數顯樹木胸徑測量儀結構設計及工作原理分析

邵俊飛 徐華東 徐偉通 周佳婧 王慧

摘要：傳統樹木胸徑測量主要采用胸徑圍尺和樹木胸徑卡尺來實現，這兩種工具都是人工讀數，存在人為誤差，耗時費力，效率較低。為了克服傳統樹木胸徑卡尺所存在的不足，本文對傳統胸徑卡尺進行再設計，利用傳感器技術、微計算機技術和集成電路技術，在傳統胸徑卡尺結構基礎上，增加了容柵傳感器、單片機和LED顯示器等數顯構件，并通過設計不同功能的電路使各構件有機結合，分析各關鍵構件的結構、工作原理及功能實現方式，最終實現樹木胸徑卡尺的數顯功能。

關鍵詞：胸徑測量儀；容柵傳感器；單片機

中圖分類號：S758.7

文獻標識碼：A

文章編號：1001-O05X（2015）04-0098-03

在森林資源調查中，胸徑是一個重要的林分調查因子。它也是反映活立木質量和生長量的最基本因子之一。胸徑的快速、準確測量，對林木資源調查以及合理經營具有重要意義。當前用于測量胸徑的儀器主要包括：胸徑圍尺和樹木胸徑卡尺，這兩種儀器都是手工測量，不可避免存在人為誤差，且讀數耗時費力。因此，需要研究新型的樹木胸徑測量儀。

隨著科技的進步，工業檢測領域的軟件和硬件都在不斷地發生更新換代，測試儀器的功能也逐漸向智能化、便捷化和精細化方向發展。容柵傳感器和單片機的出現與發展，對這一趨勢的推動，起到了重要作用。

近幾年，容柵傳感器和單片機陸續被應用到測距系統、數顯卡尺終端、變形檢測系統、車載油耗實時監測系統和樹木根系檢測系統等領域，均取得了較好的效果。然而，在樹木胸徑檢測領域，仍以傳統測量為主，未引入這些智能化硬件設備，沒有實現測試儀器的智能數顯功能。

本文將對傳統胸徑卡尺進行改進，利用傳感器技術、微計算機技術和集成電路技術，實現樹木胸徑卡尺的數顯功能。數顯樹木胸徑測量儀將有效的解決傳統的胸徑測量的弊端，使測量更為快捷，讀數更為便利，提高野外測量的效率。

1 樹木胸徑測量儀結構設計

1.1 結構設計

樹木胸徑測量儀由尺胚和數顯組件組成，如圖1所示。尺胚由動尺、定尺和尺爪組成。通過尺爪與被測物體相接觸，來實現位移測量。

1.2 組件功能

數顯組件由位移傳感器、單片機和顯示器組成。其中，位移傳感器用于采集位移量，并將位移信號轉換成單片機能夠識別的數字信號；單片機則用來采集位移傳感器接收到的數據，然后通過數據運算及處理，將被測樹木的胸徑尺寸顯示出來。

2 傳感器選定及功能實現

2.1 傳感器選擇

可用于數顯樹木胸徑測量儀實現樹木胸徑測量的傳感器種類有：磁柵式、光柵、容柵及感應同步器等多種類型。與其它類型大位移傳感器相比，容柵傳感器具有的優點是：造價低、體積較小（集成芯片僅1cm xlcm大小）、結構簡單、耗能少、安裝使用方便、環境適應能力強、分辨率高和動態范圍寬等。它是利用相位跟蹤原理來實現位移測量的傳感器。因此，本文設計的數顯樹木胸徑測量儀選擇容柵位移傳感器作為測量傳感器。

2.2 容柵傳感器特點及工作原理

容柵傳感器是一類變面積原理的電容傳感器，具有多對梳狀排列的電極。它的特點是：精度高、重復性好、對環境要求不苛刻、抗干擾能力強、能夠實現數字化等。它即可用于小位移測量，又能實現大位移測量。

本文選擇直線形容柵傳感器，其工作原理為：由相對放置的2組條狀電極群組成，l組為動柵，另1組為定柵；通過靜電耦合來實現二者之間位移的測量。

2.3 傳感器安裝位置

由于動尺與定尺之間的距離隨所測活立木胸徑的不同而變化，想要將該距離測出，就需要將其轉化為容柵的動柵與定柵之間的靜電耦合，因而可以將定柵固定在尺身上、動柵裝在卡尺的動尺上，動柵正對定柵安裝。

2.4 容柵傳感器的功能實現

動柵的組成包括：相互連成一體的屏蔽電極與一系列相互隔離的傳送電極。它們的表面絕緣層用于防止工作時定柵與動柵短路。傳送電極在傳感器中起反射電極作用，通過它能把與傳送電極相對應的發射電極的激勵電壓耦合到吸收極中去。由于動柵與定柵正對安裝，動柵上的發射和接收電極便與定柵的傳送電極分別構成2組平板電容。隨著動尺的移動，定柵與動柵的相對位置則會改變，進而形成位移信號。

3 傳感器與單片機的連接

容柵傳感器輸出的電容信號經過容柵集成芯片中的集成電路處理可轉化成為數字信號輸出。由于容柵傳感器所采用的專用集成電路，通過非標準同步串行數據口輸出測量結果，其供電電壓為+1.5V，而單片機所采用普通的TTL芯片的供電電壓為+5V，所以單片機不能直接處理從傳感器集成電路中輸出的數據，要使二者可以相互通訊，必須要有電平轉化電路，如圖2所示。在電平轉換之后，單片機即可接收信號。然后利用單片機的集成電路，對測量數據進行計算，并向LED顯示器輸出測量結果。

4 單片機的選取及功能實現

4.1 單片機選擇

選取AT89C52單片機，它采用CHMOS工藝及高密度、非易失存儲技術制造，與80C51引腳和指令系統完全兼容。AT89C52單片機包含的功能部件有：8位CPU 1個；8kB PEROM；片內振蕩器及時鐘電路各1個；寄存器21個；16位的定時/計數器3個；8位并行I/O口4個；可編程串行口1個；可編程I/O端線32條；中斷源8個。

4.2 單片機功能實現

單片機要準確地采集容柵傳感器的信號，再進行不同數制的轉換后顯示出來，這主要通過軟件設計來達到目的。軟件所包含主要模塊，如圖3所示。實際工作中，先對單片機編程，編寫處理數據的程序，程序存儲在存儲器之中，將從傳感器傳來的經過電平轉換電路轉換的測量信號經運算器運算處理，并將運算結果輸出。

各模塊的主要內容和功能如下：①主程序模塊。主要包括始化程序，用于設置設置定時和中斷方式。②數據接收模塊。容柵傳感器發送的數據是24位，單片機接收數據為8位，因此必須依靠中斷方式分3次讀入串并行轉換后的數據。在數據接收時，這就要求接收程序要準確定位數據流的分界，迅速跟蹤數據流。同時，需要計算1個數據串是否接收完畢，在接收完1個數據串后，即將它轉至緩沖區準備進行下一步處理。③數據處理模塊。數據處理模塊的功能包括：二進制數轉換成BCD碼的整數與小數；識別正負號標志。④顯示管理模塊。顯示管理程序首先對需要顯示的數據進行編碼轉換，然后由LED數碼管完成靜態顯示。

5 顯示部分的設計

顯示部分采用共陰極的LED，驅動電路為ICM7218B.顯示方式為動態掃描刷新模式。ICM7218B內部構件包含：8位CMOS LED驅動器；8x8位靜態RAM，用于存放顯示數據；具有BCD碼譯碼器和全16位制譯碼器；頻率250Hz的多位掃描電路。在顯示屏的面板上，利用若干發光二極管作為指示燈，在軟件中通過ICM7218B來控制發光二極管的發光和熄滅。

6 結束語

利用傳感器技術、微計算機技術和集成電路技術設計的可用于樹木胸徑測量的數顯卡尺，具有便攜、體積小、讀數方便、手持式測量等特點，適合于野外快速測量活立木胸徑數據。綜合利用直線形容柵傳感器、AT89C52單片機和LED顯示器，合理設置部件連接方式和控制電路，能夠較好地實現樹木胸徑卡尺的數顯功能。

在設計過程中，需要注意以下幾點。

（1）選擇直線形容柵傳感器作為位移傳感器，充分發揮其可動部分不需通電這一優勢。

（2）由于容柵傳感器與單片機所采用的供電電壓不同，二者不能直接通訊，必須要有電平轉化電路進行過渡，才能實現數據傳輸。

（3）單片機是數顯樹木胸徑測量儀的重要組成構件之一。測試儀功能的實現，主要依靠單片機內各個模塊的程序來完成，因此在設計過程中，要重視對單片機軟件功能的劃分與設計。