一種新型公路路基含水率檢測器系統設計

李 會，石翠萍，夏 穎，劉歡歡

（齊齊哈爾大學，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

0 引 言

在新建公路中，路基的強度、板體性、水穩性受多種因素制約，如填料種類、粒徑范圍、施工溫度、地下水和降雨等。在多種影響因素中，水對路基的侵蝕影響最為嚴重，路基處理時填料的含水量對壓實度影響較大。施工過程中，現場施工人員需要控制填料含水率，只有填料處于最佳含水率時進行碾壓，路基強度才會高，壓實度才有保障。因此，施工人員需要針對不同的含水率采用不同的施工工藝和施工步驟，快速得到準確的數據，加快施工速度，在保證路基質量的同時降低建設成本[1-2]。

1 系統總體設計

本設計以STM32芯片為核心，供電電源為5 V直流電，通過LM1117芯片使電壓轉換為單片機需要的工作電壓；采用GPS模塊記錄高精度土壤濕度傳感器測定的路基填料含水率，通過無線傳輸模塊將數據回傳到上位機，并由屏幕顯示。含水率檢測系統包括含有位置記錄的料場中料樣的含水率信息，可根據料源的位置與料樣情況人為設置閾值，當含水率超過或接近閾值時，屏幕顯示該數據，蜂鳴器報警[3-4]。系統硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構設計

2 系統電路設計

本系統主控芯片選擇STM32F103C8T6，其引腳采用LQF48封裝，電源供電電壓范圍為2～3.6 V，適用環境溫度為-45～85 ℃。單片機內置閃存64 KB，靜態內存8 KB，外設系統資源充足。STM32F103C8T6單片機有40個引腳，每個引腳都具備獨特的功能，為了較好地實現含水率檢測系統的測量、轉換、處理、顯示等功能，需要與復位、顯示、按鍵、預警、傳感器等接口準確連接[5-6]。

2.1 基礎電路設計

2.1.1 復位電路設計

通過電容、電阻元器件的搭配實現電路的復位功能。在超短時間內電容充滿使得電阻變成無電壓狀態，此時電路正常工作。操作人員使用檢測設備時，人員按下復位鍵，電容放電，電阻出現高壓，系統完成復位。

2.1.2 晶振電路設計

晶振電路是單片機電路的組成部分。如果單片機無晶振電路，則系統將無法正常工作。晶振的頻率決定了定時器的各項參數。選用無源晶振搭配起振電路（起振電路主要由2個電容構成）實現該部分功能。

2.1.3 電源電路設計

含水率檢測器系統選用的核心控制器的工作電壓范圍為2～3.3 V。如果單片機連接的電源超過了芯片手冊給出的范圍，將導致芯片燒毀。如果電壓低于2 V，則單片機無法正常工作。本設計選用的供電電源為5 V直流電，可通過LM1117芯片將供電電壓轉換為單片機需要的工作電壓。

2.2 數據采集電路

2.2.1 土壤濕度傳感器模塊設計

土壤濕度傳感器主要用在檢測儀器前端，當試驗人員需要檢測料樣含水率時，將傳感器插入料樣即可。由于料場、料樣不盡相同，因此含水量相差較大，料樣所呈現的阻值亦不同。三極管根據不同的電阻值提供不同的電流，集電極到發射極的電流受基極控制，發射極的下拉電阻帶有電壓。當料樣中無探頭時，輸出電平為0，土壤濕度傳感器不工作。

2.2.2 GPS模塊設計

系統采用ATK-NEO-6M模塊傳輸數據。ATK-NEO-6M模塊與STM32單片機只需通過4條線路連接：VCC與單片機的電源相接，GND接地，TXD/RXD與單片機反接。

2.3 功能電路設計

2.3.1 顯示模塊設計

系統采用TJC4827K043_011RN的USART HMI智能串口屏實時顯示含水率和地理位置信息。施工人員可通過串口屏實時監控當前被測部位的路基含水率，方便用戶了解路基填料的信息。智能串行觸摸屏型號為TJC4827K043_011RNHMI，它集成了彩色TFT LCD顯示屏，配備了CPU處理器，具有可編程I/O端口、電阻式觸摸屏和其他輸入設備等。

2.3.2 報警電路設計

當檢測的料樣含水率超過人為設定的范圍時，檢測系統報警。報警使用的元器件為蜂鳴器，它是一種常見的聲響器件，使用廣泛。蜂鳴器一般采用三極管驅動，供電電壓范圍為3.3～5 V，當端口為高電平時蜂鳴器工作，發出響聲。三極管驅動功能和電路開關功能類似，當三極管接通時，蜂鳴器導通并發出聲響；當三極管的基極不導通時，蜂鳴器無反應。

3 系統軟件設計

設計系統主要包括主程序部分、含水率檢測部分、GPS采集模塊、顯示程序部分。系統選用土壤濕度傳感器對路基填料取樣處的料樣進行含水率檢測，選用型號為NEO-6M的定位傳感器采集料場的位置信息。所測料樣含水率和位置地理信息通過串口屏顯示，由觸摸屏設置含水率范圍，當所取料樣含水率過高時，蜂鳴器報警，同時串口屏幕顯示“含水率過高”字樣。

系統主程序設計的重點是實現含水率檢測器系統模塊間的聯系以及各函數間的調用。首先按動開關，啟動檢測器系統，同時進行初始化操作。當高精度土壤濕度傳感器檢測到所測料樣的濕度后，將模擬濕度信號傳輸至A/D轉換器轉換為單片機可以識別、處理的數字濕度信號，然后將該數字信號傳送至單片機進行再處理，并將處理后的信號轉換成可以在智能串口屏上顯示的文字。

系統可以按使用者的需求自由設定含水率的閾值。在將信息進行顯示之前，要將其與使用者設定的閾值進行比較，如果獲得的信號不在設定的區間范圍，系統會輸出低電平，蜂鳴器通電報警，同時HMI串口屏顯示預警信息。含水率檢測器系統的主流程如圖2所示。

圖2 含水率檢測器系統軟件流程

4 系統調試

4.1 硬件電路調試

系統設計完成之后，對數據采集電路進行調試。數據采集電路分為土壤濕度傳感器電路和GPS模塊電路。為避免電路短路導致元器件燒毀，上電前須使用萬用表檢查電路，如果萬用表長鳴，則排除電路短路的情況。

顯示報警電路作為含水率檢測器系統的功能電路，需要實現的功能如下：

（1）將數據采集電路收集到的含水率信息和地理信息顯示在人機交互模塊的智能串口屏上；

（2）當檢測的信號不在施工人員所設置的標準范圍內時，顯示預警信息。

本含水率檢測器系統的主要組成部分包括數據采集部分（土壤濕度檢測模塊、GPS模塊）和功能模塊（人機交互模塊、報警模塊）。

4.2 軟件調試

系統將料樣濕度模擬信號轉換為數字信號，并將其發送到串口的液晶顯示屏，同時，將測定的實際含水率與閾值數值進行對比。設計含水率程序閾值的目的是便于主程序確定設置的最佳含水率上限與下限，只有通過主程序的循環運行，才能實現檢測目的。當點擊“確定”之后，試驗人員將進行閾值設置，程序得到修改。在重新確定料樣含水率閾值后，檢測器將通過檢測得到的實際含水率與設定的閾值進行比對，高于或低于閾值時，報警電路發出響聲，屏幕閃爍顯示“高”或“低”。檢測器系統中的所有單獨模塊都要進行逐一調試，分別檢測其性能，最后進行整體測試。調試時，主程序在Keil編輯軟件中運行，編寫無誤后，生成鏡像Hex文件，并燒錄到單片機中。

對檢測系統各子系統和各模塊進行測試，對土壤濕度傳感器模塊、GPS模塊、報警模塊進行功能驗證，含水率檢測器系統可實現以下功能：

（1）系統可以實時檢測當前待測位置的含水率數據和地理位置，并顯示當前含水率數值為“過高！”“過低！”或者“正常”；

（2）檢測的含水率數值、地理位置和當前日期可以實時顯示在串口屏上；

（3）可觸控設置含水率數值的上限，超限時串口屏顯示“過高！”，蜂鳴器報警，提醒施工人員此處路基含水率不達標，無法進行下一步施工。

5 結 語

本檢測器的創新之處在于成功將電子技術與傳統工業相結合，提高了道路施工人員的工作效率和公路的質量，具有一定的實際使用價值。今后，還可以為該系統增加無線加速度傳感器，對路基進行壓實度檢測，使得系統功能得到進一步延展。