基于LabVIEW的道路硬度檢測系統(tǒng)設(shè)計

徐晶晶，楊世鳳，何 靜，郭 淳

(天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300222)

基于LabVIEW的道路硬度檢測系統(tǒng)設(shè)計

徐晶晶，楊世鳳，何 靜，郭 淳

(天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300222)

針對混凝土試塊構(gòu)件的強度測量實驗，設(shè)計了基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)和單片機技術(shù)的道路硬度檢測系統(tǒng)．系統(tǒng)主要由壓力傳感器、信號調(diào)理電路、單片機及計算機組成．實驗表明：系統(tǒng)具有實時數(shù)據(jù)采集和處理功能，且測試可靠，可為道路硬度數(shù)據(jù)分析提供有效參考．

道路硬度；單片機；LabVIEW；參數(shù)采集

道路硬度作為道路檢測系統(tǒng)的重要性能參數(shù)，成為道路檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和評價指標(biāo)[1]．工程設(shè)計行業(yè)認為，硬度是變形應(yīng)力的度量，同時強度也作為道路承載力的有效因素[2]，二者存在一定的線性相關(guān)性．常用的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件混凝土抗壓強度的檢測方法主要有回彈法、超聲波法和鉆芯法．其中，回彈法使用方便、無破損，適用于勻質(zhì)性檢測，但誤差較大且受混凝土表層質(zhì)量的影響，因而難以精確推定混凝土的內(nèi)部強度；鉆芯法的精度較高，但代表性差[3]；而超聲回彈綜合法實驗復(fù)雜度高，且對道路硬度檢測不具有模擬性．本文按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采取立方體水泥混凝土試件的抗壓和抗彎拉的實驗方法，具有普遍性和廣泛性，并且能夠最大程度模擬試樣受力過程．

目前的道路檢測設(shè)備功能單一，系統(tǒng)造價昂貴，實時性與可靠性較差，并且對數(shù)據(jù)的分析與處理往往需借助三方軟件，限制了系統(tǒng)的功能．本文將LabVIEW虛擬儀器技術(shù)、AVR單片機技術(shù)與傳感技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了道路硬度檢測過程中不同參數(shù)的采集處理與分析顯示，在提高工作效率的同時，優(yōu)化了系統(tǒng)成本．

1 系統(tǒng)工作原理

水泥及水泥混凝土實驗中采集試件要嚴(yán)格按照道路施工標(biāo)準(zhǔn)[4]，本實驗從總體樣本中抽取部分樣本試件(150 mm× 150 mm× 150 mm )進行強度測定．在溫度為(20±2),℃，相對濕度大于50%的情況下，按照一定的混凝土原材料混配比養(yǎng)護試件，成型后將試件編號，在1、2、3、7、28,d不同的齡期內(nèi)，對試件進行強度實驗．

測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示．動力機構(gòu)通過電動機驅(qū)動壓力傳動機構(gòu)，從而帶動檢測裝置運動，采用傳感器等速加壓測試原理，由連接在道路硬度加載裝置上的拉壓力傳感器把對待測試件的作用力轉(zhuǎn)換為電信號，通過16位AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過C語言編程控制ATmega16單片機對所得信號進行分析處理，通過液晶模塊進行顯示，進而通過鍵盤輸入完成對不同要求的功能控制．

圖1 道路硬度檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Integral structure of the road rigidity detection system

上位機通過RS–232串口與ATmega16單片機系統(tǒng)連接，采集的壓力數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)缴衔粰C．上位機采用LabVIEW虛擬儀器平臺開發(fā)，可以進行數(shù)據(jù)的讀寫、顯示和曲線分析，從而求出被測道路硬度曲線和峰值．借助虛擬儀器軟件框架(VISA)驅(qū)動向?qū)В瑢崿F(xiàn)上位機與下位機之間的交互和管理，可以保存多次實驗的數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)的分析和處理．

2 硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)組成框圖如圖2所示．通過加壓裝置和拉壓式傳感器進行壓力、時間、位移等參數(shù)的測量．系統(tǒng)硬件主要包括單片機、信號調(diào)理、鍵盤、液晶顯示、通信、存儲及供電等模塊．

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖Fig.4 Diagram of A/D conversion circuit

圖2 硬件系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of hardware system

2.1 加載裝置與傳感器

加載裝置與傳感器如圖3所示．驅(qū)動裝置可采用自動與手動兩種不同方式，按照設(shè)定的速率加載．傳感器采用LTR–1型拉壓力傳感器，其為高精度的箔式應(yīng)變計，靈敏度和分辨率高，承載能力和測量范圍大．

圖3 加載裝置與傳感器Fig.3 Load devices and sensors

2.2 調(diào)理與控制模塊

采用16位∑?ΔA/D轉(zhuǎn)換器AD7705對壓力信號進行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)值送入單片機ATmega16中．控制程序根據(jù)設(shè)定和鍵盤輸入執(zhí)行相應(yīng)操作，將采集的數(shù)據(jù)通過液晶進行顯示，通過2I C總線傳輸?shù)酱鎯π酒ㄟ^串口發(fā)送到上位機，進行波形顯示和曲線分析．圖4為AD轉(zhuǎn)換電路原理圖．

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括：下位機單片機系統(tǒng)軟件設(shè)計及上位機基于虛擬儀器平臺的軟件設(shè)計．

3.1 下位機軟件設(shè)計

下位機采用C語言對單片機進行編程[5]，實現(xiàn)的功能主要有數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、液晶顯示、按鍵控制、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)存儲等．開發(fā)環(huán)境選擇ICCAVR編程平臺．單片機主程序流程見圖5．

圖5 單片機主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart of MCU

3.2 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件設(shè)計采用LabVIEW8.6虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境，用戶只需設(shè)計有關(guān)的應(yīng)用軟件就可以實現(xiàn)相應(yīng)的測試分析功能，方便地組建和設(shè)計自己專用的虛擬儀器．在本系統(tǒng)中，上位機軟件設(shè)計是關(guān)鍵，主要負責(zé)接收單片機發(fā)送來的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理，并對數(shù)據(jù)進行顯示、存儲操作和相關(guān)的數(shù)據(jù)分析．

3.2.1 數(shù)據(jù)通信

此部分的程序主要用于接收單片機通過串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并將其顯示到窗口中．串口通信采用NI公司開發(fā)的用來與各種儀器總線進行通信的高級應(yīng)用編程接口——NI–VISA[6]．

VISA是虛擬儀器系統(tǒng)的I/O接口軟件，不受平臺、總線和環(huán)境的限制，可用來對USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太網(wǎng)系統(tǒng)進行配置、編程和調(diào)試．基于自底向上結(jié)構(gòu)模型的VISA創(chuàng)造了一個統(tǒng)一形式的I/O控制函數(shù)集，在應(yīng)用形式上簡單方便，又提供了非常強大的儀器控制與資源管理功能．

3.2.2 人機交互

人機交互主要包括：系統(tǒng)設(shè)置模塊，起到和下位機進行串口通信和握手的作用，并對串口通信進行參數(shù)設(shè)置；數(shù)據(jù)顯示模塊，將讀寫的數(shù)據(jù)通過對話框及壓力表顯示；數(shù)據(jù)存儲模塊，存儲讀取數(shù)據(jù)及管理歷史數(shù)據(jù)，生成文件報表等．

人機交互主要通過圖6所示檢測監(jiān)控界面實現(xiàn)．一方面，操作人員通過界面對串口通信進行參數(shù)設(shè)置，包括流通量控制、延時、波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗、停止位的設(shè)置等，向計算機發(fā)出命令進行數(shù)據(jù)傳輸；另一方面，計算機通過串口上傳采集到的數(shù)據(jù)，并在窗口中進行顯示．

圖6 檢測監(jiān)控界面Fig.6 Interface of inspection and monitoring

3.2.3 軟件設(shè)計實現(xiàn)

系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進行顯示、存儲和曲線分析．具體程序流程為：先初始化，再設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位等參數(shù)，然后程序判斷是否接收到操作開關(guān)的指示，如果采集開關(guān)關(guān)閉，則對上一次緩存中的數(shù)據(jù)進行處理；如果采集開關(guān)打開則接收數(shù)據(jù)并進行讀取，進行數(shù)據(jù)顯示和存儲．

4 實 驗

4.1 實驗原理

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對公路工程水泥及水泥混凝土實驗的規(guī)定，要對同一溫度、濕度條件下，各個不同齡期的試件進行實驗，分別測得混凝土立方體試件的抗壓強度，以及更換接觸面板后測得混凝土試件抗彎拉強度兩種不同類型的強度值，通過回歸分析二者之間的關(guān)系，從不同角度綜合評定混凝土的強度值．

從試件接近破壞而開始迅速變形時，直至試件破壞，記下破壞極限荷載F，有

式中：Pcu為混凝土試件抗壓強度，N/mm2；F為極限荷載，N；A為上壓板面積，mm2．

更換接觸面后(兩個加載點)，當(dāng)斷面發(fā)生在兩個加載點之間時有

式中：fP為抗彎拉強度，MPa；F為極限荷載，N；L為支座間距離，mm；b為試件寬度，mm；h為試件高度，mm．

當(dāng)系統(tǒng)運行后，傳感器通過調(diào)理電路采集到的信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換進入單片機，再通過串口將數(shù)據(jù)傳送給PC機．取同一齡期的多個試件的算術(shù)平均值為測定值，結(jié)果精確到0.01 MPa．通過虛擬儀器監(jiān)控界面獲取數(shù)據(jù)并實時顯示．

在混凝土強度的對比檢測試驗中，為了將混凝土試件的抗壓強度換算為抗彎拉強度，則需要找出兩種實驗數(shù)據(jù)變量之間是否相關(guān)，即進行回歸分析[7]．采用最小二乘法準(zhǔn)則，使因變量觀測值與其曲線上的對應(yīng)值的離差之平方和最小，從而得到對給定類型函數(shù)的最佳擬合曲線，故存在函數(shù)：

4.2 回歸分析結(jié)果

抗壓強度與抗彎拉強度的回歸分析曲線如圖7所示．

圖7 抗壓強度與抗彎拉強度的回歸分析曲線Fig.7 Regression analysis curve of compressive strength and Fig.7 flexural strength

根據(jù)實驗結(jié)果對道路質(zhì)量的兩個重要參數(shù)抗彎拉強度與抗壓強度進行相關(guān)分析，采取冪函數(shù)與余弦函數(shù)的組合y=a0+a1x2+a2x+a3cos x進行回歸計算，曲線擬合的效果最好．經(jīng)過軟件編程求得回歸系數(shù)，a0＝19.43，a1＝12.23，a2＝-36.02，a3＝-14.43．通過回歸計算，可得到混凝土道路系統(tǒng)的不同強度參數(shù)的相關(guān)換算，從而可為道路建設(shè)工程和道路管理系統(tǒng)提供評價依據(jù)．

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)利用以LabVIEW為圖形化編程語言的虛擬儀器技術(shù)及單片機技術(shù)設(shè)計道路硬度檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時采集、操作軟件控制、串口通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)動態(tài)顯示、特征值分析、數(shù)據(jù)文件存儲等功能，現(xiàn)已投入實際使用，運行情況穩(wěn)定．

該設(shè)計有效縮短了開發(fā)周期、提高了檢測的效率，在功能完備、測量準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上降低功耗、節(jié)約成本，成為對道路硬度分析的有益嘗試．

［1］吳建波. 淺談高速公路路面工程監(jiān)理要點[J]. 山西建筑，2007(34)：293–294.

［2］郭蘭英. 車輛超載對路基路面強度和剛度的影響分析[J]. 路基工程，2006(1)：8–10.

［3］田瑞華. 某工程中混凝土強度檢測方法的探討與應(yīng)用[J]. 四川建筑科學(xué)研究，2009(35)：96–97.

［4］交通部公路科學(xué)研究所. JTG E30—2005公路工程水泥及混凝土試驗規(guī)程[S]. 北京：人民交通出版社，2005.

［5］張軍. AVR單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實例[M]. 北京：中國電力出版社，2005.

［6］劉君華，賈惠芹，丁暉，等，虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2001：141.

［7］鄧和平，黃躍北. 數(shù)學(xué)回歸方法在混凝土路面的強度試驗中的應(yīng)用[J]. 公路，1999(9)：31.

Design of the Road Rigidity Detecting System Based on LabVIEW

XU Jing-jing，YANG Shi-feng，HE Jing，GUO Chun
(College of Electronic Information and Automation，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)

On the basis of the strength measuring experiment of concrete block，the rigidity of roads detecting system was exploited with LabVIEW which combined with the computer system integration and single chip technology. The system was based on the pressure sensor，signal conditioning circuit，MCU and computer. Results show that the system test has the function of real-time data acquisition and processing. Simultaneously it is reliable which provide an effective reference to data analysis of the road rigidity.

road rigidity；MCU；LabVIEW；parameters acquisition

TP274

：A

：1672-6510(2010)05-0060-04

2010-04-01；

2010-07-07

徐晶晶（1985—），女，吉林人，碩士研究生；通信作者：楊世鳳，教授，yangsf@tust.edu.cn.