基于振弦式传感器的压力测试仪——信号采集与处理模块论文.doc

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1、1 绪论在大型土木工程的安全监测中，压力作为一个重要的参数，其检测方法一直备受重视。通过对各种结构所受压力的实时检测，对保障健康、降低事故发生率具有重要的意义。由于振弦式传感器具有输出信号稳定、易检测、精度和分辨率高等诸多优点，因此是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。基于振弦式传感器的压力测试仪的使用对国民安全和国民经济起着举足轻重的作用。1.1 课题研究目的和意义在建筑工业中，安全问题是重中之重，一旦一个工程安全问题得不到保障，投入的资金再多，耗费的人力物力再大，也都显得没有任何意义。振弦式仪器是目前我国土石坝内部观测的首选仪器,它在大坝监测、桥梁监测和岩石工程中占有重要

2、地位。基于扫频激振技术的激振单线圈振弦式传感器的方法为实现上述工程自动监测系统提供有力支持。基于扫频激振技术的振弦式传感器应用于某型分布式网络测量系统中，用于大坝内部应力自动监测,具有起振迅速、测值可靠、自动化程度高的突出优点,取得了较好的应用效果。基于振弦式传感器的压力测试系统对桥梁结构的安全性和对国民经济起着举足轻重的作用。 对桥梁的运行状况进行健康监测，可以有效预防突发性灾难，减少损失, 避免人员伤亡, 确保基础设施与使用者的安全。1.2 国内外技术发展现状振弦传感器得到了迅速的发展和应用。在国外，德国的MAlHAK、法国的TELEMAL、美国的SINCO和FOXBORO、英国的SCHL

3、UBERGER及挪威等多家公司，都有振弦传感器的系列产品。国内从60年代起，先后研制开发了适合各种测试目的的多种振弦传感器的系列产品，如振弦式压力计、土压力计、空隙水压力计、应变计、测力(应力)计、钢筋计、扭力计、位移计、反力计、吊重负荷计、倾斜计等等。它们广泛应用于港口工程、土木建筑、道路桥梁、矿山冶金、机械船舶、水库大坝、地基基础等测试，已成为工程、科研中一种不可缺少的测试手段，显示出了其广阔应用和发展的前景。 除了振弦式传感器外，还有振筒式、振梁式和振膜式等传感器，它们统称为谐振式传感器。它们的工作原理与特性相似或相同，是20世纪70年代发展起来的。由于是频率式传感器，频率测量的精度最高

4、（可达1013数量级），由此成为最有发展前途的传感技术之一。它们被广泛应用于测量机械扭矩、振动、位移、速度、加速度、力、应力、压力、流体流量以及成分分析等。1.3 发展趋势振弦式传感器是目前是国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。由于振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号，因此，具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点。与工程、科研中普遍应用的电阻应变计相比，有着突出的优越性： (1) 振弦传感器有着独特的机械结构形式并以振弦频率的变化量来表征受力的大小，因此具有长期零点稳定的性能，这是电阻应变计所无法比拟的。在长期、静态测试传感

5、器的选择中，振弦传感器已成为取代电阻应变计、而广泛应用于工程、科研的长期原观的测试手段。 (2) 随着电子、微机技术的发展，从实现测试微机化、智能化的先进测试要求来看，由于振弦传感器能直接以频率信号输出，因此，较电阻应变计模拟量输出能更为简单方便地进行数据采集、传输、处理和存储，实现高精度的自动测试。 1.4 课题主要研究内容本课题要求设计一种由振弦式传感器和单片机组成的电子压力测量仪。该测量仪采用新型的振弦式压力传感器采集数据,由单片机控制整个测量过程,并负责数据的实时处理,自动存储、显示以及与远程单元的通信。这里只需要完成信号采集与处理模块。本课题要求设计的是基于振弦式传感器的压力测试仪。

6、该压力测试仪以单片机为中心，控制整个测量过程，并完成与GPRS模块，无线通信模块的连接。数据通过无线通信模块发送和接收，经单片机处理后，通过GPRS网络发送到远程终端手机或计算机中进行处理，并显示。本文可以分成五个主要的部分：第一部分是系统的总体设计，分析系统的设计要求，提出系统设计方案，阐述系统设计所需的各种技术和协议。第二部分是硬件设计，基于上述系统的设计要求完成对芯片的选择，设计硬件原理图，制作PCB图。第三部分是软件设计，基于已设计的硬件原理图为实现系统的功能设计软件程序框图和阐述程序设计过程。第四部分是系统调试，对上述硬件设计和软件设计进行系统联调，判断是否满足系统设计要求。第五部分

7、是结论，基于上述部分对本文进行最终的结论，并提出存在的不足和需要改进的方面。课题的意义：基于振弦式传感器的压力测试仪的控制中心是单片机。本课题数据采集与处理模块采用STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机。是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，具有高速，低功耗，超强抗干扰的特点。由该单片机控制无线通信模块和GPRS模块,并负责数据的实时处理,自动存储、显示以及与远程单元的通信。本系统无线通信模块运用的无线传输方式是射频方式，选用的是24L01模块。射频技术具有功率小，易开发，可靠性强等特点，且传输过程中流量较小，适于小型无线网络。在工业和民用领域使用范围较广，因此最适合应

8、用于本次课题。GPRS通信技术进行数据的远距离传输，具有较高的测量精度和极高的抗干扰能力。只要有GPRS网络的地方，管理人员便可随时随地了解和控制系统运行状态，实时性较好，保密性强，使人从繁重的人工值守中解放出来，大大提高了生产力，降低了组网和劳动力成本。本课题GPRS 模块采用了SIMCOM 公司的SIM300。该模块体积小巧，性能突出，可广泛应用于无线语音传输、车载系统、远程抄表、安全监控、遥控遥测、手持设备等领域。本课题的上位机模块选用的是VB语言编程。VB是在Window环境下运行的、支持可视化编程、面向对象的采用事物驱动的结构化程序设计语言，也是进行应用系统开发最简单易学的程序设计工

9、具。从任何标准来说，VB都是世界上使用人最多的语言，因此选用VB语言符合本课题的要求。2 系统总体设计本系统以STC12C5A60S2单片机为控制核心，振弦式传感器为测量设备，利用无线通信模块将测得的频率数据发送与接收，在单片机内部进行处理并转换得压力。该频率信号通过运用AT指令的GPRS网络传输到上位机，并在上位机显示与自动存储，实现了基于UDP传输协议的数据传输，完成了工程的短距离监测。2.1 系统主要功能本文的主要任务是设计一个基于振弦式传感器的压力测试系统，使其可以通过GPRS通信技术远程传输数据，并可以通过上位机进行显示和远程监控。本系统需要的功能及技术指标综述如下：（1）实现基于振

10、弦式传感器的数据采集与检测；（2）实现基于nRF24L01的短距离无线数据传输，实现数据汇总；（3）监测人员可以随时随地通过短信查询任意节点的频率值；（4）实现基于单片机控制的GPRS模块的GPRS通信技术进行的UDP数据传输，并能在PC机上进行压力和频率信号的数据显示、数据图形化等功能；（5）频率的检测要满足误差小于2%的要求，压力的测量误差要满足小于3%的要求，压力测量范围由所选传感器决定。2.2 系统总体结构框图图1系统总结构框图2.3 总结点框图总结点框图如下图所示，围绕单片机展开，连接振弦式传感器，无线通讯24L01接收模块，GPRS模块，程序接口端口及一些数据线。图2 系统总节点框

11、图2.4 无线通信技术本课题设计的无线数据采集模块需要具有如下特点：1、由采集节点和接收节点组成，采集节点主要功能是数据采集，并将采集到的数据发送给接收节点，接收节点主要是接收各个采集节点发送的数据，对数据进行初步处理，之后，将数据传输到上位机，由上位机进行进一步整理、检测、计算和储存。2、本模块针对数据采集的频率适中的情况，传输速度适中。3、数据采集现场可能存在各种干扰因素，因此需要在硬件和软件上采取相应措施来提高系统的抗干扰能力，以保证数据传输的可靠性。4、模块需要具有体积小，成本低，开发周期短的特点。5、本模块的接收节点通过GPRS模块与上位机相连。GPRS网络以封包形式传输数据，不受地

12、域限制，传输速率快，收费合理，目前已经被广泛的应用于检测系统。2.4.1采集节点框图采集节点的主要结构如图所示，主要是由微处理器，传感器，nRF24L01，USB-TTL接口和天线组成。采集节点负责将采集到的数据交由nRF24L01发射。如图3所示：图3 采集节点框图2.4.2 接收节点框图接收节点的主要结构如图所示，主要是由微处理器， nRF2401，GPRS模块，USB-TTL接口和天线组成，其中GPRS模块可以将接收的数据通过GPRS网络传送到上位机，进行检测和处理。如图4所示。图4 接收节点框图2.5 GSM移动通信网络GSM的原名为Group Special Mobile（移动专门小

13、组）。1988年，欧洲将GSM定义为“全球移动通信系统”（Global system for Mobile Communication），中文名为全球移动通信系统，俗称“全球通”。通常把早期的模拟移动通信系统称为第一代（1G）移动通信系统，而GSM被称为第二代（2G）数字蜂窝移动通信系统。GSM网络具有网络能力强，覆盖地域广，通信距离远，通信质量好，抗干扰能力强，系统建设成本低并能提供多种不同的业务的特点。GSM系统主要由移动台/移动用户（MS）、无线基站子系统（BSS）、交换网络子系统（SS）及操作维护子系统（OMC）四大部分组成。移动台/移动用户（MS）是用户设备，通常包括便携式和车载式。

14、无线基站子系统（BSS）是在一定的无线覆盖区中由MSC控制与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。交换网络子系统主要完成交换功能和用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。操作维护子系统主要是对整个GSM网络进行管理和监控。操作与维护管理的目的是使网络运营商能够监控整个网络，把需要监控的内容传送到网络管理中心，以供监测人员分析。GSM系统结构图如图5所示。图5 GSM系统结构图MS:移动台 BSS:基站子系统 BTS:基站收发BSC:基站控制器台 SC:短信息业务中心 SS:交换网络子系统EIR:移动设备识别寄存器 HLR:归属位置寄存器 VLR:来访

15、位置寄存器AUC:鉴权中心 MSC:移动业务交换中心 OMC:操作维护中心PSTN:公用电话网 PLMN:公共陆地移动网络 ISDN:综合业务数字网 PSPND:分组交换公用数据网2.6 GPRS技术GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线业务)是在现有的GSM移动通信系统基础上发展起来的一种移动分组数据业务，是GSM网络向第三代移动通信演进的第一步，这一步有两点重要意义：一是在GSM网络中引入分组交换能力，二是将速率提高到100kbit/s以上。GPRS是在GSM系统基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统，它采用分组交换技术，能兼容GSM网络并在网

16、络上更加有效的传输高速数据和信令。系统原理图如图6所示。图6 GPRS系统原理图GPRS采用与GSM相同的频段、相同的频带宽度、相同的突发结构、相同的无线调制标准、相同的跳频规则以及相同的TDMA帧结构。因比在GSM基础上构建GPRS系统时GSM系统中的绝大部分部件都不需要做硬件改动，只需作软件升级。构建GPRS系统的方法是：（1）在GSM系统中引入三个主要组件，这三个主要组件是SGSN(GPRS业务支持节点)、GGSN(GPRS网关支持节点)和PCU(分组控制单元)，SGSN和GGSN又合称为GSN(GPRS支持节点)；（2）对GSM系统中的相关部件进行软件升级。2.7 AT指令简介AT即A

17、ttention，AT指令集是从终端设备(Terminal Equipment，TE)或数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE)向终端适配器(Terminal Adapter，TA)或数据电路终端设备(Data Circuit Terminal Equipment，DCE)发送的。通过TA、TE发送AT指令来控制移动台(Mobile Station，MS)的功能，与GPRS网络业务进行交互。用户可以通过AT指令进行呼叫、短信、电话本、GPRS数据业务、补充业务、传真等方面的控制。其对所传输的数据包大小有定义：即对于AT指令的发送，除AT两个字符外，最多可以接收10

18、56个字符的长度（包括最后的空字符）。 每个AT命令行中只能包含一条AT指令；对于由终端设备主动向PC端报告的URC指示或者response响应，也要求一行最多有一个，不允许上报的一行中有多条指示或者响应。AT指令以回车作为结尾，响应或上报以回车换行为结尾。3 系统的硬件设计硬件设计主要是单片机的选择、单片机外围电路设计、电源模块设计、液晶显示模块设计、无线收发电路设计、和GPRS模块设计。3.1 单片机的选择1、传统51：传统51适合初学者，容易上手，价格一般（从性价比方面说）。 缺点：解密容易，一般功能也有，但A/D、EEPROM等功能要靠扩展，增加硬件和软件负担。2、PIC：PIC的好处

19、就是各个型号的兼容性强。12系列，16系列，18系列也是充分的向下兼容。功能全，型号多，适于选型分析，抗干扰能力强。缺点：解密容易，单片机价格贵（从性价比方面说）。3、avr mega：avr mega价格较便宜（从性价比方面说），硬件结构适合C语言编程，功能齐全，不容易解密。抗干扰能力强。型号之间兼容性一般。缺点：功能寄存器多，不适合初学者。4、STC12C5A60S2：STC价格便宜，性价比高，功能多，抗干扰能力最强，EEPROM大，串口编程很方便，又增加了许多功能。缺点：STC功耗偏高，做低功耗不太合适。一般用于研发用的比较多。所以本文选择STC12C5A60S2单片机。STC12C5A

20、60S2是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC成为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外STC12C5A60S2 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护

21、方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz。STC12C5A60S2单片机如图7所示。图7 STC12C5A60S2单片机图8 系统框图3.2 单片机外围电路设计3.2.1 时钟电路单片机各功能部件的运行都是以时钟信号为基准，所以时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响了单片机系统的稳定性。时钟可以由内部方式产生和外部方式产生两种。如果外部时钟频率在33MHZ以上，直接用外部有源晶振；如果使用内部RC振荡器时钟(室温情况下5V单片机为：11MHZ15.5MHZ，3V单片机为：8MHZ12MHZ)，XTAL1和X

22、TAL2脚浮空；如果外部时钟频率在27MHZ以上时，使用标称频率就是基本频率的晶体，或直接使用外部有源晶振，时钟从XTAL1脚输入，XTAL2脚必须浮空。本文采用内部方式的时钟电路来为单片机提供振荡电路。内部方式的时钟电路如图9 所示。STC单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。电容值在530PF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用，电容的大小会影响晶体振荡器频率的高低、稳定性和起振的快速性。晶体振荡

23、频率可以在1.212MHz之间选择，晶振的频率越高，系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。本文选用晶振为11.0592MHZ。图9 内部方式时钟电路外部方式的时钟电路如图10所示。外部方式的时钟电路使用了外部振荡器产生脉冲信号，常用于多单片机同时工作，以便于多单片机之间同步。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。图10 外部方式时钟电路3.2.2 复位电路上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图11所示。

24、只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。图12是常用的上电复位电路，这种上电复位利用电容器充电来实现。当加电时，电容C充电，电路有电流流过，构成回路，在电阻R上产生压降，RESET引脚为高电平；当电容C充满电后，电路相当于断开，RESET的电位与地相同，复位结束。图11上电自动复位按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，它的上电复位功能与图11相同，但他还可以通过按键实现复位，按下键后，通过R1和R2形成回路，使RESET端产生高电平。按键的时间决定了复位的时间，其电路如图12

25、所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图13所示。在上述简单的复位电路中，干扰易串入复位端，在大多数情况下不会造成单片机的错误复位，但会引起内部某些寄存器错误复位。这时，可在RESET复位引脚上接一个去耦电容。 图12 按键电平复位 图13 按键脉冲复位STC单片机中集成了硬件复位电路，所以本文采用按键电平复位，如图14所示。电源上电时，C4充电，在R8电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C4充满，R8电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下S5，C4放电。S5松手，C4又充电，在R8电阻上出现电压，使得单片机复位。几个毫秒后

26、，单片机进入工作状态。图14 按键电平复位3.2.3 串口电路串口是系统与外界联系的重要手段，具有连接线少，通讯简单等特点。在系统开发和应用中，经常需要使用上位机实现系统调试及现场数据的采集和控制。一般都是通过上位机本身配置的串口运用串行通信技术和系统进行连接通信。串口按电气标准及协议来分，包括RS-232-C，RS422，RS485等。RS-422由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器而比RS-232-C的驱动能力更强，所以允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备（Slave），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。

27、RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主设备（Master），其余为从设备（Slave），但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。RS-232-C采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。由于其发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS-232-C是为点对点（即只用一对收、

28、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为37k。所以RS-232-C适合本地设备之间的通信。而RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。对于本设计研发而用，选择目前最常用的一种串行接口RS-232-C已经基本能满足设计需要。所以本文采用9针RS-232-C标准的串行接口(DB9)进行数据通信。RS-232-C是异步串行通信中应用最广的标准总线，它是美国EIA(电子工业联合会)

29、与BELL等公司一起开发和公布的通信协议。RS-232-C标准采用的是负逻辑，规定+3V+15V之间的任意电平为逻辑“O”，-3V-15V之间任意电平为逻辑“1”，其逻辑电平（即232电平）与TTL电平相差较大，不能兼容。且电脑的串口是232电平的，只有是232电平通过串口才能与电脑正常通信。因此为了实现与TTL电路和电脑连接，必须进行电平转换将TTL电平转换成232电平。所以本文采用MAX232芯片作为电平转换接口芯片。MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的5V电压变成RS-232-C输出电平所需+12V和-12V两个电压，仅需5V电源便可工作。一个MAX232芯片可连接两对收发线。接口电路设计时，采用3线制(RXD、TXD、GND)方式，即只对“发送数据线(TXD)”、“接收数据线(RXD)”和“地线(GND)”进行连接，其它信号线均不用，但不是不需要的。这样既可以实现预定的目标，又可以简化电路设计，节约了成本。本文设计的串口原理图如图15所示。