基于LabVIEW的道路硬度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐晶晶，楊世鳳，何 靜，郭 淳

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

基于LabVIEW的道路硬度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐晶晶，楊世鳳，何 靜，郭 淳

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

針對(duì)混凝土試塊構(gòu)件的強(qiáng)度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的道路硬度檢測(cè)系統(tǒng)．系統(tǒng)主要由壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)及計(jì)算機(jī)組成．實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理功能，且測(cè)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(jī)；LabVIEW；參數(shù)采集

道路硬度作為道路檢測(cè)系統(tǒng)的重要性能參數(shù)，成為道路檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]．工程設(shè)計(jì)行業(yè)認(rèn)為，硬度是變形應(yīng)力的度量，同時(shí)強(qiáng)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(qiáng)度的檢測(cè)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(wú)破損，適用于勻質(zhì)性檢測(cè)，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(qiáng)度；鉆芯法的精度較高，但代表性差[3]；而超聲回彈綜合法實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度高，且對(duì)道路硬度檢測(cè)不具有模擬性．本文按照國(guó)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(shí)驗(yàn)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(guò)程．

目前的道路檢測(cè)設(shè)備功能單一，系統(tǒng)造價(jià)昂貴，實(shí)時(shí)性與可靠性較差，并且對(duì)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(jī)技術(shù)與傳感技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了道路硬度檢測(cè)過(guò)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(shí)，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(shí)驗(yàn)中采集試件要嚴(yán)格按照道路施工標(biāo)準(zhǔn)[4]，本實(shí)驗(yàn)從總體樣本中抽取部分樣本試件(150 mm× 150 mm× 150 mm )進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)定．在溫度為(20±2),℃，相對(duì)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(hù)試件，成型后將試件編號(hào)，在1、2、3、7、28,d不同的齡期內(nèi)，對(duì)試件進(jìn)行強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)．

測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示．動(dòng)力機(jī)構(gòu)通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而帶動(dòng)檢測(cè)裝置運(yùn)動(dòng)，采用傳感器等速加壓測(cè)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(duì)待測(cè)試件的作用力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)16位AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)C語(yǔ)言編程控制ATmega16單片機(jī)對(duì)所得信號(hào)進(jìn)行分析處理，通過(guò)液晶模塊進(jìn)行顯示，進(jìn)而通過(guò)鍵盤輸入完成對(duì)不同要求的功能控制．

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

上位機(jī)通過(guò)RS–232串口與ATmega16單片機(jī)系統(tǒng)連接，采集的壓力數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)．上位機(jī)采用LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)開(kāi)發(fā)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫、顯示和曲線分析，從而求出被測(cè)道路硬度曲線和峰值．借助虛擬儀器軟件框架(VISA)驅(qū)動(dòng)向?qū)В瑢?shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的交互和管理，可以保存多次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)的分析和處理．

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)組成框圖如圖2所示．通過(guò)加壓裝置和拉壓式傳感器進(jìn)行壓力、時(shí)間、位移等參數(shù)的測(cè)量．系統(tǒng)硬件主要包括單片機(jī)、信號(hào)調(diào)理、鍵盤、液晶顯示、通信、存儲(chǔ)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(dòng)裝置可采用自動(dòng)與手動(dòng)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(jì)，靈敏度和分辨率高，承載能力和測(cè)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(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)值送入單片機(jī)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(guò)液晶進(jìn)行顯示，通過(guò)2I C總線傳輸?shù)酱鎯?chǔ)芯片，通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)，進(jìn)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(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括：下位機(jī)單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及上位機(jī)基于虛擬儀器平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)．

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)采用C語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程[5]，實(shí)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(chǔ)等．開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇ICCAVR編程平臺(tái)．單片機(jī)主程序流程見(jiàn)圖5．

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

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用LabVIEW8.6虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，用戶只需設(shè)計(jì)有關(guān)的應(yīng)用軟件就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的測(cè)試分析功能，方便地組建和設(shè)計(jì)自己專用的虛擬儀器．在本系統(tǒng)中，上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，主要負(fù)責(zé)接收單片機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)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(jī)通過(guò)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(kāi)發(fā)的用來(lái)與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級(jí)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(tái)、總線和環(huán)境的限制，可用來(lái)對(duì)USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)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(gè)統(tǒng)一形式的I/O控制函數(shù)集，在應(yīng)用形式上簡(jiǎn)單方便，又提供了非常強(qiáng)大的儀器控制與資源管理功能．

3.2.2 人機(jī)交互

人機(jī)交互主要包括：系統(tǒng)設(shè)置模塊，起到和下位機(jī)進(jìn)行串口通信和握手的作用，并對(duì)串口通信進(jìn)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(guò)對(duì)話框及壓力表顯示；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，存儲(chǔ)讀取數(shù)據(jù)及管理歷史數(shù)據(jù)，生成文件報(bào)表等．

人機(jī)交互主要通過(guò)圖6所示檢測(cè)監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)．一方面，操作人員通過(guò)界面對(duì)串口通信進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括流通量控制、延時(shí)、波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)、停止位的設(shè)置等，向計(jì)算機(jī)發(fā)出命令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；另一方面，計(jì)算機(jī)通過(guò)串口上傳采集到的數(shù)據(jù)，并在窗口中進(jìn)行顯示．

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

3.2.3 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)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(kāi)關(guān)的指示，如果采集開(kāi)關(guān)關(guān)閉，則對(duì)上一次緩存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；如果采集開(kāi)關(guān)打開(kāi)則接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行讀取，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)．

4 實(shí) 驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)公路工程水泥及水泥混凝土實(shí)驗(yàn)的規(guī)定，要對(duì)同一溫度、濕度條件下，各個(gè)不同齡期的試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)得混凝土立方體試件的抗壓強(qiáng)度，以及更換接觸面板后測(cè)得混凝土試件抗彎拉強(qiáng)度兩種不同類型的強(qiáng)度值，通過(guò)回歸分析二者之間的關(guān)系，從不同角度綜合評(píng)定混凝土的強(qiáng)度值．

從試件接近破壞而開(kāi)始迅速變形時(shí)，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(qiáng)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(gè)加載點(diǎn))，當(dāng)斷面發(fā)生在兩個(gè)加載點(diǎn)之間時(shí)有

式中：fP為抗彎拉強(qiáng)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(yùn)行后，傳感器通過(guò)調(diào)理電路采集到的信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機(jī)，再通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)．取同一齡期的多個(gè)試件的算術(shù)平均值為測(cè)定值，結(jié)果精確到0.01 MPa．通過(guò)虛擬儀器監(jiān)控界面獲取數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示．

在混凝土強(qiáng)度的對(duì)比檢測(cè)試驗(yàn)中，為了將混凝土試件的抗壓強(qiáng)度換算為抗彎拉強(qiáng)度，則需要找出兩種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變量之間是否相關(guān)，即進(jìn)行回歸分析[7]．采用最小二乘法準(zhǔn)則，使因變量觀測(cè)值與其曲線上的對(duì)應(yīng)值的離差之平方和最小，從而得到對(duì)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(qiáng)度與抗彎拉強(qiáng)度的回歸分析曲線如圖7所示．

圖7 抗壓強(qiáng)度與抗彎拉強(qiáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)道路質(zhì)量的兩個(gè)重要參數(shù)抗彎拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度進(jìn)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(jìn)行回歸計(jì)算，曲線擬合的效果最好．經(jīng)過(guò)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(guò)回歸計(jì)算，可得到混凝土道路系統(tǒng)的不同強(qiáng)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(píng)價(jià)依據(jù)．

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)利用以LabVIEW為圖形化編程語(yǔ)言的虛擬儀器技術(shù)及單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)道路硬度檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、操作軟件控制、串口通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示、特征值分析、數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)等功能，現(xiàn)已投入實(shí)際使用，運(yùn)行情況穩(wěn)定．

該設(shè)計(jì)有效縮短了開(kāi)發(fā)周期、提高了檢測(cè)的效率，在功能完備、測(cè)量準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上降低功耗、節(jié)約成本，成為對(duì)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(diǎn)[J]. 山西建筑，2007(34)：293–294.

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

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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.