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1系統硬件設計

系統主要由數據測量終端和遠程監控終端構成。數據測量終端主要負責數據的采集和存儲及發送，其主要由傳感器激振驅動電路、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據測量終端，給各個測量終端發送控制命令并從測量終端回收數據以實現對所有數據測量終端的管理和控制。系統硬件電路結構圖如圖2。

1．1傳感器激振驅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的截止和導通，導通時，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，通過調節MOS管導通截止的頻率，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，所有需要通過調理后才能被STM32的I/O口捕獲。圖4是拾振電路原理圖，感應電動勢經過儀表放大器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換成方波信號，并將這個方波信號通過一個多路開關送入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需要全天候不間斷監測，所以，系統采用太陽能結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，就可以實現一個高效率的Boost變換器。

1．4數據存儲電路在系統工作中，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據和傳感器的溫度信息，本系統要用于長期監測，所以，有大量數據需要存儲在系統的存儲單元中。本系統選擇NANDflash作為數據的存儲介質，其電路如圖6。

2系統軟件設計

系統的軟件主要有激振程序、拾振程序、數據存儲程序和無線收發程序等組成。設計的難點是激振程序。在本系統中采用間歇反饋激振法，結合掃頻激振法來設計系統的激振程序。如圖7，間歇反饋激振法，就是先根據傳感器的固有頻率初始值，設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小于n1，則根據f1來設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個參數決定的掃頻程序框圖如圖8所示。

3系統測試

系統的測試在某長江大橋下塔柱施工中進行，監測數據如圖9所示。

4結束語

本測量系統已經實際應用于很多橋梁的施工監測中，通過實際應用和測試數據證明:該測量系統可以對混凝土應變和溫度進行準確的測量，實現了對土木工程結構應變和溫度的長期自動監測。同時，拓展了GPRS無線網絡在土木工程監測中的應用，實現了系統遠程控制和數據的無線傳輸，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用研究所