李 會(huì),石翠萍,夏 穎,劉歡歡
(齊齊哈爾大學(xué),黑龍江 齊齊哈爾 161006)
在新建公路中,路基的強(qiáng)度、板體性、水穩(wěn)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(duì)路基的侵蝕影響最為嚴(yán)重,路基處理時(shí)填料的含水量對(duì)壓實(shí)度影響較大。施工過程中,現(xiàn)場(chǎng)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(shí)進(jìn)行碾壓,路基強(qiáng)度才會(huì)高,壓實(shí)度才有保障。因此,施工人員需要針對(duì)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(zhǔn)確的數(shù)據(jù),加快施工速度,在保證路基質(zhì)量的同時(shí)降低建設(shè)成本[1-2]。
本設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換為單片機(jī)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(cè)定的路基填料含水率,通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)回傳到上位機(jī),并由屏幕顯示。含水率檢測(cè)系統(tǒng)包括含有位置記錄的料場(chǎng)中料樣的含水率信息,可根據(jù)料源的位置與料樣情況人為設(shè)置閾值,當(dāng)含水率超過或接近閾值時(shí),屏幕顯示該數(shù)據(jù),蜂鳴器報(bào)警[3-4]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)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(huán)境溫度為-45~85 ℃。單片機(jī)內(nèi)置閃存64 KB,靜態(tài)內(nèi)存8 KB,外設(shè)系統(tǒng)資源充足。STM32F103C8T6單片機(jī)有40個(gè)引腳,每個(gè)引腳都具備獨(dú)特的功能,為了較好地實(shí)現(xiàn)含水率檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等功能,需要與復(fù)位、顯示、按鍵、預(yù)警、傳感器等接口準(zhǔn)確連接[5-6]。
2.1.1 復(fù)位電路設(shè)計(jì)
通過電容、電阻元器件的搭配實(shí)現(xiàn)電路的復(fù)位功能。在超短時(shí)間內(nèi)電容充滿使得電阻變成無電壓狀態(tài),此時(shí)電路正常工作。操作人員使用檢測(cè)設(shè)備時(shí),人員按下復(fù)位鍵,電容放電,電阻出現(xiàn)高壓,系統(tǒng)完成復(fù)位。
2.1.2 晶振電路設(shè)計(jì)
晶振電路是單片機(jī)電路的組成部分。如果單片機(jī)無晶振電路,則系統(tǒng)將無法正常工作。晶振的頻率決定了定時(shí)器的各項(xiàng)參數(shù)。選用無源晶振搭配起振電路(起振電路主要由2個(gè)電容構(gòu)成)實(shí)現(xiàn)該部分功能。
2.1.3 電源電路設(shè)計(jì)
含水率檢測(cè)器系統(tǒng)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(jī)連接的電源超過了芯片手冊(cè)給出的范圍,將導(dǎo)致芯片燒毀。如果電壓低于2 V,則單片機(jī)無法正常工作。本設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換為單片機(jī)需要的工作電壓。
2.2.1 土壤濕度傳感器模塊設(shè)計(jì)
土壤濕度傳感器主要用在檢測(cè)儀器前端,當(dāng)試驗(yàn)人員需要檢測(cè)料樣含水率時(shí),將傳感器插入料樣即可。由于料場(chǎng)、料樣不盡相同,因此含水量相差較大,料樣所呈現(xiàn)的阻值亦不同。三極管根據(jù)不同的電阻值提供不同的電流,集電極到發(fā)射極的電流受基極控制,發(fā)射極的下拉電阻帶有電壓。當(dāng)料樣中無探頭時(shí),輸出電平為0,土壤濕度傳感器不工作。
2.2.2 GPS模塊設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用ATK-NEO-6M模塊傳輸數(shù)據(jù)。ATK-NEO-6M模塊與STM32單片機(jī)只需通過4條線路連接:VCC與單片機(jī)的電源相接,GND接地,TXD/RXD與單片機(jī)反接。
2.3.1 顯示模塊設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用TJC4827K043_011RN的USART HMI智能串口屏實(shí)時(shí)顯示含水率和地理位置信息。施工人員可通過串口屏實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前被測(cè)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(hào)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(shè)備等。
2.3.2 報(bào)警電路設(shè)計(jì)
當(dāng)檢測(cè)的料樣含水率超過人為設(shè)定的范圍時(shí),檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)警。報(bào)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(qū)動(dòng),供電電壓范圍為3.3~5 V,當(dāng)端口為高電平時(shí)蜂鳴器工作,發(fā)出響聲。三極管驅(qū)動(dòng)功能和電路開關(guān)功能類似,當(dāng)三極管接通時(shí),蜂鳴器導(dǎo)通并發(fā)出聲響;當(dāng)三極管的基極不導(dǎo)通時(shí),蜂鳴器無反應(yīng)。
設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括主程序部分、含水率檢測(cè)部分、GPS采集模塊、顯示程序部分。系統(tǒng)選用土壤濕度傳感器對(duì)路基填料取樣處的料樣進(jìn)行含水率檢測(cè),選用型號(hào)為NEO-6M的定位傳感器采集料場(chǎng)的位置信息。所測(cè)料樣含水率和位置地理信息通過串口屏顯示,由觸摸屏設(shè)置含水率范圍,當(dāng)所取料樣含水率過高時(shí),蜂鳴器報(bào)警,同時(shí)串口屏幕顯示“含水率過高”字樣。
系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)含水率檢測(cè)器系統(tǒng)模塊間的聯(lián)系以及各函數(shù)間的調(diào)用。首先按動(dòng)開關(guān),啟動(dòng)檢測(cè)器系統(tǒng),同時(shí)進(jìn)行初始化操作。當(dāng)高精度土壤濕度傳感器檢測(cè)到所測(cè)料樣的濕度后,將模擬濕度信號(hào)傳輸至A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以識(shí)別、處理的數(shù)字濕度信號(hào),然后將該數(shù)字信號(hào)傳送至單片機(jī)進(jìn)行再處理,并將處理后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以在智能串口屏上顯示的文字。
系統(tǒng)可以按使用者的需求自由設(shè)定含水率的閾值。在將信息進(jìn)行顯示之前,要將其與使用者設(shè)定的閾值進(jìn)行比較,如果獲得的信號(hào)不在設(shè)定的區(qū)間范圍,系統(tǒng)會(huì)輸出低電平,蜂鳴器通電報(bào)警,同時(shí)HMI串口屏顯示預(yù)警信息。含水率檢測(cè)器系統(tǒng)的主流程如圖2所示。
圖2 含水率檢測(cè)器系統(tǒng)軟件流程
系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后,對(duì)數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行調(diào)試。數(shù)據(jù)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(dǎo)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(bào)警電路作為含水率檢測(cè)器系統(tǒng)的功能電路,需要實(shí)現(xiàn)的功能如下:
(1)將數(shù)據(jù)采集電路收集到的含水率信息和地理信息顯示在人機(jī)交互模塊的智能串口屏上;
(2)當(dāng)檢測(cè)的信號(hào)不在施工人員所設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)時(shí),顯示預(yù)警信息。
本含水率檢測(cè)器系統(tǒng)的主要組成部分包括數(shù)據(jù)采集部分(土壤濕度檢測(cè)模塊、GPS模塊)和功能模塊(人機(jī)交互模塊、報(bào)警模塊)。
系統(tǒng)將料樣濕度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),并將其發(fā)送到串口的液晶顯示屏,同時(shí),將測(cè)定的實(shí)際含水率與閾值數(shù)值進(jìn)行對(duì)比。設(shè)計(jì)含水率程序閾值的目的是便于主程序確定設(shè)置的最佳含水率上限與下限,只有通過主程序的循環(huán)運(yùn)行,才能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的。當(dāng)點(diǎn)擊“確定”之后,試驗(yàn)人員將進(jìn)行閾值設(shè)置,程序得到修改。在重新確定料樣含水率閾值后,檢測(cè)器將通過檢測(cè)得到的實(shí)際含水率與設(shè)定的閾值進(jìn)行比對(duì),高于或低于閾值時(shí),報(bào)警電路發(fā)出響聲,屏幕閃爍顯示“高”或“低”。檢測(cè)器系統(tǒng)中的所有單獨(dú)模塊都要進(jìn)行逐一調(diào)試,分別檢測(cè)其性能,最后進(jìn)行整體測(cè)試。調(diào)試時(shí),主程序在Keil編輯軟件中運(yùn)行,編寫無誤后,生成鏡像Hex文件,并燒錄到單片機(jī)中。
對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)各子系統(tǒng)和各模塊進(jìn)行測(cè)試,對(duì)土壤濕度傳感器模塊、GPS模塊、報(bào)警模塊進(jìn)行功能驗(yàn)證,含水率檢測(cè)器系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能:
(1)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前待測(cè)位置的含水率數(shù)據(jù)和地理位置,并顯示當(dāng)前含水率數(shù)值為“過高!”“過低!”或者“正常”;
(2)檢測(cè)的含水率數(shù)值、地理位置和當(dāng)前日期可以實(shí)時(shí)顯示在串口屏上;
(3)可觸控設(shè)置含水率數(shù)值的上限,超限時(shí)串口屏顯示“過高!”,蜂鳴器報(bào)警,提醒施工人員此處路基含水率不達(dá)標(biāo),無法進(jìn)行下一步施工。
本檢測(cè)器的創(chuàng)新之處在于成功將電子技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)相結(jié)合,提高了道路施工人員的工作效率和公路的質(zhì)量,具有一定的實(shí)際使用價(jià)值。今后,還可以為該系統(tǒng)增加無線加速度傳感器,對(duì)路基進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè),使得系統(tǒng)功能得到進(jìn)一步延展。