無線測量系統(tǒng)設(shè)計論文范文

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1系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)測量終端和遠程監(jiān)控終端構(gòu)成。數(shù)據(jù)測量終端主要負責數(shù)據(jù)的采集和存儲及發(fā)送，其主要由傳感器激振驅(qū)動電路、拾振電路，GPRS通信模塊電路、NANDflash存儲模塊、太陽能充電控制電路、MCU電路等組成。遠程監(jiān)控終端主要由GPRS通信模塊組成，相當于一個主控制點，它通過地址來識別各個數(shù)據(jù)測量終端，給各個測量終端發(fā)送控制命令并從測量終端回收數(shù)據(jù)以實現(xiàn)對所有數(shù)據(jù)測量終端的管理和控制。系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖2。

1．1傳感器激振驅(qū)動電路因為電磁線圈電阻很小，流過線圈的電流能達到200～400mA，STM32的I/O口不能承受，所以，選擇P-MOS(AO3401)來驅(qū)動，其電路圖如圖3所示。圖3中，JZ-Contro0是單片機的一個GPIO口，這個GPIO口控制MOS管DS的截止和導(dǎo)通，導(dǎo)通時，MOS管D端輸出一個高電平，截止時，MOS管D端輸出一個低電平輸。這樣，通過調(diào)節(jié)MOS管導(dǎo)通截止的頻率，就可以得到一個方波去激勵振弦傳感器。

1．2拾振電路由于振弦式傳感器輸出的感應(yīng)電動勢非常微弱，一般情況下輸出信號的幅度在300μV～1mV之間，所有需要通過調(diào)理后才能被STM32的I/O口捕獲。圖4是拾振電路原理圖，感應(yīng)電動勢經(jīng)過儀表放大器AD8231的放大后，用一個運放組成的二階有源低通濾波電路對其進行低通濾波以去除其高頻雜波，濾波通過運放組成的二級放大電路對其進行放大，二級放大后對其進行二次濾波，最后通過遲滯比較器把傳感器輸出的正弦信號轉(zhuǎn)換成方波信號，并將這個方波信號通過一個多路開關(guān)送入STM32的定時器獲得陣弦的固有頻率。

1．3太陽能充電管理電路因為系統(tǒng)需要全天候不間斷監(jiān)測，所以，系統(tǒng)采用太陽能結(jié)合可充電鋰電池的供電方案。如圖5所示，太陽能面板將供電給充電管理電路，充電管理電路再給鋰電池充電。該充電管理電路是一個基于UC2843的Boost變換電路，UC2843是一個單端輸出型的PWM控制集成電路［6］，只需要在其外圍配置很少的元器件，就可以實現(xiàn)一個高效率的Boost變換器。

1．4數(shù)據(jù)存儲電路在系統(tǒng)工作中，每個測量單元可接16只傳感器，要存儲振弦傳感器的頻率數(shù)據(jù)和傳感器的溫度信息，本系統(tǒng)要用于長期監(jiān)測，所以，有大量數(shù)據(jù)需要存儲在系統(tǒng)的存儲單元中。本系統(tǒng)選擇NANDflash作為數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì)，其電路如圖6。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件主要有激振程序、拾振程序、數(shù)據(jù)存儲程序和無線收發(fā)程序等組成。設(shè)計的難點是激振程序。在本系統(tǒng)中采用間歇反饋激振法，結(jié)合掃頻激振法來設(shè)計系統(tǒng)的激振程序。如圖7，間歇反饋激振法，就是先根據(jù)傳感器的固有頻率初始值，設(shè)定第一次掃頻激振的頻率上限fmax1和下限fmin1，第一次激振后，對傳感器的輸出信號進行處理并測量其頻率f1。如果第一次拾得的方波個數(shù)小于n1，則根據(jù)f1來設(shè)定第二次掃頻激振的頻率上限fmax2和下限fmin2，然后測得第二次激振后傳感器的輸出頻率f2。以此類推，當STM32拾得的方波個數(shù)大于等于n1，則停止激振，此時測得的傳感器輸出頻率就是傳感器的固有頻率，記錄這個頻率，用作下次測量的初始激振頻率。如果掃頻激振n2次后，STM32拾得的方波個數(shù)依然小于n1，則報錯。所謂掃頻激振，就是從掃頻頻率下限fmin開始，由STM32的I/O口輸N個脈沖，后增加δf，直到輸出頻率大于等率掃頻上限fmax。由這4個參數(shù)決定的掃頻程序框圖如圖8所示。

3系統(tǒng)測試

系統(tǒng)的測試在某長江大橋下塔柱施工中進行，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖9所示。

4結(jié)束語

本測量系統(tǒng)已經(jīng)實際應(yīng)用于很多橋梁的施工監(jiān)測中，通過實際應(yīng)用和測試數(shù)據(jù)證明:該測量系統(tǒng)可以對混凝土應(yīng)變和溫度進行準確的測量，實現(xiàn)了對土木工程結(jié)構(gòu)應(yīng)變和溫度的長期自動監(jiān)測。同時，拓展了GPRS無線網(wǎng)絡(luò)在土木工程監(jiān)測中的應(yīng)用，實現(xiàn)了系統(tǒng)遠程控制和數(shù)據(jù)的無線傳輸，具有較好的使用價值。

作者：鄧霏顏運強張誼單位：中國工程物理研究院計算機應(yīng)用研究所