門延會(huì)，曾 鵬，門新延

0 引言

近年來，我國公路交通建設(shè)發(fā)展飛速，公路等級(jí)不斷提高，隨著車輛數(shù)量的迅速增長，行車速度的不斷提高及車輛載荷的逐漸增大，對公路路面的使用性能提出了更高的要求。路面的平整度是路面使用性能的重要指標(biāo)之一，其好壞直接影響著汽車行駛的平穩(wěn)性及速度，關(guān)系到交通安全的問題[1-4]。為保證路面的平整度，施工質(zhì)量控制是最重要的環(huán)節(jié)。

攤鋪機(jī)是公路建設(shè)施工機(jī)械的重要設(shè)備之一，攤鋪機(jī)根據(jù)施工作業(yè)環(huán)境，自身配置的標(biāo)準(zhǔn)及所采用的攤鋪技術(shù)，來確定攤鋪厚度[5-6]。根據(jù)現(xiàn)行《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》，瀝青面層的厚度和壓實(shí)度是評定瀝青路面質(zhì)量的兩項(xiàng)關(guān)鍵項(xiàng)目，而瀝青路面的厚度又會(huì)影響到路面的壓實(shí)度[7-8]。因此，在攤鋪施工過程中，應(yīng)能隨時(shí)對攤鋪層的厚度進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測的厚度來控制未鋪層的攤鋪厚度，確保路面實(shí)際的總厚度一致，從而提高路面的平整度及使用性能[9]。

目前，對攤鋪厚度的測量在國內(nèi)尚沒有較理想的厚度測定尺或測定儀，攤鋪機(jī)在基層和面層施工時(shí)由人工測量鋪層高程與厚度，每隔10 m左右就需要工人使用鋼尺和鋁板手動(dòng)測量一次，這種人工測量方式不僅增加了勞動(dòng)強(qiáng)度，而且測量誤差大，其監(jiān)測效果有待提高。以往對公路工程瀝青混凝土攤鋪厚度的檢測一般采用鉆芯取樣結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法[10]或預(yù)拋高技術(shù)面層標(biāo)高和厚度的控制方法[11]，但是這些方法受人為因素和偶然性較大，不能準(zhǔn)確全面地衡量路面攤鋪厚度的實(shí)際情況。隨著科技應(yīng)用水平的提高，應(yīng)用智能化系統(tǒng)監(jiān)測攤鋪厚度有很高的應(yīng)用價(jià)值和開發(fā)意義。文獻(xiàn)[12]介紹了一種瀝青路面松鋪高程與厚度實(shí)時(shí)檢測裝置，但這種裝置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，影響測量精度的因素較多，測量誤差較大。文獻(xiàn)[13-15]中介紹了一種采用路面雷達(dá)檢測系統(tǒng)來檢測瀝青路面攤鋪厚度的方法，這種方法有其優(yōu)點(diǎn)，但檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，攜帶不方便，需專門的分析軟件，成本高，且當(dāng)檢測到面層厚度不夠時(shí)，仍要進(jìn)行標(biāo)高測量，再進(jìn)行處理。

本著減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高監(jiān)測質(zhì)量和攤鋪機(jī)智能化水平的目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)了一種新型的攤鋪機(jī)攤鋪厚度監(jiān)測裝置，該應(yīng)用在國內(nèi)尚屬首例。

1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該攤鋪厚度測試儀硬件系統(tǒng)主要包括電源模塊、信號(hào)采集模塊、輸入操作模塊、系統(tǒng)處理模塊、大功率數(shù)碼管顯示模塊、報(bào)警模塊和安裝支架。該厚度監(jiān)測裝置主要用來完成電壓轉(zhuǎn)換、傳感器信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理及動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)微調(diào)、數(shù)據(jù)標(biāo)定及斷電保存等功能。其中，電源模塊為系統(tǒng)中所有單元提供穩(wěn)定的工作電源；信號(hào)采集模塊即測距傳感器提供所需的距離長度；輸入操作模塊根據(jù)按鈕輸入進(jìn)行系統(tǒng)操作；單片機(jī)微控制器是系統(tǒng)處理模塊，是系統(tǒng)的核心單元，根據(jù)激光傳感器信號(hào)所采集的信息進(jìn)行計(jì)算，處理為實(shí)際厚度，最后把測量結(jié)果通過顯示模塊顯示出來，報(bào)警模塊可隨時(shí)對厚度發(fā)生偏差時(shí)進(jìn)行報(bào)警，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

該攤鋪厚度檢測系統(tǒng)可直接對10 m以內(nèi)的厚度測試范圍進(jìn)行測量，測量精度為1 mm。最終能以經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方式實(shí)現(xiàn)攤鋪機(jī)的各類物料攤鋪厚度的直接測量和顯示，其技術(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 攤鋪厚度測試儀技術(shù)數(shù)據(jù)

2 電氣原理圖實(shí)現(xiàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，借助Protel軟件，繪制系統(tǒng)初步電氣原理圖，原理圖包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊、激光傳感器串口通訊、1.8英寸數(shù)碼管顯示模塊及其驅(qū)動(dòng)電路。

2.1 電源模塊

該裝置由攤鋪機(jī)電瓶直接供電，電源模塊分別完成24 V到5 V和12 V的電壓轉(zhuǎn)換，給微控制器及其他模塊使用。電源模塊采用LM2575-5開關(guān)電源穩(wěn)壓電路芯片，串聯(lián)電感電容組成Π型濾波電路，利用LM2575-5芯片的負(fù)反饋功能實(shí)現(xiàn)精確地電壓輸出?？紤]到工程車輛電壓不穩(wěn)的現(xiàn)象，在總電源輸入端加裝了大功率濾波器BNX002-01，可防止高頻脈沖和電壓抖動(dòng)對系統(tǒng)產(chǎn)生影響[16]，其電源模塊電氣原理如圖2所示。

2.2 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊采用激光測距傳感器進(jìn)行信號(hào)的采集，采用MAX232ACPE芯片來完成TTL電平與232電平的轉(zhuǎn)換，提供一個(gè)本地接口，為調(diào)試和維護(hù)提供方便，再通過RS232方式與微控制器進(jìn)行通信[17]，其信號(hào)采集模塊電氣原理如圖3所示。

激光測距傳感器采用的是YF-YJ03型號(hào)，采用激光相位測量技術(shù)可專門用于對移動(dòng)物體進(jìn)行距離測量。其功耗穩(wěn)定，耗電量小，供電方便，工作電壓范圍大，使用可見激光束，易于瞄準(zhǔn)被測物[18]。在惡劣的戶外環(huán)境下，仍能保持很高的測量精度和可靠性，特別適合在攤鋪機(jī)筑路工程上使用。

2.3 信號(hào)處理模塊

單片機(jī)信號(hào)處理模塊的微控制器選用STC12C5A60S2芯片。它是由STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但比8051速度快8～12倍。其內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換及內(nèi)部EEPROM，特別適合筑路機(jī)械如攤鋪機(jī)等工作的強(qiáng)干擾場合。在此系統(tǒng)中STC12C5A60S2芯片主要用來完成激光測距傳感器的信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)溢出報(bào)警，響應(yīng)外部標(biāo)定中斷，實(shí)時(shí)在微控制器的EEPROM中保存標(biāo)定的計(jì)算結(jié)果，信號(hào)處理模塊電氣原理如圖4所示。

圖2 電源模塊電氣原理圖

圖3 信號(hào)采集模塊電氣原理圖

圖4 信號(hào)處理模塊電氣原理圖

2.4 顯示模塊

顯示模塊采用3位1.8英寸共陽極紅色數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，利用七段譯碼器74LS38和NPN型達(dá)林頓集成芯片ULN2003完成數(shù)碼管的段驅(qū)動(dòng)，利用IPS6041智能開關(guān)完成數(shù)碼管位選擇，其顯示模塊電氣原理如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 攤鋪厚度測試儀設(shè)計(jì)原理

攤鋪機(jī)測試儀設(shè)計(jì)原理圖如圖6所示，AO是一條垂直于水平線的直線，在A點(diǎn)固定一個(gè)激光測距傳感器，可以測得A點(diǎn)到任意一物體的距離，圖中黑色區(qū)域?yàn)閿備仚C(jī)預(yù)攤鋪厚度，即LBO為所要計(jì)算的距離。

從已知條件可知，LAO、LAC、∠OAC為已知量：

其中：LAO、LAC、LBO、LAB為長度，mm；∠OAC為角度，度。只要測得LAO、LAC、∠OAC的值大小，就可以方便地計(jì)算出LBO攤鋪厚度的值。

3.2 算法流程圖

軟件開發(fā)系統(tǒng)使用美國Keil software公司出品的單片機(jī)C語言在Keil UVision4開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。該軟件提供可包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等完整的開發(fā)方案。

系統(tǒng)初始化包括串口初始化、中斷初始化和I/O口設(shè)置，主程序流程是讀串口數(shù)據(jù)后，經(jīng)過計(jì)算處理為毫米單位的攤鋪厚度，調(diào)用顯示子程序顯示并隨時(shí)判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)生偏差，標(biāo)定以外部中斷方式進(jìn)行控制。主程序流程圖見圖7所示。

圖5 顯示模塊電氣原理圖

圖6 設(shè)計(jì)原理圖

圖7 主程序流程圖

3.4 主程序設(shè)計(jì)

主程序開始對單片機(jī)及外圍器件進(jìn)行初始化，調(diào)用內(nèi)部保存數(shù)據(jù)，然后分別對個(gè)模塊進(jìn)行查詢。

void main()

{

rs232_init()； //初始化；

P1_3=0；P1_4=0；P1_5=0；P1_6=0；

//P1_3調(diào)整加1；P1_4調(diào)整減1；P1_5垂直標(biāo)定；P1_6角度標(biāo)定；

P1_0=1；P1_1=1；P1_2=1；//打開三個(gè)數(shù)碼管位選；

for(i=0；i＜10；i++)

{P0=dis[i]；delay(200)；}

//上電時(shí)數(shù)碼管循環(huán)自檢；

canshu()； //從ROM調(diào)取保存的參數(shù)；

ES=1；SCON=0x50； //打開中斷；

while(1)

{

jisuan()； //計(jì)算當(dāng)前值；

display()； //數(shù)碼管顯示；

biao()； //參數(shù)標(biāo)定；

}

}

4 攤鋪厚度測試儀的安裝使用

機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝在攤鋪機(jī)左右后頂棚柱上，距地面2.5 m左右，考慮到機(jī)械制造和安裝存在實(shí)際的誤差，電氣在軟件設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行誤差彌補(bǔ)，并進(jìn)行電氣參數(shù)標(biāo)定，把誤差減小到最小[19]。

測量有兩個(gè)尺寸要求必須嚴(yán)格，即AO的距離和∠OAC的夾角尺寸。把攤鋪機(jī)停放在水平路面（LBO=0），進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。

（1）安裝機(jī)械結(jié)構(gòu)，松開激光傳感器下端固定螺栓，使激光傳感器自由下垂，保證AO和水平的垂直度，固定螺栓，按標(biāo)定鍵3秒，保存激光傳感器測量的AO距離。

（2）松開激光傳感器下端固定螺栓，根據(jù)機(jī)械板上的刻度，把傳感器向右方旋轉(zhuǎn)約40°，固定螺栓，按標(biāo)定健3秒，保存激光傳感器測量的AC距離，根據(jù)AO、AC長度，求出∠OAC的實(shí)際角度。

以上操作如按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量就可以保證測量的參考值準(zhǔn)確無誤。

該攤鋪厚度測試儀的封裝采用絕緣樹脂膠灌裝，具有防塵、防振、防鹽堿度腐蝕和防水等作用。圖8為測試儀的安裝支架和外觀圖。

圖8 測試儀的安裝支架和外觀圖

5 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的攤鋪厚度測試儀可實(shí)現(xiàn)攤鋪機(jī)對各類物料攤鋪厚度的直接測量和顯示。檢測過程屬于非接觸式檢測，對路面不產(chǎn)生破壞。該檢測儀已配套使用在陜西建設(shè)機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)的各攤鋪機(jī)上，經(jīng)在各攤鋪機(jī)上安裝使用，用戶反映該檢測設(shè)備操作簡單方便，成本低，測試效率高，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，能夠?qū)崿F(xiàn)對攤鋪厚度的實(shí)時(shí)檢測，以便于隨時(shí)調(diào)整攤鋪厚度，從而保證攤鋪路面的平順指數(shù)，提高了路面的施工質(zhì)量，另一方面也可以杜絕瀝青路面施工中的偷工減料行為，對降低工程造價(jià)，延長道路使用壽命具有很好的作用。

隨著公路交通事業(yè)的高速發(fā)展，不可避免地會(huì)對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)形成一定的沖擊，尋求低碳、節(jié)能、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展公路[20]，將是以后在發(fā)展公路交通事業(yè)、提高路面施工質(zhì)量的同時(shí)，應(yīng)該持續(xù)關(guān)注的一個(gè)問題。

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