便攜式智能巖體聲發射監測儀的設計

汪麗君，周鳳星，李 莊

（武漢科技大學 信息科學與工程學院 湖北 武漢 430081）

我國在巖體聲發射技術的研究與應用領域已經取得了不少成果，先后成功研制出聲發射監測儀，廣泛用于礦山巖體局部冒落、露天邊坡滑坡等預警中，避免了人員傷亡和設備損壞。單片機具有集成度高、體積小、可靠性強、價格低、面向控制等優點。鑒于此，聲發射監測儀器大多采用單片機來完成聲發射參數的監測和數據分析顯示。這樣一來，聲發射監測儀器在體積和重量上有了進一步的縮小，實用性大大增

強[1]。

便攜式智能巖體聲發射監測儀選用STC89C58RD+單片機作為控制器，外圍連接電子元件，能夠實現連續監測、終端顯示、數據長期保存、數據通信等復雜功能。

1 巖體聲發射監測原理

材料在受到外荷載作用時，其內部貯存的應變能快速釋放產生彈性波并發出聲響，稱為聲發射[2]。利用儀器對聲發射信號進行采集、處理、分析的方法稱為聲發射技術[3]。目前對聲發射的表征參數都是通過對儀器輸出波形的處理得到的，這些參數主要有聲發射事件與振鈴計數率和總數、幅度及幅度分析、能量及能量分布、有效電壓值、頻譜和波形等[4]。

巖體作為非均質固體材料，在變形過程中，會產生一系列聲發射信號（亦稱巖音）。對巖體聲發射狀態進行監測分析可預測巖體穩定性[3]。本文通過研究巖體聲發射信號在單位時間內的事件率及總能率的變化情況，來反映巖體的振動狀態，預測巖體穩定性。

2 儀器功能及特點

1）監測信息（聲發射參數）

以下測量信息均以十進制形式顯示在數碼管上，便于讀取。

大事件：單位時間內幅度大于設定值（閾值）的事件累計數（個/分），反映較大聲發射幅度；

總事件：單位時間內聲發射事件累計數（個/分），反映聲發射頻度；

能率：與單位時間聲發射能量成正比例的量（無量綱），反映聲發射能量[3]。

2）通過調節面板上的旋鈕，更改設置

調節兩位播碼盤可以修改監測點代碼值（00-99范圍內可調）；調節增益旋鈕可以設置放大器的放大倍數（有8個檔位可選，依次放大10-80倍）；調節閾值旋鈕設定大事件、總事件的閾值（有4個檔位，依次選擇4組電壓參考值）；調節周期旋鈕可以設置監測周期（有8個檔位，依次選擇周期為2-9分鐘）；調節2檔鈕子開關可以選擇進入人工或是自動監測模式；調節電池電源開關可以選擇供電或是斷電。

3）SD卡存儲AD采樣值

經過濾波、放大后的信號直接經AD976采樣，采樣值由單片機控制送入SD卡存儲，即為原始信號數據。后期，可以通過上位機軟件處理SD卡中的數據，以還原初始聲發射信號，便于與監測信息作進一步比較分析。

4）可與PC機進行數據通信

儀器監測得到的信息可以斷電保存，并且可通過通信接口與計算機標準接口連接，將EEPROM和SD卡中的數據傳至上位機，以便對數據作進一步處理。通過串口通信，上位機也可以向儀器發送控制命令，完成修改內部時鐘設置、下載歷史存儲數據等操作，這樣可以便于工作人員簡單直觀的操作。

5）充電電池與市電切換供電

當外接交流電斷開時，自動換成由充電電池供電，使得儀器在突發停電的情況下仍然能正常工作；外接交流電沒有斷開時，由交流電對儀器供電，同時又對電池進行充電。

6）儀器輕便、小巧

3 儀器組成

3.1 儀器的硬件設計

系統的硬件結構，可分為模擬電路和數字電路兩大部分。模擬電路部分的框圖如圖1所示。

圖1 模擬電路框圖Fig.1 Structure diagram of the analog circuit

由傳感器的探頭捕捉到的聲發射信號首先經過前置放大，然后通過UAF42進行低通濾波，接著將被濾除掉高頻噪聲的聲發射信號經由INA128進行放大（放大倍數可由增益旋鈕調節），然后送入到耳機監聽電路和信號處理電路。通過耳機監聽監測場所的聲發射聲音，以便操作者根據經驗判別巖體振動情況。通過后續對信號的比較、相乘、壓/頻轉換、計數等處理，得到能夠反映巖體振動信息的參數值（大事件、總事件、能率）。信號放大之后經由AD976采樣，并送SD卡存儲，便于后期對存儲卡中的采樣數據處理分析，以還原初始聲發射信號，進一步比較分析。

數字電路部分的框圖如圖2所示。串行時鐘芯片DS1302提供系統時鐘[6]，以便實時記錄事件發生的時刻；用單片機內部定時器T0來控制在單位時間內讀取8254計數器[5]中的計數值；SD卡用來存儲經AD976采樣得到的數據；EEPROM用來存儲監測數據、監測代碼及時鐘信息等；由數碼管驅動芯片CH4528來實現控制8個8位的數碼管動態顯示監測參數；通信接口電路用來實現與上位機通信，可將監測數據傳送給PC機，PC機也可通過串口向單片機發送命令。

圖2 數字電路框圖Fig.2 Structure diagram of the digital circuit

由于需要長時間存儲大量的數據信息，因此選用4片AT24C512（總共2 Mbit存儲空間）級聯的方式來實現外部存儲器的擴展，利用單片機的2個I/O來控制選擇其中一片存儲芯片進行存取操作，具體連接電路如圖3所示。

圖3 EEPROM存儲電路Fig.3 EEPROM storage circu

3.2 儀器的軟件設計

軟件部分采用C語言編制，使用結構化設計方法，使軟件的開發具有良好的、清晰的結構。在硬件調試無誤的前提下，針對各個功能模塊，編寫獨立的子程序進行調試，以實現相對獨立的各個模塊正常運行，最后將各個子程序匯總，進行整體調試運行。軟件主要由主控程序、信號采集模塊、計數模塊、時鐘模塊、顯示模塊、存儲模塊、通信模塊等部分組成，如圖4所示。

圖4 軟件系統框圖Fig.4 Structure diagram of the software system

開機通電后，系統自動進行初始化，時鐘模塊進行時間初始設定，內置電池，掉電后時鐘芯片繼續工作，不用重新設定初始值。單片機通過I/O口讀入周期值和播碼值，選擇進入人工或是自動模式。人工模式下只進行一次監測，一分鐘時間內單片機不停地將8254中的計數值讀出并送到數碼管上動態顯示；一分鐘時間到，保持此時數碼管上的數據不變并且開始閃爍（以提示一分鐘時間到），同時將此時顯示的數據存入EEPROM（AT24C512），等待下次重新啟動后開始新一輪的定時計數。自動模式下（不需要手動控制進入下一輪計數），由輸入的周期值來設定進入循環監測的時鐘周期。一分鐘監測時間內AD976啟動工作，單片機會將AD采樣值送入SD卡實時存儲，同時不停地讀取8254計數值并送數碼管上動態顯示；一分鐘時間到，停止AD采樣和數碼管上的動態顯示，同時將此時顯示的數據存入EEPROM，等待下一個工作周期到來時，繼續進行單位時間內的監測。每次EEPROM和SD卡的存儲之前會判斷是否存滿，若沒有存滿，則繼續向下一個存儲單元送入數據；若已經全部存滿，則數據又回到初始單元進行覆蓋存儲，這樣可以保證存儲芯片中始終保留近期的監測數據，不會造成數據丟失。軟件流程圖如圖4所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Flowchart of the software

4 設計難點及解決方法

4.1 抗干擾設計

監控系統的現場運行環境惡劣，干擾嚴重。鑒于此，系統設計中主要考慮從硬件上來有效地抑制干擾，阻斷干擾的傳輸通道。在設計中選用通用有源二階低通濾波器，濾除高頻噪聲干擾。設計電路時，全面考慮各種抑制干擾的措施，如在電路的每個關鍵部位配置去耦電容，電源輸入端跨接10μF的電解電容，每個芯片電源引腳上0.01μF并接高頻電容。電路中不使用的輸入端均與地相接，避免引起邏輯電平不正常。元件布局要將模擬與數字電路分開，各自都有獨立的電源和地，最后在某一點將兩者的地相接。

4.2 8254實現3路同時計數

8254計數模塊是整個系統設計中最重要的部分之一，若不能精確地控制8254的計數工作，計數值的錯誤將導致測量信息的不準，以導致系統監測失效。設計采用8254的3路計數通道分別實現對大事件、總事件、能率的同時計數。8254工作在方式0，由單片機的I/O口控制GATE門控信號，用門控信號的高低電平來控制計數器的啟動或者暫停。

5 結束語

基于單片機設計的智能巖體聲發射監測儀，具備準確監測聲發射信息的功能，同時也順利實現了信號采集、顯示、存儲、發送等操作。在設計中，硬件電路由模擬和數字兩部分組成。模擬電路完成對輸入信號的濾波、放大、比較等處理，達到將微弱的電信號轉換為方便采集的脈沖信號的目的。數字電路完成對脈沖信號的計數、顯示、存儲、發送等處理，將監測得到的數據直觀地輸出到外設，便于工作人員查看。在系統設計中，采用一些措施能有效地抑制干擾。通過在軟硬件上對8254的控制，計數值的準確性等問題也得到很好地解決。

[1]晏志勇，劉芳.一種基于單片機AT89S52的巖體聲發射監測儀的智能改進與實現[J].煤炭技術，2009，28（12）：125－128.YAN Zhi-yong，LIU fang.An improvement and implementation of intelligent rock acoustic emission monitoring based on singlechip AT89S52[J].Coal tTechnology，2009，28（12）：125－128.

[2]蔡美峰，何滿朝，劉東燕.巖體力學與工程[M].北京：科學出版社，2006.

[3]熊慶國，雒惠芳，賀風云.新型便攜式巖體聲發射監測儀[J].工礦自動化，2003，10（5）：113－116.XIONG Qing-guo，LUO Hui-fang，HE Feng-yun.Portable rock acoustic emission monitoring[J].Mining Automation，2003，10（5）：113－116.

[4]袁振明，馬羽寬，何澤云.聲發射技術及其應用[M].北京：機械出版社，1985.

[5]鄒向陽，李峰，劉戎.智能儀器儀表中數字溫度實時時鐘功能的設計[J].自動化儀表，2009，30（2）：60－62.ZOU Xiang-yang，LI Feng，LIU Rong.Design of digital temperature real-time clock function in intelligent instrument[J].Automation Instrument，2009，30（2）：60－62.

[6]楊文顯，楊晶鑫.現代微型計算機與接口教程[M].2版.北京：清華大學出版社，2007.