數(shù)顯樹(shù)木胸徑測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(tǒng)樹(shù)木胸徑測(cè)量主要采用胸徑圍尺和樹(shù)木胸徑卡尺來(lái)實(shí)現(xiàn)，這兩種工具都是人工讀數(shù)，存在人為誤差，耗時(shí)費(fèi)力，效率較低。為了克服傳統(tǒng)樹(shù)木胸徑卡尺所存在的不足，本文對(duì)傳統(tǒng)胸徑卡尺進(jìn)行再設(shè)計(jì)，利用傳感器技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成電路技術(shù)，在傳統(tǒng)胸徑卡尺結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加了容柵傳感器、單片機(jī)和LED顯示器等數(shù)顯構(gòu)件，并通過(guò)設(shè)計(jì)不同功能的電路使各構(gòu)件有機(jī)結(jié)合，分析各關(guān)鍵構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、工作原理及功能實(shí)現(xiàn)方式，最終實(shí)現(xiàn)樹(shù)木胸徑卡尺的數(shù)顯功能。

關(guān)鍵詞：胸徑測(cè)量?jī)x；容柵傳感器；單片機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：S758.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-O05X（2015）04-0098-03

在森林資源調(diào)查中，胸徑是一個(gè)重要的林分調(diào)查因子。它也是反映活立木質(zhì)量和生長(zhǎng)量的最基本因子之一。胸徑的快速、準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)林木資源調(diào)查以及合理經(jīng)營(yíng)具有重要意義。當(dāng)前用于測(cè)量胸徑的儀器主要包括：胸徑圍尺和樹(shù)木胸徑卡尺，這兩種儀器都是手工測(cè)量，不可避免存在人為誤差，且讀數(shù)耗時(shí)費(fèi)力。因此，需要研究新型的樹(shù)木胸徑測(cè)量?jī)x。

隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域的軟件和硬件都在不斷地發(fā)生更新?lián)Q代，測(cè)試儀器的功能也逐漸向智能化、便捷化和精細(xì)化方向發(fā)展。容柵傳感器和單片機(jī)的出現(xiàn)與發(fā)展，對(duì)這一趨勢(shì)的推動(dòng)，起到了重要作用。

近幾年，容柵傳感器和單片機(jī)陸續(xù)被應(yīng)用到測(cè)距系統(tǒng)、數(shù)顯卡尺終端、變形檢測(cè)系統(tǒng)、車(chē)載油耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和樹(shù)木根系檢測(cè)系統(tǒng)等領(lǐng)域，均取得了較好的效果。然而，在樹(shù)木胸徑檢測(cè)領(lǐng)域，仍以傳統(tǒng)測(cè)量為主，未引入這些智能化硬件設(shè)備，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀器的智能數(shù)顯功能。

本文將對(duì)傳統(tǒng)胸徑卡尺進(jìn)行改進(jìn)，利用傳感器技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成電路技術(shù)，實(shí)現(xiàn)樹(shù)木胸徑卡尺的數(shù)顯功能。數(shù)顯樹(shù)木胸徑測(cè)量?jī)x將有效的解決傳統(tǒng)的胸徑測(cè)量的弊端，使測(cè)量更為快捷，讀數(shù)更為便利，提高野外測(cè)量的效率。

1 樹(shù)木胸徑測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

樹(shù)木胸徑測(cè)量?jī)x由尺胚和數(shù)顯組件組成，如圖1所示。尺胚由動(dòng)尺、定尺和尺爪組成。通過(guò)尺爪與被測(cè)物體相接觸，來(lái)實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。

1.2 組件功能

數(shù)顯組件由位移傳感器、單片機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)；單片機(jī)則用來(lái)采集位移傳感器接收到的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)運(yùn)算及處理，將被測(cè)樹(shù)木的胸徑尺寸顯示出來(lái)。

2 傳感器選定及功能實(shí)現(xiàn)

2.1 傳感器選擇

可用于數(shù)顯樹(shù)木胸徑測(cè)量?jī)x實(shí)現(xiàn)樹(shù)木胸徑測(cè)量的傳感器種類(lèi)有：磁柵式、光柵、容柵及感應(yīng)同步器等多種類(lèi)型。與其它類(lèi)型大位移傳感器相比，容柵傳感器具有的優(yōu)點(diǎn)是：造價(jià)低、體積較?。尚酒瑑H1cm xlcm大小）、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗能少、安裝使用方便、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、分辨率高和動(dòng)態(tài)范圍寬等。它是利用相位跟蹤原理來(lái)實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量的傳感器。因此，本文設(shè)計(jì)的數(shù)顯樹(shù)木胸徑測(cè)量?jī)x選擇容柵位移傳感器作為測(cè)量傳感器。

2.2 容柵傳感器特點(diǎn)及工作原理

容柵傳感器是一類(lèi)變面積原理的電容傳感器，具有多對(duì)梳狀排列的電極。它的特點(diǎn)是：精度高、重復(fù)性好、對(duì)環(huán)境要求不苛刻、抗干擾能力強(qiáng)、能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化等。它即可用于小位移測(cè)量，又能實(shí)現(xiàn)大位移測(cè)量。

本文選擇直線形容柵傳感器，其工作原理為：由相對(duì)放置的2組條狀電極群組成，l組為動(dòng)?xùn)牛?組為定柵；通過(guò)靜電耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)二者之間位移的測(cè)量。

2.3 傳感器安裝位置

由于動(dòng)尺與定尺之間的距離隨所測(cè)活立木胸徑的不同而變化，想要將該距離測(cè)出，就需要將其轉(zhuǎn)化為容柵的動(dòng)?xùn)排c定柵之間的靜電耦合，因而可以將定柵固定在尺身上、動(dòng)?xùn)叛b在卡尺的動(dòng)尺上，動(dòng)?xùn)耪龑?duì)定柵安裝。

2.4 容柵傳感器的功能實(shí)現(xiàn)

動(dòng)?xùn)诺慕M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(shí)定柵與動(dòng)?xùn)哦搪?。傳送電極在傳感器中起反射電極作用，通過(guò)它能把與傳送電極相對(duì)應(yīng)的發(fā)射電極的激勵(lì)電壓耦合到吸收極中去。由于動(dòng)?xùn)排c定柵正對(duì)安裝，動(dòng)?xùn)派系陌l(fā)射和接收電極便與定柵的傳送電極分別構(gòu)成2組平板電容。隨著動(dòng)尺的移動(dòng)，定柵與動(dòng)?xùn)诺南鄬?duì)位置則會(huì)改變，進(jìn)而形成位移信號(hào)。

3 傳感器與單片機(jī)的連接

容柵傳感器輸出的電容信號(hào)經(jīng)過(guò)容柵集成芯片中的集成電路處理可轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號(hào)輸出。由于容柵傳感器所采用的專(zhuān)用集成電路，通過(guò)非標(biāo)準(zhǔn)同步串行數(shù)據(jù)口輸出測(cè)量結(jié)果，其供電電壓為+1.5V，而單片機(jī)所采用普通的TTL芯片的供電電壓為+5V，所以單片機(jī)不能直接處理從傳感器集成電路中輸出的數(shù)據(jù)，要使二者可以相互通訊，必須要有電平轉(zhuǎn)化電路，如圖2所示。在電平轉(zhuǎn)換之后，單片機(jī)即可接收信號(hào)。然后利用單片機(jī)的集成電路，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并向LED顯示器輸出測(cè)量結(jié)果。

4 單片機(jī)的選取及功能實(shí)現(xiàn)

4.1 單片機(jī)選擇

選取AT89C52單片機(jī)，它采用CHMOS工藝及高密度、非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造，與80C51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。AT89C52單片機(jī)包含的功能部件有：8位CPU 1個(gè)；8kB PEROM；片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路各1個(gè)；寄存器21個(gè)；16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器3個(gè)；8位并行I/O口4個(gè)；可編程串行口1個(gè)；可編程I/O端線32條；中斷源8個(gè)。

4.2 單片機(jī)功能實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)要準(zhǔn)確地采集容柵傳感器的信號(hào)，再進(jìn)行不同數(shù)制的轉(zhuǎn)換后顯示出來(lái)，這主要通過(guò)軟件設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到目的。軟件所包含主要模塊，如圖3所示。實(shí)際工作中，先對(duì)單片機(jī)編程，編寫(xiě)處理數(shù)據(jù)的程序，程序存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器之中，將從傳感器傳來(lái)的經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換的測(cè)量信號(hào)經(jīng)運(yùn)算器運(yùn)算處理，并將運(yùn)算結(jié)果輸出。

各模塊的主要內(nèi)容和功能如下：①主程序模塊。主要包括始化程序，用于設(shè)置設(shè)置定時(shí)和中斷方式。②數(shù)據(jù)接收模塊。容柵傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)是24位，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)為8位，因此必須依靠中斷方式分3次讀入串并行轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)接收時(shí)，這就要求接收程序要準(zhǔn)確定位數(shù)據(jù)流的分界，迅速跟蹤數(shù)據(jù)流。同時(shí)，需要計(jì)算1個(gè)數(shù)據(jù)串是否接收完畢，在接收完1個(gè)數(shù)據(jù)串后，即將它轉(zhuǎn)至緩沖區(qū)準(zhǔn)備進(jìn)行下一步處理。③數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊的功能包括：二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成BCD碼的整數(shù)與小數(shù)；識(shí)別正負(fù)號(hào)標(biāo)志。④顯示管理模塊。顯示管理程序首先對(duì)需要顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換，然后由LED數(shù)碼管完成靜態(tài)顯示。

5 顯示部分的設(shè)計(jì)

顯示部分采用共陰極的LED，驅(qū)動(dòng)電路為ICM7218B.顯示方式為動(dòng)態(tài)掃描刷新模式。ICM7218B內(nèi)部構(gòu)件包含：8位CMOS LED驅(qū)動(dòng)器；8x8位靜態(tài)RAM，用于存放顯示數(shù)據(jù)；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(fā)光二極管作為指示燈，在軟件中通過(guò)ICM7218B來(lái)控制發(fā)光二極管的發(fā)光和熄滅。

6 結(jié)束語(yǔ)

利用傳感器技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成電路技術(shù)設(shè)計(jì)的可用于樹(shù)木胸徑測(cè)量的數(shù)顯卡尺，具有便攜、體積小、讀數(shù)方便、手持式測(cè)量等特點(diǎn)，適合于野外快速測(cè)量活立木胸徑數(shù)據(jù)。綜合利用直線形容柵傳感器、AT89C52單片機(jī)和LED顯示器，合理設(shè)置部件連接方式和控制電路，能夠較好地實(shí)現(xiàn)樹(shù)木胸徑卡尺的數(shù)顯功能。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要注意以下幾點(diǎn)。

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

（2）由于容柵傳感器與單片機(jī)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(zhuǎn)化電路進(jìn)行過(guò)渡，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

（3）單片機(jī)是數(shù)顯樹(shù)木胸徑測(cè)量?jī)x的重要組成構(gòu)件之一。測(cè)試儀功能的實(shí)現(xiàn)，主要依靠單片機(jī)內(nèi)各個(gè)模塊的程序來(lái)完成，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要重視對(duì)單片機(jī)軟件功能的劃分與設(shè)計(jì)。