李 會(huì)，石翠萍，夏 穎，劉歡歡

（齊齊哈爾大學(xué)，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

0 引 言

在新建公路中，路基的強(qiáng)度、板體性、水穩(wěn)性受多種因素制約，如填料種類、粒徑范圍、施工溫度、地下水和降雨等。在多種影響因素中，水對(duì)路基的侵蝕影響最為嚴(yán)重，路基處理時(shí)填料的含水量對(duì)壓實(shí)度影響較大。施工過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)施工人員需要控制填料含水率，只有填料處于最佳含水率時(shí)進(jìn)行碾壓，路基強(qiáng)度才會(huì)高，壓實(shí)度才有保障。因此，施工人員需要針對(duì)不同的含水率采用不同的施工工藝和施工步驟，快速得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，加快施工速度，在保證路基質(zhì)量的同時(shí)降低建設(shè)成本[1-2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STM32芯片為核心，供電電源為5 V直流電，通過(guò)LM1117芯片使電壓轉(zhuǎn)換為單片機(jī)需要的工作電壓；采用GPS模塊記錄高精度土壤濕度傳感器測(cè)定的路基填料含水率，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)回傳到上位機(jī)，并由屏幕顯示。含水率檢測(cè)系統(tǒng)包括含有位置記錄的料場(chǎng)中料樣的含水率信息，可根據(jù)料源的位置與料樣情況人為設(shè)置閾值，當(dāng)含水率超過(guò)或接近閾值時(shí)，屏幕顯示該數(shù)據(jù)，蜂鳴器報(bào)警[3-4]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主控芯片選擇STM32F103C8T6，其引腳采用LQF48封裝，電源供電電壓范圍為2～3.6 V，適用環(huán)境溫度為-45～85 ℃。單片機(jī)內(nèi)置閃存64 KB，靜態(tài)內(nèi)存8 KB，外設(shè)系統(tǒng)資源充足。STM32F103C8T6單片機(jī)有40個(gè)引腳，每個(gè)引腳都具備獨(dú)特的功能，為了較好地實(shí)現(xiàn)含水率檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等功能，需要與復(fù)位、顯示、按鍵、預(yù)警、傳感器等接口準(zhǔn)確連接[5-6]。

2.1 基礎(chǔ)電路設(shè)計(jì)

2.1.1 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

通過(guò)電容、電阻元器件的搭配實(shí)現(xiàn)電路的復(fù)位功能。在超短時(shí)間內(nèi)電容充滿使得電阻變成無(wú)電壓狀態(tài)，此時(shí)電路正常工作。操作人員使用檢測(cè)設(shè)備時(shí)，人員按下復(fù)位鍵，電容放電，電阻出現(xiàn)高壓，系統(tǒng)完成復(fù)位。

2.1.2 晶振電路設(shè)計(jì)

晶振電路是單片機(jī)電路的組成部分。如果單片機(jī)無(wú)晶振電路，則系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。晶振的頻率決定了定時(shí)器的各項(xiàng)參數(shù)。選用無(wú)源晶振搭配起振電路（起振電路主要由2個(gè)電容構(gòu)成）實(shí)現(xiàn)該部分功能。

2.1.3 電源電路設(shè)計(jì)

含水率檢測(cè)器系統(tǒng)選用的核心控制器的工作電壓范圍為2～3.3 V。如果單片機(jī)連接的電源超過(guò)了芯片手冊(cè)給出的范圍，將導(dǎo)致芯片燒毀。如果電壓低于2 V，則單片機(jī)無(wú)法正常工作。本設(shè)計(jì)選用的供電電源為5 V直流電，可通過(guò)LM1117芯片將供電電壓轉(zhuǎn)換為單片機(jī)需要的工作電壓。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

2.2.1 土壤濕度傳感器模塊設(shè)計(jì)

土壤濕度傳感器主要用在檢測(cè)儀器前端，當(dāng)試驗(yàn)人員需要檢測(cè)料樣含水率時(shí)，將傳感器插入料樣即可。由于料場(chǎng)、料樣不盡相同，因此含水量相差較大，料樣所呈現(xiàn)的阻值亦不同。三極管根據(jù)不同的電阻值提供不同的電流，集電極到發(fā)射極的電流受基極控制，發(fā)射極的下拉電阻帶有電壓。當(dāng)料樣中無(wú)探頭時(shí)，輸出電平為0，土壤濕度傳感器不工作。

2.2.2 GPS模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用ATK-NEO-6M模塊傳輸數(shù)據(jù)。ATK-NEO-6M模塊與STM32單片機(jī)只需通過(guò)4條線路連接：VCC與單片機(jī)的電源相接，GND接地，TXD/RXD與單片機(jī)反接。

2.3 功能電路設(shè)計(jì)

2.3.1 顯示模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用TJC4827K043_011RN的USART HMI智能串口屏實(shí)時(shí)顯示含水率和地理位置信息。施工人員可通過(guò)串口屏實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前被測(cè)部位的路基含水率，方便用戶了解路基填料的信息。智能串行觸摸屏型號(hào)為TJC4827K043_011RNHMI，它集成了彩色TFT LCD顯示屏，配備了CPU處理器，具有可編程I/O端口、電阻式觸摸屏和其他輸入設(shè)備等。

2.3.2 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

當(dāng)檢測(cè)的料樣含水率超過(guò)人為設(shè)定的范圍時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)警。報(bào)警使用的元器件為蜂鳴器，它是一種常見的聲響器件，使用廣泛。蜂鳴器一般采用三極管驅(qū)動(dòng)，供電電壓范圍為3.3～5 V，當(dāng)端口為高電平時(shí)蜂鳴器工作，發(fā)出響聲。三極管驅(qū)動(dòng)功能和電路開關(guān)功能類似，當(dāng)三極管接通時(shí)，蜂鳴器導(dǎo)通并發(fā)出聲響；當(dāng)三極管的基極不導(dǎo)通時(shí)，蜂鳴器無(wú)反應(yīng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括主程序部分、含水率檢測(cè)部分、GPS采集模塊、顯示程序部分。系統(tǒng)選用土壤濕度傳感器對(duì)路基填料取樣處的料樣進(jìn)行含水率檢測(cè)，選用型號(hào)為NEO-6M的定位傳感器采集料場(chǎng)的位置信息。所測(cè)料樣含水率和位置地理信息通過(guò)串口屏顯示，由觸摸屏設(shè)置含水率范圍，當(dāng)所取料樣含水率過(guò)高時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)串口屏幕顯示“含水率過(guò)高”字樣。

系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)含水率檢測(cè)器系統(tǒng)模塊間的聯(lián)系以及各函數(shù)間的調(diào)用。首先按動(dòng)開關(guān)，啟動(dòng)檢測(cè)器系統(tǒng)，同時(shí)進(jìn)行初始化操作。當(dāng)高精度土壤濕度傳感器檢測(cè)到所測(cè)料樣的濕度后，將模擬濕度信號(hào)傳輸至A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以識(shí)別、處理的數(shù)字濕度信號(hào)，然后將該數(shù)字信號(hào)傳送至單片機(jī)進(jìn)行再處理，并將處理后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以在智能串口屏上顯示的文字。

系統(tǒng)可以按使用者的需求自由設(shè)定含水率的閾值。在將信息進(jìn)行顯示之前，要將其與使用者設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，如果獲得的信號(hào)不在設(shè)定的區(qū)間范圍，系統(tǒng)會(huì)輸出低電平，蜂鳴器通電報(bào)警，同時(shí)HMI串口屏顯示預(yù)警信息。含水率檢測(cè)器系統(tǒng)的主流程如圖2所示。

圖2 含水率檢測(cè)器系統(tǒng)軟件流程

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 硬件電路調(diào)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，對(duì)數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行調(diào)試。數(shù)據(jù)采集電路分為土壤濕度傳感器電路和GPS模塊電路。為避免電路短路導(dǎo)致元器件燒毀，上電前須使用萬(wàn)用表檢查電路，如果萬(wàn)用表長(zhǎng)鳴，則排除電路短路的情況。

顯示報(bào)警電路作為含水率檢測(cè)器系統(tǒng)的功能電路，需要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）將數(shù)據(jù)采集電路收集到的含水率信息和地理信息顯示在人機(jī)交互模塊的智能串口屏上；

（2）當(dāng)檢測(cè)的信號(hào)不在施工人員所設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)時(shí)，顯示預(yù)警信息。

本含水率檢測(cè)器系統(tǒng)的主要組成部分包括數(shù)據(jù)采集部分（土壤濕度檢測(cè)模塊、GPS模塊）和功能模塊（人機(jī)交互模塊、報(bào)警模塊）。

4.2 軟件調(diào)試

系統(tǒng)將料樣濕度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將其發(fā)送到串口的液晶顯示屏，同時(shí)，將測(cè)定的實(shí)際含水率與閾值數(shù)值進(jìn)行對(duì)比。設(shè)計(jì)含水率程序閾值的目的是便于主程序確定設(shè)置的最佳含水率上限與下限，只有通過(guò)主程序的循環(huán)運(yùn)行，才能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的。當(dāng)點(diǎn)擊“確定”之后，試驗(yàn)人員將進(jìn)行閾值設(shè)置，程序得到修改。在重新確定料樣含水率閾值后，檢測(cè)器將通過(guò)檢測(cè)得到的實(shí)際含水率與設(shè)定的閾值進(jìn)行比對(duì)，高于或低于閾值時(shí)，報(bào)警電路發(fā)出響聲，屏幕閃爍顯示“高”或“低”。檢測(cè)器系統(tǒng)中的所有單獨(dú)模塊都要進(jìn)行逐一調(diào)試，分別檢測(cè)其性能，最后進(jìn)行整體測(cè)試。調(diào)試時(shí)，主程序在Keil編輯軟件中運(yùn)行，編寫無(wú)誤后，生成鏡像Hex文件，并燒錄到單片機(jī)中。

對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)各子系統(tǒng)和各模塊進(jìn)行測(cè)試，對(duì)土壤濕度傳感器模塊、GPS模塊、報(bào)警模塊進(jìn)行功能驗(yàn)證，含水率檢測(cè)器系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前待測(cè)位置的含水率數(shù)據(jù)和地理位置，并顯示當(dāng)前含水率數(shù)值為“過(guò)高！”“過(guò)低！”或者“正?！保?/p>

（2）檢測(cè)的含水率數(shù)值、地理位置和當(dāng)前日期可以實(shí)時(shí)顯示在串口屏上；

（3）可觸控設(shè)置含水率數(shù)值的上限，超限時(shí)串口屏顯示“過(guò)高！”，蜂鳴器報(bào)警，提醒施工人員此處路基含水率不達(dá)標(biāo)，無(wú)法進(jìn)行下一步施工。

5 結(jié) 語(yǔ)

本檢測(cè)器的創(chuàng)新之處在于成功將電子技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)相結(jié)合，提高了道路施工人員的工作效率和公路的質(zhì)量，具有一定的實(shí)際使用價(jià)值。今后，還可以為該系統(tǒng)增加無(wú)線加速度傳感器，對(duì)路基進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)，使得系統(tǒng)功能得到進(jìn)一步延展。