差法進(jìn)行位移量的測(cè)量，其原理是超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測(cè)物，經(jīng)反射后被超聲波接收器接收，從而測(cè)量出超聲波脈沖從發(fā)射到接收在空氣中傳播的時(shí)間，在已知超聲波在空氣中傳播速度的情況下，可由公式(1)計(jì)算.

式中，L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；C為超聲波在空氣中傳播速度；T為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差.根據(jù)式(2.1)可知，測(cè)距的誤差是由超聲波傳播速度的誤差和超聲波傳播時(shí)間的誤差引起.

(1)時(shí)間誤差

當(dāng)要求測(cè)距誤差小于1 mm時(shí)，假設(shè)已知超聲波速度C=344m/s(20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差，測(cè)距誤差(0.001/344)?0.000002907s 即2.907us.在超聲波的傳播速度準(zhǔn)確的情況下，只要傳播時(shí)間差值精度只要達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測(cè)量距離小于1mm的誤差.單片機(jī)機(jī)器周期通過(guò)公式(2)計(jì)算.

式中為時(shí)鐘頻率，STM32采用8MHz晶振頻率，最高可倍頻到72MHz，因此可計(jì)算出機(jī)器周期Tcy≈0.167us ，處于微秒級(jí)，因此采用STM32定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1mm的測(cè)量范圍內(nèi).

(2)超聲波傳播速度誤差

超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高傳播速度越快，而空氣的密度又與溫度有密切的聯(lián)系.

式中，T:攝氏溫度；V：在該溫度時(shí)的音速.該系統(tǒng)采用DS18b20溫度傳感器采集溫度，對(duì)超聲波進(jìn)行溫度補(bǔ)償.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理，系統(tǒng)初始化包括觸摸屏初始化、GUI初始化、串口初始化[7].觸摸屏的初始化即模擬SPI初始化，首先開(kāi)啟APB2下GPIOE、GPIOD的時(shí)鐘使能，配置PE0和PD13端口為通用推挽輸出、帶寬為10MHz，PE3端口為上拉輸入、帶寬為10MHz；

圖4 超聲波電路

GUI的頁(yè)面初始化，設(shè)置背景顏色為白色、清屏、設(shè)置編碼格式為UTF8、設(shè)置文本顯示的位置及內(nèi)容、設(shè)置字體顏色為紅色、設(shè)置字體大小為華文行楷33；串口初始化，開(kāi)啟APB2下USART1和GPIOA的時(shí)鐘使能，配置PA9為復(fù)用推挽輸出，帶寬為50MHz，PA10為浮空輸入，USART1配置波特率為115200、字長(zhǎng)為8位、一個(gè)停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)位、無(wú)硬件數(shù)據(jù)流控制、收發(fā)模式、使能串口，系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示.

3.2ucGUI的移植

ucGUI是一種嵌入式圖形軟件，可以制作操作界面、圖像等等，用于在顯示設(shè)備上顯示[8].要在嵌入式設(shè)備中應(yīng)用就必須要進(jìn)行移植.在MDK472a編譯環(huán)境下，進(jìn)行ucGUI3.90源代碼的移植，其步驟如下：

第一步：寫(xiě)好液晶顯示屏的底層驅(qū)動(dòng)，既在裸機(jī)下，可以正常顯示.

第二步：加入ucGUI程序包.

第三步：配置接口函數(shù)，即配置LCDConf.h、GUIConf.h、GUITouchConf.h文件.

第四步：修改LCD_Driver，使GUI能夠找到LCD驅(qū)動(dòng).

3.3超聲波數(shù)據(jù)的處理

超聲波測(cè)量的是導(dǎo)桿下降的位移量，通過(guò)公式(3)可轉(zhuǎn)化為貫入率[9].

當(dāng)路基的土質(zhì)為高液限粉土，即程序中的數(shù)據(jù)處理2可通過(guò)公式(5)進(jìn)行計(jì)算[10].

當(dāng)路基的土質(zhì)為砂礫土，即程序中的數(shù)據(jù)處理3可通過(guò)公式(6)進(jìn)行計(jì)算.

公式(4)、(5)和(6)中K為壓實(shí)度；W為路基土質(zhì)含水量；DN為貫入率.

4 結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)選擇粘土、高液限粉土和砂礫土三種土質(zhì)做為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行壓實(shí)度測(cè)量，采用卷尺對(duì)超聲波測(cè)量精度進(jìn)行測(cè)量.

4.1壓實(shí)度的測(cè)試

進(jìn)入圖形菜單界面，分別選擇粘土、高液限粉土和砂礫土選項(xiàng)，系統(tǒng)分別按照數(shù)據(jù)處理1、數(shù)據(jù)處理2和數(shù)據(jù)處理3進(jìn)行處理，貫入深度按上路床厚度分別取30 cm、23 cm和30 cm，粘土的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，高液限粉土的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示，砂礫土的測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示.表中，實(shí)際壓實(shí)度通過(guò)灌砂法測(cè)量得出、含水率通過(guò)酒精燃燒法測(cè)量得出，灌入率和測(cè)量壓實(shí)度通過(guò)該路基壓實(shí)度測(cè)量裝置獲得.由表1可知，粘土的測(cè)量壓實(shí)度與實(shí)際壓實(shí)度的平均誤差為0.47；由表2可知，高液限粉土的測(cè)量壓實(shí)度與實(shí)際壓實(shí)度的平均誤差為0.45；由表3可知，砂礫土的測(cè)量壓實(shí)度與實(shí)際壓實(shí)度的平均誤差為0.7.

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

表1 粘土測(cè)測(cè)試

表2 高液限粉土測(cè)試

表3 砂礫土的測(cè)試

4.2超聲波精度測(cè)試

通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)桿，改變超聲波模塊與擋板間的距離，并分別通過(guò)卷尺和超聲波模塊進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示.由表4可知，測(cè)量精度平均誤差為2.0mm.

表4 測(cè)量精度測(cè)試

5 結(jié)論

與傳統(tǒng)的路基壓實(shí)度測(cè)量裝置比較，該路基壓實(shí)度測(cè)量裝置操作簡(jiǎn)單、測(cè)試時(shí)間短、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，無(wú)需進(jìn)行繁瑣的操作和計(jì)算，只需根據(jù)測(cè)量的土質(zhì)在圖形菜單界面上觸摸選擇相應(yīng)的路基，單片機(jī)控制電機(jī)帶動(dòng)落錘提升到固定位置作自由落體運(yùn)動(dòng)，落錘產(chǎn)生固定沖擊力將導(dǎo)桿打入地下，同時(shí)超聲波模塊采用時(shí)差法測(cè)量導(dǎo)桿下降的位移量，經(jīng)單片機(jī)對(duì)位移量進(jìn)行壓實(shí)度轉(zhuǎn)換處理并傳輸給LCD顯示相應(yīng)土質(zhì)的壓實(shí)度，測(cè)量壓實(shí)度的平均誤差在0.54，測(cè)量精度的平均誤差2.0mm.該裝置下一步的研究方向是進(jìn)一步提高測(cè)量精度、增強(qiáng)機(jī)械抗振能力和添加更多的土質(zhì).

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(責(zé)任編校：庫(kù)文珍)

Design and Realization of the Sub-grade Compaction Measuring Equipment Based on STM32

WAN Jian-jun,XIAO Wei-chu,HE Jian-quan,LIU Zhi-ming,YANG Tong-song
(College of Communication and Electronic Engineering,Hunan City University,Yiyang，Hunan,413002,China)

For the problems of complex operation,the destructive testing and long-time measurement existing in the traditional sub-grade compaction measuring equipment,the equipment of measuring degree of compaction quickly with a simple operation and no damage to the roadbed was developed.It selected different roadbeds by touching a graphical user interface.The motor controlled by MCU drove the drop hammer and the drop hammer was raised to a fixed position,then it freefell.the drop hammer produced the fixed impact which made the guide rod into the ground.At the same time,the Ultrasonic module measured the dropped displacement of the guide rod by using the time difference method.MCU converted the displacement into degree of compaction and transmit it to LED for display.The test results showed that this equipment implemented the measurement of degree of compaction for different roadbeds with the average error of 0.54.

STM32;ucGUI;ultrasonic wave;degree of compaction compacting intensity

TN911.73-34；TP368.1

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2015.01.015

1672–7304(2015)01–0059–06

2015-02-19

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(教高司函[2013]102號(hào)，項(xiàng)目編號(hào)：201311527005)

萬(wàn)建均(1993-)，男，湖南衡陽(yáng)，2011級(jí)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生，主要從事智能電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究．