沉降自動檢測設計與實現*

秦 剛，張 明，張 楠，秦 笑

(西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710021)

沉降自動檢測設計與實現*

秦 剛，張 明，張 楠，秦 笑

(西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710021)

為了提高沉降檢測精度，節約生產成本，采用高精度AD采集芯片，結合多元補償算法，設計出了一種沉降自動檢測系統。經過實驗室試驗分析，其達到了系統技術指標，滿足了設計需要。

沉降自動檢測；AD7793；單片機；精確測量

路基沉降量檢測主要由壓力傳感器、溫度傳感器、儲液罐、導通管以及其他輔助設備組成，其工作原理是利用液體壓力差結構，采集參考點附近多個位置的路基沉降量的壓力值，并集中到主控板，經過溫度補償得到各個位置對應的高度值，并與參考點的高度值進行對比，從而得到對應位置點的沉降量。目前，路基沉降量的檢測均由人工通過基礎的儀器檢測來完成，操作人員在工作過程中主要依靠人工觀測，不僅勞動強度大，統計周期長，而且還會引入很多人工誤差，導致漏報錯報，從而為道路正常運營埋下隱患。隨著計算機技術和自動檢測理論的發展，對路基沉降量實行自動化檢測已經成為可能。自動化監測具有精度高和速度快等優點，是目前路基沉降量檢測的發展趨勢[1-4]。

本文根據路基沉降檢測的要求，依照設計原理，組裝了路基沉降自動檢測系統機械結構，并利用微控制器以及其他輔助元器件設計了一種路基沉降自動檢測系統。

1 系統結構設計

1.1 機械設計原理

根據連通管的流體壓差測量原理，在路基某一固定基準點處設置基準壓力傳感器和儲液箱。儲液箱、基準傳感器以及被緊固于沉降板各測點處的壓力傳感器通過柔性連通管連接在一起，并充滿低揮發、低熱脹冷縮系數的液體。儲液箱中液體液面與柔性連通管和壓力傳感器之間存在一定高程差，當路基發生沉降變形時，帶動各測點處的壓力傳感器和柔性連通管同步變形，使得測點與基準液面的高程差發生變化。利用高程差與液體壓力差成正比的關系，只要測量出壓差的變化，即可推算出高程差的變化，進而計算出沉降變形的大小。

1.2 機械設計組成

每個采集點由硅壓阻型壓力傳感器、PT100型熱敏電阻和相應的電路模塊組成，安裝在1個保護盒內，并留有水管、氣管和線纜接口。每2個傳感器之間通過水管、氣管和線纜等連接起來，水管與儲液箱相連并形成回路，氣管通入大氣，采集點將采集到的數據以數字量的形式，通過RS-485通信方式發送到數據主采集板，然后通過遠程傳輸模塊將數據發往觀測站。

2 路基沉降自動檢測系統的整體設計方案與技術指標

2.1 系統整體設計方案

所設計的系統總框圖如圖1所示。

圖1 路基沉降自動檢測系統總框圖

路基沉降自動檢測系統工作時，工作人員操作監測站的上位機發送采集指令，通過遠程傳輸模塊控制數據主采集板采集數據，并將采集到的沉降量發送回監測站，進行存儲、分析和顯示。

2.2 系統技術指標

1)采集精度：0.3 mm。

2)量程：500 mm。

3)環境溫度：-40～60 ℃。

3 系統硬件設計

根據路基沉降自動檢測系統的要求，設計了數據采集模塊硬件原理圖，如圖2所示。硬件電路設計遵循模塊化的設計方法，主要包括控制器模塊、電源模塊、AD轉換模塊、外存儲器模塊、通信模塊以及其他電路。

圖2 路基沉降自動檢測系統主要模塊硬件原理框圖

3.1 控制器模塊

本設計采用美國飛思卡爾半導體公司的mc9s12xs128單片機作為主處理器。MC9S12XS128是16位單片機，由16位中央處理單元(CPU12X)、128 kB程序Flash(P-lash)、8 kB RAM和8 kB數據Flash組成片內存儲器，工作頻率為80 MHz，最大總線時鐘可達120 MHz[5-8]。

3.2 電源模塊

系統采用12 V電池供電(見圖3)，電路中使用電源為5 V，由LM2940(見圖4)得到的5 V給單片機、外存儲器和通信電路供電，由LM1117(見圖5)得到的5 V給AD采集模塊供電。圖3中，R為0 Ω，C1為電解電容(25V470μF)，C2和C3為CBB電容，T20為共模扼流圈。

圖3 12 V電源濾波電路

圖4 LM2940-5V穩壓電路圖

圖5 LM1117-5V穩壓電路圖

3.3 AD采集模塊

AD7793是1個低噪聲可編程增益儀表放大器，最高可具有23位有效分辨率，3個差分輸入口，采用SPI總線方式與主控制芯片連接，芯片具有內部激勵電流源的輸出引腳，可以輸出有效電流源，為壓力數據采集和溫度采集提供可靠電源，在ADuM5401數字隔離芯片的配合使用下，可以達到最小值±0.1%FS的檢測精度。AD采集電路原理結構圖如圖6所示。壓力傳感器和溫度傳感器的模擬量信號先輸入到A/D轉換芯片AD7793，信號經過數字隔離芯片ADuM5401與單片機的I/O口相連，保證系統具有較高的數據采集精度和很強的抗干擾能力。試驗結果表明，其設計結構合理，精度較高，效果較好。

根據系統的測量精度和控制精度要求，選擇了RTD傳感器PT100作為測溫傳感器。PT100具有良好的長期穩定性，線性度好，響應時間快，測試電流在允許值范圍內，自熱系數小，可滿足系統的技術要求。PT100傳感器對溫度的變化輸出一般是微伏級的微弱信號，但AD7793具有完整的模擬前端功能，內部集成了低噪聲儀表放大器，且可以設置增益；因此，可以直接輸入測量傳感器輸出的微弱信號，輸入信號通過低通濾波后進入AD7793的A/D輸入端。選擇Motorola生產的MPX型硅壓阻式壓力傳感器作為沉降檢測傳感器，其電阻是利用離子注入工藝光刻在硅膜片上，并采用了計算機控制的激光修正技術和溫度補償技術。該壓力傳感器的精度非常高，模擬輸出電壓正比于輸入的壓力值和電源偏置電壓，具有極好的線性度，且靈敏度高，長期重復性好。傳感器的2根差分信號輸出端接入AD7793的差分信號輸入口，可以檢測到壓力傳感器的微弱信號變化。

圖6 AD數據采集電路原理結構圖

3.4 外存儲器模塊

外存儲器模塊采用的是AT24C512存儲芯片，主要用來存儲溫度補償參數，為曲線擬合大量參數儲存提供支持。

3.5 RS-485通信模塊

鑒于無人參與的純粹“人工智能創作”在版權法中的特殊性，人工智能創作中自然人的人工干預程度對于判斷“人工智能創作”的版權法屬性至關重要。由于版權法保護對象實際上是作品中的獨創性表達，因此，如果人工智能使用者可以通過控制系統設定、外部輸入或輸出端選擇的方式控制人工智能輸出結果的表達或部分表達，則不屬于本文所說的純粹“人工智能創作”。

通信模塊采用的芯片為SN65LBC184，是一種8管腳的收發器。2管腳為數據接收信號，低電平有效；3管腳為數據發送信號，高電平有效；1管腳R為讀信號，4管腳D為寫信號。1、2、3和4管腳與數據采集模塊主控單片機相連，6、7管腳A、B為SN65LBC184的輸出端。

4 系統軟件設計

4.1 采集總流程

圖7 系統軟件主流程圖

根據路基沉降自動檢測的實際工作過程設計該系統軟件。本設計的路基沉降自動檢測系統初始化后，上位機發送檢測信號，下位機響應后對壓力值和溫度值進行檢測；然后利用存儲的溫度補償數據對數據進行溫度補償，得到相應環境下的精確值；最后傳輸給上位機。上位機對傳回的數據進行存儲、分析和顯示。軟件主流程圖如圖7所示。

4.2 補償軟件設計

由于硅壓阻式傳感器相當于一個惠斯通電橋，電流源相比于電壓源的設計能更有效地提高采集精度。為了得到精準的沉降量，每臺傳感器在使用前都要進行零位校正和溫度補償。

在PC機上編寫上位機，主要用于用戶輸入和數據采集顯示，通過Visual C++6.0編譯環境開發，結構簡單，容易實現。補償軟件對采集回來的數據和對應的溫度進行非線性補償處理，從而得到線性、準確的沉降值。如采用二元函數P=f(U，T)來進行補償處理(P為被測壓力，U為傳感器輸出電壓，T為環境溫度)，根據Weierstrass逼近定理存在多元多項式：

(1)

(2)

經整理后，可得到a00,a01,…，anm矩陣方程。通過矩陣方程，可求得a00,a01,…，anm的值。

在矩陣求解中，為使矩陣值誤差最小，利用高斯消去法中的總體選主元法,求解出a00,a01,…，anm的值，代回式1中，可得出智能傳感器的非線性補償所用的曲面擬合函數式。

上位機進行高度標定時的數據見表1。利用補償程序對沉降高度值進行非線性補償，得到相應的高度值，經過補償后的高度變化量呈線性變化，如圖8所示。

表1 實時標定數據

圖8 標定前后數據曲線

將表1的數據輸入上位機補償程序對話框后，得到如下曲線擬合函數式：

p=-42.338 1Up1+5.288 43Up2-0.216 001Up3+0.006 430 43Up4-6.751 28e-0.005Up5

式中的各項系數就是通過上位機補償軟件計算得到的參數，其中各項的系數是得到的補償參數通過上位機計算得到的，并且通過串口將補償參數發送到下位機外部存儲器中。當不同溫度下對沉降量進行采集時，單片機會通過預先標定好的參數對實時數據進行溫度補償，從而得到相對準確的沉降量。

5 系統調試及結果

采用高精度信號調理芯片AD7793對傳感器進行校準和補償，補償后的精度可達到0.2 mm。其基本補償思想是對傳感器進行標定試驗，在不同壓力和溫度下測量誤差，得到補償系數，并存入外部存儲中。在進行實際測量時，取出存儲中對應的補償系數補償傳感器的輸出，最終實現對傳感器的溫度補償。

溫度從0 ℃變化到40 ℃時差異較大的幾組數據見表2，可以看出其誤差最大為0.15 mm。

表2 壓力為3 kP，溫度變化時的輸出值

系統的誤差主要源于信號調理電路和傳感器特性，經過幾臺傳感器聯合安裝調試后得出其系統誤差為0.24 mm，滿足項目設計指標要求。

6 結語

應用本文提出的沉降自動檢測技術對試驗結果進行分析表明，本設計滿足了設計的性能指標要求，達到了設計目的。沉降自動檢測的實現也降低了檢測人員的勞動強度，提高了檢測精度，不僅減少了生產事故的發生，而且滿足了人們對建筑施工質量越來越高的要求。

[1] 陳善雄.高速鐵路沉降變形觀測評估理論與實踐[M].北京：中國鐵道出版社,2010.

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[3] 秦剛.非線性補償在智能傳感器中的工程實現[J].西安工業大學學報,2001(2): 119-123.

[4] 蔡教武.基于MPX2100型壓力傳感器的高精度數據采集系統[J].電源世界,2005(4);51-54.

[5] 趙航.高溫環境下壓力傳感器的溫度補償方法研究[J]. 自動化與儀表,2012(8): 18-21.

[6] 潘浩.一種基于RS485總線的遠程數據通信系統[J].儀器儀表學報,2003(1): 467-468.

[7] 劉孟德.高精度文促測量電路設計[J].山東科學,2012(2):73-75.

[8] 夏勇.多路硅壓阻式壓力傳感器溫度補償系統的設計與實現[J].測控技術,2006(1):10-12.

*陜西省科學技術研究發展計劃資助項目(2014 K05-44)

責任編輯李思文

ResearchandDesignofAutomaticDetectionSystemofSettlement

QIN Gang，ZHANG Ming, ZHANG Nan, QIN Xiao

(College of Electronic Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710021，China)

In order to improve the sedimentation precision and save the costs of production, taking AD sampling chip with high precision, and combining with multiple compensation algorithm, designed a subsidence automatic detection system. Through lab experiment analysis, achieved technical indexes of the system, which can meet the designing needs.

subsidence automatic detection, AD7793, microcontroller, measure of precision

TN 81

：A

秦剛(1965-)，男，碩士，教授，主要從事嵌入式和自動控制等方面的研究。

2014-07-24