基于容柵傳感器和單片機(jī)的變形檢測系統(tǒng)

一、 引言

在現(xiàn)代工程中，包括各種橋梁及大型建筑等鋼架結(jié)構(gòu)受到外力之后會在一定程度上產(chǎn)生變形。考慮到安全等各方面的因素，需要對結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行測量，確保其在一定的安全范圍之內(nèi)。本論文是兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪葉片研究的重要組成部分。

目前，容柵傳感器以其精度高、體積小、造價低、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、實現(xiàn)機(jī)電一體化的優(yōu)點(diǎn)，在工程位移測量領(lǐng)域得到了越來越廣泛的利用，在國內(nèi)主要通過電子數(shù)顯卡尺的形式應(yīng)用到工程當(dāng)中。

通過以容柵傳感器和89C52單片機(jī)組成的智能檢測系統(tǒng)可以很好進(jìn)行位移檢測，結(jié)合液晶顯示屏和PC機(jī)，可以對測量結(jié)果進(jìn)行實時仿真和智能控制。

二、 系統(tǒng)設(shè)計

變形檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。

圖1 容柵位移檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

包括多路位移采集系統(tǒng)、力采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲、鍵盤及顯示、89C52單片機(jī)和PC上位機(jī)通訊。

系統(tǒng)CPU采用單片機(jī)89C52，具有低功耗、高性能、融8031核與閃速存儲器技術(shù)于一體的特點(diǎn)，擴(kuò)充少量的外圍芯片，即具備顯示、模擬量輸入和輸出、掉電數(shù)據(jù)保護(hù)、串口通訊等功能，即可滿足實際工程的需要。

AD574A是Analog Devices公司生產(chǎn)的12位、逐次逼近型、帶三態(tài)緩沖器的快速Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換速度最大為35μs，轉(zhuǎn)換精度 ≤0.05%，具有低噪聲、低功耗、高精度、高分辨率和高采樣率的優(yōu)點(diǎn)。

存儲器采用24LC08 芯片，為8K 串行電擦寫E²PROM ，其讀寫速度快，在5V 供電情況下可兼容400 kHz 的信號，并可按頁(page) 讀寫；功耗低，在低電壓2. 5 V 工作下標(biāo)準(zhǔn)電流為1μA；體積小，占用I/ O口少，僅使用DATA 和CL K兩根I/ O 線。這些優(yōu)點(diǎn)使其相對于一般的ROM 存儲器有較高的性價比。

在檢測系統(tǒng)中，需要單片機(jī)與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成對單片機(jī)系統(tǒng)的操作與控制。RS232C是美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）正式公布的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，提供了單片機(jī)與單片機(jī)、單片機(jī)與ＰＣ機(jī)之間串行數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)接口，是目前最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)。

由于RS232C規(guī)定的邏輯電平與單片機(jī)的邏輯電平是不一致的。在本系統(tǒng)中，采用串口中斷，利用專用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232把微處理器的信號電平（TTL電平）轉(zhuǎn)換為RS232C電平。PC數(shù)據(jù)發(fā)送是通過TXD口經(jīng)過MAX232連接到單片機(jī)的RXD端，而接收數(shù)據(jù)是由RXD經(jīng)過MAX232連接到單片機(jī)的TXD口上實現(xiàn)的。

PC機(jī)采用VB編程，VB提供了強(qiáng)大功能的通信控件MSCOMM，該控件可設(shè)置串行通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，對串口狀態(tài)及串口通信的信息格式和協(xié)議進(jìn)行設(shè)置。為了充分利用高級語言的特點(diǎn)，在PC機(jī)中增加人機(jī)友好界面，由個人來檢測和控制運(yùn)行。

三、 容柵數(shù)顯卡尺數(shù)據(jù)采集

變形檢測系統(tǒng)是多路位移采集系統(tǒng)，共包括16路容柵傳感器，可以對被測對象的不同位置進(jìn)行測量。系統(tǒng)采用4514譯碼芯片，通過P1.4-P1.7口，對16路傳感器進(jìn)行選通。

容柵數(shù)顯百分尺是一種新型位移傳感器，提供的接口有4條信號線，包括電源線（+1.55V）、地線、時鐘控制線CLK、串行數(shù)據(jù)輸出線Data。接口信號不是標(biāo)準(zhǔn)的TTL信號，其信號‘1’為1.5V左右，其信號‘0’為0V左右。因此，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，隨后再經(jīng)過反向器整形，送到相應(yīng)芯片接口。

容柵數(shù)顯卡尺采用串行數(shù)據(jù)采集，其中數(shù)據(jù)線波形見圖2所示。在最快20ms的周期內(nèi)，包括一個下述數(shù)據(jù)采集周期。每個周期輸出兩組數(shù)據(jù)，其中第一組為絕對值，第二組為相對值，在本系統(tǒng)中我們采用第二組數(shù)值。每組數(shù)值包括24個二進(jìn)制位，其中前13位為整數(shù)位，后11位為小數(shù)位，換算后的數(shù)據(jù)單位為0.1inch。

圖2 容柵數(shù)據(jù)信號時序

采用89C52單片機(jī)以及12MHz系統(tǒng)時鐘，單指令周期在為1us，而傳感器每位采集時間為11us，故采用匯編語言進(jìn)行采集，確保數(shù)據(jù)的正確性。

軟件設(shè)計的關(guān)鍵在于確定數(shù)據(jù)采集的起始條件，容柵傳感器輸出的快速周期為20ms，慢速周期為250ms，因此起始條件就是大于一個時鐘周期并且小于20ms的連續(xù)時鐘低電平以及接在上述低電平之后的44us的連續(xù)高電平。

READ: MOV A, TMOD

ANL A, #0F0H

ORL A, #01H

MOV TMOD, A

MOV TH0, #0FCH

MOV TL0, #66H

CLR TF0

SETB TR0

PG1: JB TF0, PG7

CLR A

MOV R1, #08H

PG2: MOV C, P1.2

RLC A

DJNZ R1, PG2

JNZ PG1

MOV R1, #00H

PG3: MOV TH0, #00H

MOV TL0, #00H

CLR TF0

SETB TR0

PG4: JB TF0, PG6

CLR A

MOV R2, #04H

PG5: MOV C, P1.2

RLC A

DJNZ R2, PG5

CJNE A, #0FH, PG4

AJMP DATAIN

PG6: INC R1

CJNE R1, #05H, PG3

PG7: LJMP QUIT

DATAIN: MOV R0, # read_data

MOV R2, #06H

TIME: JB P1.2, TIME

DATA1: MOV R1, #08H

MOV A, #01H

MOV @R0, A

CLR TR0

QUIT: RET

TIME1: JNB P1.2, TIME1

MOV C, P1.3

RRC A

TIME2: JB P1.2, TIME2

DJNZ R1, TIME1

MOV @R0, A

INC R0

DJNZ R2, DATA1

MOV A, #01H

MOV @R0, A

CLR TR0

QUIT: RET

圖3 容柵數(shù)據(jù)采集程序流程圖

四、 結(jié)束語

綜上所述，由于容柵數(shù)顯卡尺、AD574A和單片機(jī)89C52的使用，該系統(tǒng)具有實時測試位移和受力情況的功能，并通過串口及時傳輸測試結(jié)果到上位計算機(jī)并進(jìn)行仿真。該測試系統(tǒng)測量精度高，功能全面，并且已經(jīng)應(yīng)用于各種橋梁的平整度測量和變形測量上，效果明顯，今后將逐步擴(kuò)展該系統(tǒng)的進(jìn)一步深入使用。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：運(yùn)用高精度的容柵傳感器，采用多路采集技術(shù)，并結(jié)合液晶顯示技術(shù)、計算機(jī)控制與模擬，運(yùn)用匯編程序讀取容柵數(shù)據(jù)，保證了采集的可靠性。此研究解決了風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的測試問題，也運(yùn)用到道路和橋梁的工程變形檢測當(dāng)中，已得到了實際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李曉謙，楊琛盛．基于PC-單片機(jī)的主從式快速鑄軋在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］．微計算機(jī)信息，2003，第5期：28-29。

[2] 王英健, 吳康雄, 吳軍. 容柵式百分尺微機(jī)接口方法的研究. 長沙鐵道學(xué)院學(xué)報, 1997 ,第15卷第1期：40-46。

[3] 張國忠, 趙家貴. 檢測技術(shù)[M]. 北京：中國計量出版社 ,1998。

[4] 李華. MCS-51系列單片機(jī)實用接口技術(shù). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社 ,1997。