摘要：設(shè)計(jì)了一種基于AVR和振弦式滲壓計(jì)的大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，簡要介紹了振弦式滲壓計(jì)的原理、數(shù)學(xué)模型以及ATmega128單片機(jī)的特性，運(yùn)用單片機(jī)的輸入捕捉和ADC功能并結(jié)合軟件設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的激振和測(cè)頻方法進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)提出了一種簡單易行的防雷擊電路。本洲頻系統(tǒng)具有硬件電路簡單、信號(hào)靈敏度高等特點(diǎn)，提高了測(cè)量計(jì)算準(zhǔn)確度，對(duì)大壩安全性監(jiān)測(cè)提供了幫助。
關(guān)鍵詞：振弦式滲壓計(jì)；ATmega128；防雷擊電路；輸入捕捉；ADC
滲流監(jiān)測(cè)是大壩安全監(jiān)測(cè)中的重要項(xiàng)目之一，為了全面地分析大壩在運(yùn)行期間的安全性，必須進(jìn)行滲流量的觀測(cè)，同時(shí)還應(yīng)觀測(cè)滲水的溫度。由于振弦式滲壓計(jì)具有分辨率高、不受降雨干擾、無淤堵等優(yōu)點(diǎn)，所以近年來在大壩滲壓監(jiān)測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。文中提出了以AVR單片機(jī)為核心的簡單有效的大壩滲壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)其中部分模塊進(jìn)行了改進(jìn)。
1 振弦式滲壓計(jì)
1．1 振弦式滲壓計(jì)結(jié)構(gòu)與原理
本文采用的是VWP型振弦式滲壓計(jì)，它由透水板、感應(yīng)膜、密封殼體、振弦及激振電磁圈等組成。儀器中有一個(gè)靈敏的不銹鋼膜片，在它上面連接振弦，如圖1所示。當(dāng)被測(cè)水壓作用膜片上時(shí)，將引起彈性膜板的變形，其變形帶動(dòng)振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化，從而改變振弦的振動(dòng)頻率。使用時(shí)，通過對(duì)電磁線圈加載適當(dāng)?shù)碾娏鲗?shí)現(xiàn)激振過程，激振完成后，切斷對(duì)線圈的供電，同時(shí)將線圈接入測(cè)量電路中，通過拾取線圈中的感生電動(dòng)勢(shì)來獲得振弦的固有頻率，頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)設(shè)備，即可測(cè)出水荷載的壓力值，同時(shí)可測(cè)出埋設(shè)點(diǎn)的溫度值。
1．2 振弦式滲壓計(jì)的數(shù)學(xué)模型
對(duì)于圖1所示的振弦式滲壓計(jì)，當(dāng)振弦受張力T作用時(shí)，其等效剛度發(fā)生變化，振弦的諧振頻率f為：
式中，p-振弦的線密度(tex，ltex=g／km)；l-振弦的有效振動(dòng)長度(m)。
本文采用的是單根振弦的滲壓計(jì)，根據(jù)其輸出特性，計(jì)算公式如下：
式中，Pm為滲透壓力；k為滲壓計(jì)的測(cè)量靈敏度；fo為基準(zhǔn)頻率值；f實(shí)測(cè)頻率值；b為溫度修正系數(shù)；T為實(shí)時(shí)測(cè)量的溫度值；T0為溫度的基準(zhǔn)值；Q為大氣壓修正系數(shù)，對(duì)于密封腔與大氣壓溝通的儀器，Q恒為0。
假設(shè)不考慮大氣壓力影響，當(dāng)外界溫度恒定時(shí)，滲透壓力與頻率平方差成正比；當(dāng)滲壓增量恒定時(shí)，滲透壓力與頻率平方差成正比，這個(gè)輸出量僅僅是由溫度變化而造成的，與溫度增量成線性關(guān)系，即
，于是溫度修正系數(shù)
，如果不考慮溫度增量的影響，這個(gè)輸出的變化就是溫度變化引起的系統(tǒng)誤差。本系統(tǒng)中采用的滲壓計(jì)k=0．1105，b=0．3042。
2 ATmega128微處理器
ATmega128作為數(shù)據(jù)端的控制核心，是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS／MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。該芯片采用5 V供電，其最高工作頻率可達(dá)16 MHz；4 K字節(jié)的SRAM、4 K字節(jié)的EZPROM(其壽命可達(dá)100 000次寫／擦除周期)；4個(gè)靈活的具有比較模式和PWM功能的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器(T／C)。支持外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展，為編寫和運(yùn)行程序提供了強(qiáng)力的保證。
特別的，T／C的輸入捕捉單元可用來捕獲外部事件，并為其賦予時(shí)間標(biāo)記，以說明此時(shí)間的發(fā)生時(shí)刻。外部事件發(fā)生的觸發(fā)信號(hào)由引腳ICPn輸入，也可以通過模擬比較器單元來實(shí)現(xiàn)。本文采用通過模擬比較器單元觸發(fā)方式，可以將放大濾波后的模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并被單片機(jī)檢測(cè)。模擬比較器的框圖如圖2所示。
其中，ACIC置位后允許通過模擬比較器來觸發(fā)T／C1的輸入捕捉功能。此時(shí)比較器的輸出被直接連接到輸入捕捉的前端邏輯，從而使得比較器可以利用T／C1輸入捕捉中斷邏輯的噪聲抑制器及觸發(fā)沿選擇功能。ACIC為“0”時(shí)模擬比較器及輸入捕捉功能之間沒有任何聯(lián)系。為了使比較器可以觸發(fā)T／C1的輸入捕捉中斷，定時(shí)器中斷屏蔽寄存器TIMSK的TICIE1必須置位。
ATmega128有一個(gè)10位的逐次逼近型ADC。ADC包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。ADC通過逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)10位的數(shù)字量。最小值代表GND，最大值代表AREF引腳上的電壓再減去1LSB。通過寫ADMUX寄存器的REFn位可以把AVCC或內(nèi)部2．56 V的參考電壓連接到AREF腳。在AREF上外加電容可以對(duì)片內(nèi)參考電壓進(jìn)行解耦，以提高噪聲抑制性能。如果使用單端通道，則繞過增益放大器。因此電路在設(shè)計(jì)時(shí)，將激振輸出的信號(hào)進(jìn)行放大并濾除直流信號(hào)，進(jìn)而進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束后(ADIF為高)，轉(zhuǎn)換結(jié)果被存入ADC結(jié)果寄存器(ADCL、ADCH)。單次轉(zhuǎn)換的結(jié)果如下：
式中，VIN為被選中引腳的輸入電壓(PF0)，VREF為參考電壓。0x000代表模擬地電平，0x3FF代表所選參考電壓的數(shù)值減去1LSB。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
根據(jù)上述基本原理，設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體框圖如圖3所示。主要由防雷擊電路、激振電路、檢測(cè)電路、單片機(jī)控制電路等幾部分組成。工作過程是由單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)完成對(duì)滲壓計(jì)的激振，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)放大濾波電路送給單片機(jī)，運(yùn)用其模擬比較器進(jìn)行數(shù)據(jù)捕捉處理，在人工采集數(shù)據(jù)時(shí)直接送顯示電路顯示。但在遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)，可通過Zigbee通信模塊進(jìn)行無線傳輸，從而完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集處理。
3．1 防雷擊電路
雷擊是影響大壩安全檢測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要因素之一，因此必須提高檢測(cè)系統(tǒng)的防雷性能。本文將介紹一個(gè)簡便易行有效的防雷擊電路，如圖4所示。
防雷擊電路由玻璃放電管(防雷管)、雙向瞬變二極管和熱敏電阻組成。當(dāng)強(qiáng)電流(高于玻璃放電管的放電電壓)來時(shí)，放電管兩端會(huì)產(chǎn)生弧光放電，氣體電離放電后，兩端電壓以10-9秒量級(jí)的速度迅速降低，從而保護(hù)電路。在有可能出現(xiàn)續(xù)流的地方，為防止玻璃放電管擊穿后長時(shí)間導(dǎo)通而損壞，電路中串聯(lián)熱敏電阻。雙向TVS(導(dǎo)通電壓定位6 V>5 V)，在這里起到備用通路的作用。它可在正反兩個(gè)方向?qū)⑵涔ぷ髯杩沽⒓唇抵梁艿偷膶?dǎo)通值，并將電壓鉗制到預(yù)定水平，從而提高了防雷電路的可靠性。
3．2 激振檢測(cè)電路
作為整個(gè)系統(tǒng)的主體部分，首先給出總的電路圖，如圖5所示。
3．2．1 激振電路
目前，振弦式傳感器激勵(lì)方式主要有高壓撥弦和低壓掃頻激振兩種。由于系統(tǒng)運(yùn)行在低壓狀態(tài)，故采用低壓掃頻激振。根據(jù)傳感器的固有頻率選擇合適的頻率段，對(duì)傳感器施加頻率逐漸變大的掃頻脈沖串信號(hào)，當(dāng)激振信號(hào)的頻率和鋼弦的固有頻率相近時(shí)，鋼弦能快速達(dá)到共振狀態(tài)，此時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)且振幅最大，傳感器輸出的頻率信號(hào)信噪比較高且便于測(cè)量。
本系統(tǒng)選用的傳感器振弦的固有頻率為450～5 000 Hz，故可以充分利用AVR微處理器。運(yùn)用軟件設(shè)計(jì)，設(shè)置ATmega128單片機(jī)的引腳PB44輸出PWM信號(hào)進(jìn)行激振，激振輸出的信號(hào)經(jīng)過光電隔離放大整形電路，進(jìn)入單片機(jī)的ADC接口(PF0)，完成對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的采集。通過程序設(shè)計(jì)，將最大感應(yīng)電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率保存在片內(nèi)存儲(chǔ)器中，從而完成對(duì)滲壓計(jì)的激振。對(duì)于以后的激振將一直采用此頻率，從而確保系統(tǒng)能獲得高精度的測(cè)量結(jié)果，流程圖如6所示。
3．2．2 信號(hào)調(diào)理檢測(cè)電路
對(duì)傳感器進(jìn)行掃頻激勵(lì)后，傳感器將返回幅度不斷衰減的正弦信號(hào)，由于信號(hào)幅度較小，在1 mV左右，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。本系統(tǒng)選用INA326精密儀表放大器，其適用于單電源、低功耗和精密測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合，并可保持良好的線性。如圖5，INA326的增益它的增益可通過與輸入信號(hào)隔離的外部增益電阻來設(shè)置，而且工作性能穩(wěn)定。電路中分別由R1、R2、R5、R6設(shè)置，增益G1=2R2／R1，G2=2 R6／R5。外接電阻除與增益有關(guān)外，也直接影響到穩(wěn)定性及溫度漂移，因此要求精度高時(shí)要采用低溫度系數(shù)的精密電阻。為盡量減少在腳1與腳8的雜散電容量，而且將腳4與腳7直接用電容相連接。
由于振弦的共振頻率范圍為450～5 000 Hz，此頻率信號(hào)的穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間是有限的，必須在共振信號(hào)衰減到不至于影響測(cè)頻前完成測(cè)量任務(wù)。ATmega128的兩個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器(T／C1、T／C3)具有輸入捕捉功能，它是AVR定時(shí)／計(jì)數(shù)器的又一個(gè)顯著的特點(diǎn)。本文將使用ATmega-128的1個(gè)定時(shí)／計(jì)數(shù)器，再配合其輸入捕捉功能來測(cè)量脈沖的寬度，實(shí)現(xiàn)程序流程圖7所示。
在T／C1的捕捉中斷中，首先比較PE2(AIN0)和PE3(AIN1)的電壓值，得出AC0的實(shí)際狀態(tài)，并清空溢出計(jì)數(shù)器。當(dāng)檢測(cè)器證實(shí)ACO為高電平，輸入捕捉即被激發(fā)，16位的TCNTn數(shù)據(jù)被復(fù)制到輸入捕捉寄存器ICRn，同時(shí)輸入捕捉標(biāo)志位ICFn被置位。通過讀取ICRn寄存器，得到上升沿出現(xiàn)的時(shí)間T1；重復(fù)上面的過程，記錄第二次上升沿出現(xiàn)的時(shí)間T2。將兩次記錄的時(shí)間相減，便求得脈沖的周期。如此重復(fù)測(cè)量多次，求得平均值，從而完成信號(hào)的檢測(cè)。
可以看到，由于使用定時(shí)／計(jì)數(shù)器以及配合它的捕捉功能測(cè)量兩次上升沿之間的時(shí)間，不僅節(jié)省系統(tǒng)的硬件資源，編寫程序簡單，而且精度也高。
3．3 通道選擇電路
本系統(tǒng)所使用的傳感器為白、綠、紅、黑四線接頭，其中白線與綠線代表所測(cè)熱敏電阻接線端，紅線與黑線代表振弦的兩端。通過八通道模擬開關(guān)HCF4051以及單片機(jī)控制，通道選擇模塊把8路傳感器分時(shí)測(cè)量。由單片機(jī)的引腳發(fā)出控制信號(hào)選通滲壓計(jì)，然后進(jìn)行激振并輸出頻率信號(hào)，最后以總線的形式接入到單片機(jī)測(cè)量電路。
3．4 測(cè)溫電路
在振弦傳感器激振線圈旁設(shè)置有能測(cè)量溫度的熱敏電阻，這樣就能測(cè)出溫度對(duì)振弦頻率的影響，從而對(duì)測(cè)量誤差提出修正。
在通常情況下，其溫度與電阻的關(guān)系在一定溫度范圍內(nèi)可表示為：
式中，T為溫度，℃；g(R)為電阻R的函數(shù)關(guān)系式。所以，要測(cè)出溫度，只要測(cè)量出溫度傳感器等效電阻即可。
4 結(jié)束語
本測(cè)頻系統(tǒng)具有簡單有效的防雷擊電路，以及簡便的系統(tǒng)電路，使得整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到很大的提高。同時(shí)充分利用AVR單片機(jī)的強(qiáng)大特性，使得信號(hào)采集和檢測(cè)的精度得到提高，為測(cè)量結(jié)果的后期處理與大壩安全監(jiān)測(cè)帶來了極大的便利。