基于STM32的路基壓實度測量裝置設計與實現(xiàn)

萬建均，肖衛(wèi)初，賀建權，劉志明，楊同松

基于STM32的路基壓實度測量裝置設計與實現(xiàn)

萬建均，肖衛(wèi)初，賀建權，劉志明，楊同松

(湖南城市學院信息科學與工程學院，湖南益陽413000)

針對傳統(tǒng)路基壓實度測量設備存在操作復雜、破壞性檢測和測量時間長的缺點，研制了一種由STM32單片機控制的操作簡單、對路基無損傷且快速測量壓實度的測量裝置.該裝置通過圖形操作界面觸摸選擇不同的路基，單片機控制電機帶動落錘提升到固定位置作自由落體運動，落錘產(chǎn)生固定沖擊力將導桿打入地下，同時超聲波模塊采用時差法測量導桿下降的位移量，經(jīng)單片機將位移量轉換為壓實度并傳輸給LCD顯示.測試結果表明，該裝置實現(xiàn)了對不同路基壓實度的測量，平均誤差為0.54.

STM32;ucGUI;超聲波;帶觸摸LCD

隨著近幾年我國經(jīng)濟的騰飛，基礎設施建設的快速發(fā)展，公路的通車里程快速增加，為確保工程質量，減少工程隱患，為人民的人身安全和財產(chǎn)安全提供保障，同時加快工程進度，給工程施工及監(jiān)理等提出了更高的要求.而壓實度作為路基路面施工質量檢測的關鍵指標之一，傳統(tǒng)檢測方法采用灌砂法，該方法原理簡單，但存在勞動強度大、操作不好掌握、容易引起較大誤差且對路基破壞性大，因此，有必要尋找一種準確、簡便、快速、無損地檢測路基壓實度的方法.

近年來，隨著公路建設的快速發(fā)展，公路質量問題日益凸顯，國內外對路基壓實度測量的研究十分重視.文獻[1]提出了一種基于激光圖像測量土的壓實度，該方法采用激光照射土體，激光與土的內部組織顆粒發(fā)生相互作用，且被土組織顆粒多次散射和吸收，收集散射出來的激光形成激光圖像，分析并提取相關特征來評定壓實度.該方法操作難度大，實施困難，測量結果不穩(wěn)定.為了使操作更加簡單，文獻[2]提出了一種利用瞬態(tài)沖擊法來檢測路基壓實度，該方法將一定質量的重錘從選定高度自由落下，土體受到瞬態(tài)沖擊作用產(chǎn)生振動，然后，在與沖擊點一定距離的土體中測取振動加速度信號，通過對該信號的處理與分析，確定路基壓實度與信號的特征參數(shù)之間的函數(shù)關系，從而得出路基的壓實度，該方法操作簡單，但是，選取與沖擊點不同距離的振動加速度信號測取點，會極大的影響測量結果的準確性.為提高測量的準確性，文獻[3]提出了一種瞬態(tài)瑞雷面波法檢測路基壓實度，其原理是通過在介質表面施加一個瞬態(tài)激振力，收集路基瞬態(tài)瑞雷面波的頻散曲線，再根據(jù)瑞雷波速不隨頻率的變化而改變的特性，以及在水平分層介質中瑞雷波相速度與各層介質的物理力學參數(shù)的相關性反求各層的參數(shù)，得出路基壓實度.該方法具備省時、效率高、測量準確等優(yōu)點，但易受直達波、折射波和反射波的干擾，且對這些干擾波的處理方法不完善.

綜上所述，對路基壓實度測量裝置的研究重點是操作簡單、快速檢測和測量準確.針對這些問題，受文獻[4]的啟發(fā)，研制了一種基于STM32的路基壓實度測量裝置，該裝置通過移植ucGUI在LCD上設計一個圖形操作界面，通過觸摸方式在該界面上選擇不同的路基，單片機控制電機帶動落錘提升到固定位置作自由落體運動，落錘產(chǎn)生固定沖擊力將導桿打入地下，同時超聲波模塊采用時差法測量導桿下降的位移量，測量的精度能夠達到毫米級，并通過I2C總線將位移量傳輸給單片機，單片機將位移量經(jīng)位移壓實度轉換處理后傳輸給LCD顯示壓實度.測試結果表明，該裝置操作簡單，只需根據(jù)測量的土質在圖形界面上選擇路基種類；過程實現(xiàn)自動化，減少勞動量，大量縮短測量時間；實現(xiàn)不同路基的壓實度的測量，平均誤差為0.54.

1 系統(tǒng)總體設計

路基壓實度裝置總體設計方框如圖1所示，該裝置由控制部分、測量部分、顯示部分和機械部分組成.控制部分是單片機根據(jù)測量指令和碰撞檢測模塊的反饋信息，來控制電機帶動落錘的起降；測量部分由超聲波發(fā)射器、超聲波接收器兩部分構成，通過時差法測量導桿下降的位移量，并通過I2C總線與單片機進行數(shù)據(jù)傳遞；顯示部分是通過移植ucGUI在LCD上設計一個圖形菜單界面，界面上可通過觸摸選擇不同的路基，同時可顯示超聲波測量的位移量和該路基的壓實度；機械部分由落錘、導桿、三腳架、擋板組成.該系統(tǒng)工作流程：在LCD的圖形菜單界面上選擇路基，單片機控制步進電機帶動落錘上升，當落錘觸碰到碰撞檢測裝置后，碰撞檢測裝置反饋數(shù)據(jù)給單片機，單片機接收到反饋數(shù)據(jù)控制步進電機釋放落錘，落錘通過自由落體運動將導桿打入地下，此時超聲波對打入地下的位移量進行實時測量并將測量數(shù)據(jù)傳輸給單片機，經(jīng)單片機數(shù)據(jù)處理后轉換成壓實度，并將位移量和壓實度傳輸?shù)絃CD上顯示.

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1控制電路

該系統(tǒng)控制如圖2所示.單片機通過內置FSMC接口控制帶觸摸LCD、通過I2C總線與超聲波模塊進行數(shù)據(jù)傳遞、通過電機驅動模塊和碰撞檢測模塊對步進電機進行自動控制[5].PB6、PB7為I2C總線的SCL、SDA接口，實現(xiàn)超聲波模塊與單片機數(shù)據(jù)傳遞；PB14連接碰撞檢測模塊的信號輸出端口；PA4連接驅動模塊的CW端口控制電機的轉動方向，PA5連接驅動模塊的EN端口控制電機的使能，PA7連接驅動模塊的CLK端口即時鐘信號；采用FSMC控制帶觸摸LCD，其中FSMC_A[16:23]為地址線，F(xiàn)SMC_D[0:15]為雙向數(shù)據(jù)線，F(xiàn)SMC_NCE2為片選，F(xiàn)SMC_CLK為時鐘信號線，F(xiàn)SMC_NOE為輸出使能，F(xiàn)SMC_WE為寫使能，F(xiàn)SMC_NWAIT為NOR閃存要求FSMC等待的信號.

圖2 控制電路

2.2帶觸摸的LCD電路

帶觸摸的LCD電路包括LCD顯示電路和觸摸屏電路，電路圖如圖3所示.LCD的分辨率為(240 320)，使用ILI9341芯片驅動LCD，芯片的GRAM(Graphics RAM)中每個存儲單元都對應著液晶面板的一個像素點，與芯片內部的其他模塊共同作用把GRAM存儲單元的數(shù)據(jù)轉化成液晶面板的控制信號，使像素點呈現(xiàn)特定顏色，而像素點組合起來則成為一幅完整的圖像；通過TSC2046芯片控制觸摸屏，單片機通過SPI（串行外設接口）向它寫入控制字，由它檢測X、Y方向的觸點電壓并返回給單片機，單片機讀取該電壓并進行軟件轉換，即得X、Y方向的坐標[6]. ILI9341的通訊接口時序是8080時序，雖然STM32可以采用普通的I/O來模擬8080通訊接口時序，但這樣效率低下，極大的影響LCD的刷屏效果.為了提高顯示效率，該系統(tǒng)通過STM32內置的FSMC接口，采用NORPSRAM工作模式控制LCD，提高傳輸效率.

圖3 帶觸摸的LCD電路

2.3測量電路

測量電路包括超聲波發(fā)射電路與接收電路，電路如圖4所示.通過超聲波模塊采用時差法進行位移量的測量，其原理是超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測物，經(jīng)反射后被超聲波接收器接收，從而測量出超聲波脈沖從發(fā)射到接收在空氣中傳播的時間，在已知超聲波在空氣中傳播速度的情況下，可由公式(1)計算.

式中，L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中傳播速度；T為測量距離傳播的時間差.根據(jù)式(2.1)可知，測距的誤差是由超聲波傳播速度的誤差和超聲波傳播時間的誤差引起.

(1)時間誤差

當要求測距誤差小于1 mm時，假設已知超聲波速度C=344m/s(20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差，測距誤差(0.001/344)?0.000002907s 即2.907us.在超聲波的傳播速度準確的情況下，只要傳播時間差值精度只要達到微秒級，就能保證測量距離小于1mm的誤差.單片機機器周期通過公式(2)計算.

式中為時鐘頻率，STM32采用8MHz晶振頻率，最高可倍頻到72MHz，因此可計算出機器周期Tcy≈0.167us ，處于微秒級，因此采用STM32定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內.

(2)超聲波傳播速度誤差

超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高傳播速度越快，而空氣的密度又與溫度有密切的聯(lián)系.

式中，T:攝氏溫度；V：在該溫度時的音速.該系統(tǒng)采用DS18b20溫度傳感器采集溫度，對超聲波進行溫度補償.

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1系統(tǒng)主程序設計

當系統(tǒng)上電時，先對系統(tǒng)進行初始化處理，系統(tǒng)初始化包括觸摸屏初始化、GUI初始化、串口初始化[7].觸摸屏的初始化即模擬SPI初始化，首先開啟APB2下GPIOE、GPIOD的時鐘使能，配置PE0和PD13端口為通用推挽輸出、帶寬為10MHz，PE3端口為上拉輸入、帶寬為10MHz；

圖4 超聲波電路

GUI的頁面初始化，設置背景顏色為白色、清屏、設置編碼格式為UTF8、設置文本顯示的位置及內容、設置字體顏色為紅色、設置字體大小為華文行楷33；串口初始化，開啟APB2下USART1和GPIOA的時鐘使能，配置PA9為復用推挽輸出，帶寬為50MHz，PA10為浮空輸入，USART1配置波特率為115200、字長為8位、一個停止位、無奇偶校驗位、無硬件數(shù)據(jù)流控制、收發(fā)模式、使能串口，系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示.

3.2ucGUI的移植

ucGUI是一種嵌入式圖形軟件，可以制作操作界面、圖像等等，用于在顯示設備上顯示[8].要在嵌入式設備中應用就必須要進行移植.在MDK472a編譯環(huán)境下，進行ucGUI3.90源代碼的移植，其步驟如下：

第一步：寫好液晶顯示屏的底層驅動，既在裸機下，可以正常顯示.

第二步：加入ucGUI程序包.

第三步：配置接口函數(shù)，即配置LCDConf.h、GUIConf.h、GUITouchConf.h文件.

第四步：修改LCD_Driver，使GUI能夠找到LCD驅動.

3.3超聲波數(shù)據(jù)的處理

超聲波測量的是導桿下降的位移量，通過公式(3)可轉化為貫入率[9].

當路基的土質為高液限粉土，即程序中的數(shù)據(jù)處理2可通過公式(5)進行計算[10].

當路基的土質為砂礫土，即程序中的數(shù)據(jù)處理3可通過公式(6)進行計算.

公式(4)、(5)和(6)中K為壓實度；W為路基土質含水量；DN為貫入率.

4 結果與分析

本實驗選擇粘土、高液限粉土和砂礫土三種土質做為實驗對象進行壓實度測量，采用卷尺對超聲波測量精度進行測量.

4.1壓實度的測試

進入圖形菜單界面，分別選擇粘土、高液限粉土和砂礫土選項，系統(tǒng)分別按照數(shù)據(jù)處理1、數(shù)據(jù)處理2和數(shù)據(jù)處理3進行處理，貫入深度按上路床厚度分別取30 cm、23 cm和30 cm，粘土的測試數(shù)據(jù)如表1所示，高液限粉土的測試數(shù)據(jù)如表2所示，砂礫土的測試數(shù)據(jù)如表3所示.表中，實際壓實度通過灌砂法測量得出、含水率通過酒精燃燒法測量得出，灌入率和測量壓實度通過該路基壓實度測量裝置獲得.由表1可知，粘土的測量壓實度與實際壓實度的平均誤差為0.47；由表2可知，高液限粉土的測量壓實度與實際壓實度的平均誤差為0.45；由表3可知，砂礫土的測量壓實度與實際壓實度的平均誤差為0.7.

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

表1 粘土測測試

表2 高液限粉土測試

表3 砂礫土的測試

4.2超聲波精度測試

通過調節(jié)導桿，改變超聲波模塊與擋板間的距離，并分別通過卷尺和超聲波模塊進行測量，測試數(shù)據(jù)如表4所示.由表4可知，測量精度平均誤差為2.0mm.

表4 測量精度測試

5 結論

與傳統(tǒng)的路基壓實度測量裝置比較，該路基壓實度測量裝置操作簡單、測試時間短、測量結果準確，無需進行繁瑣的操作和計算，只需根據(jù)測量的土質在圖形菜單界面上觸摸選擇相應的路基，單片機控制電機帶動落錘提升到固定位置作自由落體運動，落錘產(chǎn)生固定沖擊力將導桿打入地下，同時超聲波模塊采用時差法測量導桿下降的位移量，經(jīng)單片機對位移量進行壓實度轉換處理并傳輸給LCD顯示相應土質的壓實度，測量壓實度的平均誤差在0.54，測量精度的平均誤差2.0mm.該裝置下一步的研究方向是進一步提高測量精度、增強機械抗振能力和添加更多的土質.

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(責任編校：庫文珍)

Design and Realization of the Sub-grade Compaction Measuring Equipment Based on STM32

WAN Jian-jun,XIAO Wei-chu,HE Jian-quan,LIU Zhi-ming,YANG Tong-song
(College of Communication and Electronic Engineering,Hunan City University,Yiyang，Hunan,413002,China)

For the problems of complex operation,the destructive testing and long-time measurement existing in the traditional sub-grade compaction measuring equipment,the equipment of measuring degree of compaction quickly with a simple operation and no damage to the roadbed was developed.It selected different roadbeds by touching a graphical user interface.The motor controlled by MCU drove the drop hammer and the drop hammer was raised to a fixed position,then it freefell.the drop hammer produced the fixed impact which made the guide rod into the ground.At the same time,the Ultrasonic module measured the dropped displacement of the guide rod by using the time difference method.MCU converted the displacement into degree of compaction and transmit it to LED for display.The test results showed that this equipment implemented the measurement of degree of compaction for different roadbeds with the average error of 0.54.

STM32;ucGUI;ultrasonic wave;degree of compaction compacting intensity

TN911.73-34；TP368.1

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2015.01.015

1672–7304(2015)01–0059–06

2015-02-19

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(教高司函[2013]102號，項目編號：201311527005)

萬建均(1993-)，男，湖南衡陽，2011級電子科學與技術專業(yè)學生，主要從事智能電子系統(tǒng)設計方面的研究．