检测速度（精选9篇）
检测速度 篇1
摘要：针对微通道内的微流体输运特性, 设计了一种基于MSP430和Lab VIEW的数据采集系统以实现对电渗流速度的快速检测。采用前置放大电路、滤波电路、MSP430 MCU高速采样技术和串口通信技术, 并结合Lab VIEW开发了上位机软件, 有效完成了对电渗流流速的检测和波形的实时检测与显示。实验结果表明:电渗流速度检测系统能够快速有效地实现对微流体的电渗流平均速度的检测, 电渗流的平均速度与电场强度近似呈线性关系。
关键词：电渗流,微流体,流速检测,外加电压
随着国家经济的快速发展和国民平均生活质量的提高, 对环境保护、食品检测及医药临床等诸多方面的相关精密检测与控制技术的研究与开发提出了更高的要求。目前引入了国外的微型全分析技术和“芯片实验室”技术, 即在微芯片上实现常规化学或生物等实验室里的取样、预处理、分离及检测等功能[1]。而微流控技术是微型全分析技术和“芯片实验室”技术的支撑技术之一, 也是微流控系统原理功能和优化设计的重要关键问题之一[2]。
微流控技术可以实现对微流体压力、流量和方向的控制及多种试样的混合等功能[2]。对于微流体的常见驱动方式有压力驱动和电渗驱动[3,4], 其中电渗驱动是利用动电现象中的双电层 (EDL) 电势, 即在微通道两端施加外加高压直流电场驱动, 使微通道内形成电渗流 (EOF) , 其施加的电场强度通常在50~5 000V/cm之间, 电流一般在1mA以下[5,6]。因此, 对微流体的检测与控制也是定性、定量操控微流体和“芯片实验室”技术应用的关键步骤。
笔者设计了一种基于LabVIEW和MSP430单片机的微流体流速快速检测方法。
1 微流体流速检测原理 (1)
EOF一般用来驱动和控制尺寸在100.0μm左右的通道内的极性流动液体, 典型EOF的速度在10-8~10-6L/s, 其传输特征流量都比较低 (从nL/min到μL/min量级) , 鉴于此, 传统的测量技术已不再适用。目前EOF速度检测方法主要有[7,8]:迁移速度法 (荧光、化学发光、生物发光及表面等光学检测方法) 、流动电势法、称重法和电流检测法。其中简单、实用且应用广泛的电流检测法, 就是通过检测试剂在电极上反应所产生的氧化电流或还原电流来对待测试剂进行检测的[9], 其实质就是将非电量 (电渗流) 转换为电量 (电流/电压) , 最终归结于对电信号的检测。
电渗先在微通道内充满A溶液, 然后新的溶液 (B溶液) 逐渐取代通道内的A溶液 (A、B两种溶液为浓度不同的同种溶液) 。在其取代过程中溶液的离子浓度发生变化, 即溶液的电导率改变, 表现为微通道内的电流发生变化。当取代过程完成时, 溶液离子浓度稳定, 则高压回路中的电流稳定且不再改变。设电流变化时间为Δt, 则EOF平均速度v=L/Δt, 其中L为微通道总长, 本设计中L=40mm。
电流检测法原理如图1所示。实验中选用DW-QP502-1ACE5型高压直流电源为电渗提供驱动力, 其输入电压220V (AC) ±10%, 输出最大电压5kV, 并且连续可调, 最大电流1mA。电阻R是一个1kΩ的定值电阻, 与可调电阻串联形成一个分压电路。调节可调电阻, 把回路中电阻R的电压调节成单片机能够接收的信号, 从而满足实验时的检测系统要求。
微通道芯片如图2所示, 微流控芯片上有两条微通道, 呈“十”字交叉形, 长度分别为40、10mm, 且每条微通道的截面形状皆呈梯形, 微通道长40mm, 截面深40.9μm, 上宽79.9μm, 下宽65.4μm。为了实验能够顺利进行, 在两组通道的缓冲液池和废液池分别粘接立柱管, 即在图2中4个圆圈处粘接立柱管, 实验时只选取其中一组通道, 鉴于高电压、微纳米及高溶度等实验条件, 一般选取长40mm的通道进行实验。
2 系统硬件设计
微流体流速检测系统的硬件主要由PC机及MSP430F149等组成。其中作为主体的PC机, 主要用于实现实时、高效的数据处理, 由于其又是LabVIEW开发的用户程序运行载体, 因此为上位机。而作为客体的MSP430F149, 主要用于实现串联电阻上电压数据的快速采集, 为下位机。上、下位机进行通信联系的媒介, 即通用接口总线, 主要用于把独立的下位机应用系统连接到计算机上。本系统通过串行通信把采集到的电压数据传到上位机进行滤波、显示和分析。
系统设计中, 利用MSP430F149中的USART0模块来实现与上位机的串行异步通信, 但由于其TTL电平信号与上位机的RS-232信号不兼容, 因此采用LTC1385电平转换芯片, 将MCU (MSP430F149) 的TX、RX信号转换成RS-232所要求的电平信号, TR2in引脚与MCU的P3.4/UTXD0引脚连接, RX2out引脚与MCU的P3.5/URXD0引脚连接 (图3a) 。由于数据采集模块采集到的是电阻R1上的弱电压信号 (图3b) , 其电压U=RI<1kΩ×1mA=1V (高压直流电源最大输出电流为1mA) , 且微通道为横截面积纳米级、长度毫米级的狭长形通道, 液体浓度本身不高, 电导率较低, 因此微通道阻值约为兆欧级, 这将导致MP430F149采集到的电压远小于1V, 即为弱电信号, 接MCU的P6.3引脚。此弱电信号先经过一个无源滤波电路, 接着通过一个电压跟随器, 最后经过一个比例运算放大电路进入MSP430F149内部集成的ADC12模块[10]。置内部参考VREF+引脚为2.5V, VREF-接地, 即输入信号的范围在0.0~2.5V之内。MCU电源电路如图3c所示。
3 系统软件设计
系统软件设计包括上位机上运行的利用LabVIEW软件开发的G语言程序和在下位机MSP430F149上运行的C语言程序。
3.1 上位机软件开发
LabVIEW是目前世界上多数虚拟仪器系统所采用的开发软件, 尤其适合测控应用软件的开发。上位机软件开发根据使用顺序主要分为初始化程序、主循环程序和结束程序3部分。其中初始化程序主要完成串口通信端口配置及通道校正等功能;主循环程序主要完成系统测试、在线实时检测显示及数据分析等功能;结束程序主要完成串口通信关闭及数据保存等功能。
在串口通信过程中, 上、下位机必须遵循同一个通信协议, 在此, 在程序设计中定义了同样的帧格式, 其数据信息由8位字符串组成, 组成次序依次为地址码、命令码、数据信息、CRC7校验码和0x80结束字符。其中每一个字符都是计算机能识别的ASCII码, 在使用串口发送数据之前和接收数据之后都要经过代码转换成相应数值的电压值。串口操作程序如图4所示。
3.2 下位机程序设计
上、下位机软件有效协同配合, 才能实现两者间的可靠、精确通信。在下位机程序设计过程中, 必须遵守上位机软件开发所约定好的通信协议。下位机的程序开发包括通信子程序和A/D转换程序。由MSP430F149技术手册可知, 其内部集成了ADC12模块, 该模块操作简单方便, 只需对其4类寄存器进行操作即可, 因此A/D转换程序的开发较为简单。本设计采用单通道多次采样[11], 采样转换流程如图5所示。
4 实验与结果分析
在缓冲液池中注入0.1mmol/L的NaCl溶液, 当外加高电压时, 在电驱动力及重力等作用下, 溶液逐渐充满整个微通道, 最终达到废液池。由于电流信号微弱, 因此在高压回路中串联可调精密电阻, 在实验时检测电阻两端的实时电压, 即可间接反映微通道内电流的变化情况。外加电压2kV (L=4cm) 时的实验波形如图6所示。
在低电压阶段, 表明高压回路中流经微通道的电流非常小, 当电流平稳以后, 向微通道加入10.0mmol/L的NaCl置换溶液, 微通道中的电流值开始上升, 即图6中电压值开始逐渐上升, 当达到一定值时, 电压值重新趋于平稳, 表明微通道内溶液置换完成, 即微通道内已为10.0mmol/L的NaCl溶液。通过LabVIEW波形图控件[12]的图形工具选板对图6中的两个拐点 (置换开始点和结束点) 进行缩放, 同时通过操作波形图控件的游标图例读取两个拐点处的值, 得到置换开始时间点t0约为71s、置换结束时间点t1约为86s, 即微通道内溶液置换时间Δt=t1-t0=15s, 此时外加电压为2kV。
类似地, 当电压为800、1 200、1 600、2 000、2 400V时, 通过重复上述实验步骤得到微通道内B种溶液置换A种溶液的置换时间分别为43、32、19、15、13s, 则EOF平均速度实验数据见表1, 把表1中第一列、第三列分别作为二维平面图的横、纵坐标, 即得到EOF平均速度与电场强度的关系 (图7) 。
5 结束语
笔者基于电流检测法, 采用LabVIEW和MSP430F149设计了数据采集系统, 完成了对电渗流流速的检测, 并研究了电渗流速度随电场强度变化的关系, 实验结果表明:当置换前后的A、B两种溶液浓度不变时, 通过微通道的电渗流平均速度随电场强度增大而加快, 并近似呈线性关系。
参考文献
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[12]何玉钧, 高会生.Lab VIEW虚拟仪器设计教程[M].北京:人民邮电出版社, 2012.
速度？速度！ 篇2
其后的两年里，因为人生中重要的历史时期，为了学习，我放弃了飞车生涯，离开了那我熟悉又陌生的跑车和赛场。但那激情彭湃的回忆却从来没有被淡忘过……
通过了人生中的一大考验之后，怀揣着对速度的渴望，对飞车的热爱，对朋友的怀念和对胜利的执着，我回归了!双脚再度踏上油门的时候，我思考起那个无数次缠绕我的老问题来——速度究竟是什么?
我的经历从我脑海中浮现，回首当初尽情享受飙车乐趣的时光，回首和朋友奔驰沙场的过往，回首独自承受失败的苦涩，回首对飞车高手的向往。速度的含义似乎广阔了起来，它再不如从前那么简单，以至于我已经无法给出一个确切的答案。我唯一能肯定的事情是，我已经走上一条道路——一条上坡路，没有尽头。我终于立志成为一个高手，抛开杂琐的事情，以空前的热情投入到飞车世界中。
我对丰碑车队的感情一直没有淡漠过。理性告诉我，加入车队，和前辈高手们朝夕相处，不断学习，相互交流，对我的飞车发展是无可替代的步骤。于是我重拾HP2，开始反复地练习，只盼望能尽快加入FB这个大家庭。痛苦并且搞笑的一段回忆从这里展开了……
无数次地训练以后，终于，我达到了FB车队的八队标准。当我兴冲冲地到论坛发帖子要求测试的时候，却被告知FB已经不招收以HP2方式入队的队员了。完全无奈!我只有从UG2下手，白手起家。一个月以后，当我意气风发地再次准备测试时，再次被告知FB车队不再以UG2方式招收队员。晴空霹雳也不过如此!我真倒霉!当时真是欲哭无泪呀……虽然国内还有其他的强大车队可以选择，但是，对FB的感情让我无法放弃任何一个能融入它的机会。三个星期以后，我终于以MW如愿以偿了。
从此，每次联网赛车时，我都会自豪地输入我的ID：[FB]Venus。
进入车队以后，飞车生涯仿似变化了一个模样，那是我从没想象过的经历。
“不识庐山真面目，只缘身在此山中。”在我还没进入高手圈子的时候，对于高手，我总是怀着敬畏的心情仰望，总是觉得他们像神一样高深莫测，不可琢磨。而当我融入了这个圈子以后，了解了很多。高手的光环慢慢褪去，真实的飞车玩家的样子逐渐清晰。他们不是当初想象中那样不可接近，也没有与生俱来的天生神力。每一个高手，其实都是在无数的失败中摸爬滚打，从失望和苦痛中成长起来的。
和车队的前辈们交往过程中，我学到了太多以前不曾学习的东西。[FB]LIMll299、[FB]LXT、[FB]or，4C13、[FB]Utlra52等等，好多好多的前辈们以身作则，让我从更高的起点思考、理解NFS，体会那一种叫做境界的东西。
自主驾驶小车速度检测系统设计 篇3
传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出。在自动化生产过程中,需要用到各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,现代化生产不能失去它[1]。
2 速度检测系统硬件组成及结构设计
2.1 光电编码器
光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成,光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴,电动机旋转时,光栅盘与电动机同速旋转,经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号[2],通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。详细地讲,实际测速时,可在自主驾驶小车的驱动轴齿轮上加装光电编码器,而光电编码器上也有齿轮,工作时被小车车轴上的齿轮带动,在这里我们选择的是9位绝对式光电编码器,即光电编码器每转1r产生360个脉冲,就会有360个上升沿,通过数脉冲个数就可以知道光电编码器上的齿轮转了多少圈,再由齿轮的啮合比就可以知道小车车轴转了多少圈,由此可得位移量s,进一步可求得小车的速度。
2.2 单片机
本系统是以AT89S51单片机为核心,采用9位绝对式光电编码器作传感器,组成转速测试系统,能同时输出转速、转角及转动圈数的控制信号[3]。
2.3 数码管
数码管是一种半导体发光器件,其基本单元是发光二极管,即LED。这里我们用的是共阴极八段数码管。共阴极数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极COM的数码管,在应用时应将公共极COM接到地线GND上,当某一字段发光二极管的阳极为高电平时,相应字段就被点亮。
2.4 速度公式
假设光电编码器上的轮齿数和小车驱动轴上的齿轮数之比为K,车轮的周长为C米,在单位时间里检测到光电编码器输出的脉冲数为n,则小车的实际速度V可由式(1)求出:
3 速度检测系统硬件系统设计
3.1 电源转换电路设计
电源是小车测速系统的动力来源,为小车上的硬件提供稳定可靠的电压。该小车是由9～12v的电池供电,但是该单片机需要的是+5v电源,所以在这里需要这个电源转换电路,使其对电池电压进行分配和调节,为小车上的不同硬件提供稳定的电压。
3.2 单片机最小系统模块电路设计
在最小系统中,有AT89S51单片机,只需再加上复位电路就可以构成一个简单的系统了。这里采用按键手动复位电路,在RST端和正电源之间接一个按键,当人为按下这个按键时,电源的+5V电平就会直接加到RST端。
3.3 传感器模块电路设计
使用的也是+5V的电压,它一共有3个脚,一个脚连接电源,一个脚接地,另外一个接单片机上的13引脚INT1处即外部中断接口。光电编码器输出的是一个方波信号,它每转1r就产生360个脉冲,就会有360个上升沿,就进入一次中断,这时脉冲数加一,依次来计算脉冲数。
3.4 数码管模块电路设计
数码管上有12个引脚,分别和电源以及单片机上引脚相对应连接起来,本文中我们用的是三位的数码管来显示车速。测速时,由单片机驱动数码管,根据LED共阴极和共阳极的段选码表来表示十进制的数字,再由三位数码管显示出来,即得到车速[4]。
4 速度检测系统软件系统设计
该软件由中断服务程序和功能函数组成,其中,功能函数是整个测速系统的核心部分,主要包括速度检测算法和数码管显示算法。
自主驾驶小车速度检测系统软件流程图如图4-2所示。从流程图上我们可以看出,单片机大部分时间都用于处理传感器数据,计算脉冲数,以及驱动数码管显示数据,所以要设计简单准确的定时器中断服务程序和外部中断服务程序,以确保最后结果的正确性。首先,系统软件通过初始化单片机,使单片机处于工作状态,并能发出中断请求;接着,当单片机收到某些模块的中断请求,开始调用该模块的中断服务程序;等中断程序结束后,单片机开始调用关键的功能函数进行数值计算,比如速度计算等;最后,通过得到的脉冲信号来驱动数码管显示数字并计算脉冲数以及由定时器中断服务程序得到时间,就可以计算出小车的速度。
4.1 速度算法
本系统软件设计按照算法主要包括速度算法和数码管显示算法,而在计算速度时主要用到两个服务程序即定时器中断服务程序和外部中断服务程序,由定时器中断服务程序来计时,得到时间量,由外部中断服务程序可以来计算脉冲数,由此得位移量,最终可得小车速度。
定时器中断服务程序如下所示:
其中Pulse_CNT是指脉冲总数,而光电编码器每转1r输出360个脉冲,所以Pulse_CNT/360就是指光电编码器在这段时间内转的圈数,所以位移量就是(Pulse_CNT/360)*65,时间是0.05s,因此速度V=(Pulse_CNT/360)*65/0.05;在下一个50ms中断之前应该将脉冲数置为0,因此有Pulse_CNT=0。
外部中断服务程序如下:
单片机在捕捉到一个脉冲上升沿时就产生一次中断,此时脉冲数加一。
4.2 数码管显示算法
本文选择的是三位LED的显示器,在编程时我们首先要把三位数字的百位、十位、个位上的数字分别提出来,再分别显示到各个数码管上,以123为例,则百位上数=123/100=1,十位上数=(123-1*100)/10=2,个位上数=123%10=3.
当数码管上显示数字2至9时,P1脚都会输出相应的十六进制数,显示数字后就跳出。
5 总结
本文研究的目的是为了在日常生活中保证汽车行驶的稳定性,所以对自主驾驶车辆进行速度检测,以保证交通安全。在此基础上,利用自主驾驶小车设计了一个速度检测的系统。本文是基于自主驾驶小车速度检测系统的硬件组成、硬件结构设计、硬件电路设计和软件设计这四个方面进行的研究。
参考文献
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平均速度不是速度的平均 篇4
关键词：平均速度 速度 平均值
学生在学习物理的过程中，就是要不断地建立物理概念，如果概念不清，就不可能真正掌握物理基础知识.因此，在中学物理教学中，概念教学是一个重点，也是一个难点.下面我就初中二年级中的平均速度不等于速度的平均的教学做了以下尝试。
作变速直线运动的物体，它通过的路程与通过这段路程所用时间之比，叫做它在这段路程（或这段时间）内的平均速度。公式是v=□，也就是说要求平均速度一定是用这段时间内的路程来除该段时间。
例：小李在一百米跑时，越跑越快，最终成绩是10秒，则他的平均速度是多少？
这样的问题我们容易解决，直接就用100米除10秒就可以了。但有很多同学遇到这样的题就容易出错。
例如：一物体作直线运动，在前2s 内的平均速度是6m/s，后4s内的平均速度是3m/s，求该物体在全程中的平均速度。
错解：该物体在全程中的平均速度是v=（v1+ v2）/2=（6m/s+3m/s）=4.5 m/s.
上面的解法错在没有理解平均速度的含义，误把速度的平均值当成了平均速度。要求全程的平均速度应该是总的路程除总时间。
正解：由v=□知，
s1=v1t1=6m/s×2s=12m
s2=v2t2=3m/s×4s=12m
v=（s1+ s2）/（ t1+ t2）=24/6=4m/s
答：物体在全程中的平均速度是4m/s。
再如：汽车在平直公路上行驶，在前20s内通过的路程为240m，，后40s内通过的路程为640m，汽車在前20s，后20s以及全程的平均速度各为多少？
解：由v=□知
前20s的平均速度，v1= s1/ t1 = 240m /20s =12 m/s
后40s平均速度，v2= s2/ t1 =640m /40s =16m/s
全程的平均速度，v = s/ t =（s1+ s2）/（ t1+ t2）=（240m+640m）/（20s+40s）=14.7 m/s
答：前20s，后40s以及全程的平均速度分别是12 m/s，16m/s
14.7 m/s
这里速度的平均为（12 m/s+16m/s）/2=14 m/s。
增量式编码器的速度检测接口设计 篇5
关键词：编码器,脉冲,速度检测
1 概述
光栅式测量是根据波动光学中光的干涉和衍射的特性[5], 利用光通过相叠的两片光栅片时形成莫尔条纹的原理设计的。光源为砷化稼红外发光二极管, 接收光电元件为光电池、光电二极管或者PIN光电管。主光栅和指示光栅在平行光照射下, 形成莫尔条纹, 它决定测量的精度。光电转换输出的信号是对两片光栅相对运动位移的放大后的莫尔条纹亮暗变化的真实反映。
转速是电动机中的一个重要物理量, 目前国内外常用的测量转速的方法有离心式转速表测速法、微电机测速法、光电码盘测速法以及霍尔元件测速法。离心式转速表和微电机测速都有现成的测速仪表, 容易得到。但转速表或测速机都要与电机同轴连接, 增加了电机机组安装难度, 另一方面有些电机功率很小, 转速表或测速机消耗的功率占了电机大部分, 所以对有些电机的测速, 这2种方法不适用。霍尔元件和光电码盘的测速方法基本类似, 都是在转轴上安装一个很轻巧的传感器, 将电机的转动信号通过霍尔元件或光电码盘转换为电脉冲, 从而通过计算电脉冲的个数来测速。
增量式编码器, 结构简单、成本低、精度高、分辨能力强, 易于与数字器件接口, 是作为速度及位置检测元件的优先选择。因此, 如何充分利用增量式编码器的检测精度, 保证在较宽运行范围内都能获取可靠的速度信息, 使得速度控制的能够有效进行, 是一个亟待解决的实际问题, 能够合理解决该问题的速度接口必将具有广阔的应用前景。
2 增量式编码器的测速方法
光电式测速系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点, 因此它常常用于高精度电机转速的测量系统中。数字式转速测量方法中常用的主要有以下三种:M法、T法和M/T法, 本论文采用M法进行测试。
M法即在规定的时间间隔Tg内, 测量所产生的脉冲数来获得被测速度值, 这种方法称为M法测速。
设光电脉冲编码器每转一圈发出的脉冲数为P, 且在规定的时间Tg (s) 内, 测得脉冲数为m1, 如图1所示。
M法测速的技术指标:
由上式得, 在M法中测速分辨率与转速无关, 只与光电增量式编码器的P值和检测时间Tg有关。欲提高M法测速分辨率, 就需要改用较大P值的光电编码器或增加检测时间。
(2) M法的测量精度:此方法虽然检测时间一定, 但检测的起始时间具有随机性, 因此测量过程在极端情况下会产生±1个光电脉冲的检测误差, 则相对误差为1/m。当被测转速较高或由电机转动一圈发出的光电脉冲信号的个数较大时, 才有较高的测量精度。即随着转速增加, m1即增大, 相对误差会减小, 说明M法适用于高速测量场合。
式中:Tg为规定的检测时间。
在保持一定分辨率的情况下, 缩短检测时间的唯一办法是改用P值大的光电增量式编码器。
3 接口硬件设计
从硬件的总体结构可以看出, 整个硬件平台的核心是AVR系列Atmage16单片机, 速度检测及液晶实时显示, 这就需要Atmage16单片机通过辅助电路的配合, 才能实现硬件平台所需的各方面功能。硬件平台电路板上除了Atmage16单片机之外, 还需要有辅助Atmage16单片机实现功能的各种外围器件, 同时还要对电路板的各部分进行合理的供电, Atmage16单片机的最小系统、液晶显示电路、光耦电路、触发器等电路都要在电路板上出现。
硬件电路组成如图4所示。
编码器A, B两路信号, 通过光耦接入单片机, 通过捕获引脚, 捕获脉冲, 通过M法测出其转速, 用D触发器实现转向的判断, 并通过液晶屏显示, 完成设计要求。
参考影响硬件可靠性的因素, 为提升本系统硬件的可靠性, 本系统主要从硬件的电路原理图设计和PCB布线两方面来考虑, 采取如下措施:
(1) PCB布线宽度和安全距离不能太窄, 板子两面的走线尽量垂直, 走线不能有直角转弯, 电源线、地线以及电机控制线要粗, 保证电源线、地线不少于1mm宽度, 过孔孔径不能太小。本系统PCB信号线为10mil, 安全距离为10mil, 电源和地线线宽为50mil, 过孔外径50mil, 内径28mil;
(2) 电源采用大电容和小电容结合滤波, 芯片每个电源引脚加小电容滤波, 且电容尽量靠近芯片电源引脚;
(3) 晶振的时钟输出脚要尽可能的靠近处理器;
(4) 系统铺铜且铺铜接地。
根据原理图和电路设计可靠性原则, 本设计采用Protel 99 se电路设计软件设计原理图和PCB图, 设计了一个单层板, 所得电路PCB如图3所示, 电路板如图4所示。
4 系统测试
将设计好的增量式编码器的速度检测接口电路与电机连接好。如图5所示。
测试仪器有:泰克2024数字存储示波器, 直流稳压电源。
通过控制电机在不同转速下转动, 液晶屏实时显示转速, 与实际转速比较, 如表2所示。
通过数据比较得知, 用M法测编码器转速时, 在低速时, 误差比较大;在高速时, 误差比较小。
同时, 编码器在电机的驱动下转动, 可能因为外界的干扰, 而产生毛刺, 影响单片机捕获脉冲, 从而引起误差。
5 结论
本论文结合所设计的硬件, 设计了增量式编码器的速度检测电路软件, 分模块的逐个对硬件平台的各部分进行相应的调试, 最后对编码器的转速进行了测试, 测试结果达到设计要求。
参考文献
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检测速度 篇6
当前,国内针对路面车辆信息采集的主要方法是通过埋入道路的感应线圈检测器,但往往道路施工频繁,导致线圈完好度较低、维护费用高,且感应线圈安装极易破坏路面,所以线圈检测器使用功效并不高[1]。本文采用磁阻传感器与无线HART技术设计了一种新型的无线车辆检测器,具有安装简易、占用空间小和不易损坏等特点[2]。如今无线HART技术已较为成熟,广泛应用于工业监测、控制等领域[3]。与传统控制系统相比,无线HART技术提供了一种高性价比的替代通信方式[4],将传统控制系统中高成本的测量通过无线技术来实现并融入监控系统中[5]。本设计采用无线HART收发模块,具有实时性与抗干扰能力强以及低功耗的特点,提高了检测效率,降低了道路维护成本[6]。
1 无线HART简介
无线HART是一种Mesh网络拓扑,其每个节点既是终端也是路由,支持调频,分时通讯可靠性高。无线HART可以让用户在保持现有设备、工具和系统一致性的基础上,为HART协议增加无线功能[7]。不但为过程应用提供了一种可靠的专用无线协议,而且为用户提供了一种行业认可的标准,使其在进行无线应用决策时具有选择依据[8]。
2 检测器硬件设计
2.1 工作原理
地球是一个巨大的磁场,当车辆经过某一路段时,会导致地磁场产生微弱变化,通过采集地磁场变化数据并进行分析,根据变化持续的时间即可得出车辆在经过该路段时的速度以及在某一时间段内的车流信息[9]。
车辆检测器安装好后,加入到无线HART网络,将每个传感器作为一个HART节点,其获得车辆信息后,由MCU进行数据处理,在显示屏上同步显示车速,并通过XDM2510H传输至控制中心/网关。车辆检测器系统如图1所示。
基于无线HART的车辆检测器采用树形网络拓扑结构,检测节点可实现地磁信号的采集、放大、滤波以及与上位节点的通信等功能。
2.2 硬件电路设计
磁阻感应器采集的信号是一个差分输出的毫伏级信号,需要对其进行差分放大,以产生更好的放大效果[11]。滤波放大后,用AD转换器将模拟信号转换成数字信号,并采用MCU进行处理,通过显示屏显示,然后将处理后的数据通过无线HART模块发送至网关。系统框架如图2所示。
2.2.1 无线HART模块
系统的无线HART收发模块采用RFM公司的XDM2510H模块,电路如图3所示。工作原理如下:1发送一个时间戳数据包,通过单片机向/TIME管脚发送一个低电平进行触发;2模块投递数据包时,通过/MT_RTS管脚给单片机一个置低信号;3模块向单片机发送数据包完成的标志是/MT_CTS管脚置低;4通过单片机向/RE-SET IN管脚发送低电平实现模块复位。
单片机通信接口通过串口与模块的UART_TX和UART_RX管脚相连,单片机向/SP_CTS管脚发送低电平时,表示单片机准备好接收一个数据包。LED灯信号行为对应的XDM2510H状态如表1所示。
2.2.2 感应器模块
传感器工作电路如图4所示,感应器选取霍尼韦尔公司的HMC1022,其输出一个毫伏级的差分模拟电压信号,需要通过差分放大器进行放大;差分放大器选用AD620,其具有体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广的优点;置位复位电路用于在突发情况下保护传感器核心电路;采用的芯片为IRF7105,它可以产生一个以20ms为周期的方波,作为磁阻感应器的复位输入信号。同时把12V电源通过一个1 000Ω的电阻连接到IRF7105的4管脚,将第5管脚和第8管脚短接,分别与HMC1002的第8管脚和第14管脚相连,即可完成对传感器的保护。
3 系统软件设计
3.1 整体设计
为了使软件容易扩展和维护,本设计采用模块化架构,每个功能都包含在相应的模块中。系统需要调用该模块时,只需include相应的头文件即能直接使用,从而使程序结构清晰、易于移植。
系统模块分为两层:驱动层与设备层。驱动层实现MCU内部的功能驱动和调用,设备层实现外部设备的驱动和调用。有些设备需要利用驱动层模块才能实现调用,如图5所示。软件程序流程为:1主函数调用各个子函数初始化的内部驱动,定时器设为1分钟,串口、I2C与显示屏初始化,开启全局中断;2调用无线HART模块的初始化函数,检查其返回值是否成功,若失败,则显示失败信息,并再次初始化,直到初始化成功;3显示屏显示成功信息,进入循环。循环中仅有一条指令,即睡眠;4睡眠状态的单片机在定时器中断触发时被唤醒,唤醒后通过传感器获取信息,显示测得的数据。与无线HART模块同步时钟,再通过无线HART模块将数据发送至网络;5最后将定时器复位,退出中断。退出后程序又进入循环,即再次进入睡眠状态,等待下次被唤醒。唤醒机制如图6所示。
3.2 车辆分类识别原理
3.2.1 K近邻算法简介
K近邻算法最初由Cover和Hart于1968年提出,其基本思想是以全部训练样本作为代表点,计算测试样本与代表点的距离,即所有样本的距离,并以最近邻者的类别作为决策。目前K近邻法理论比较成熟,适用于样本容量比较大的类域的自动分类[10]。
K近邻算法的主要思路是:在测试样本x的k个近邻中,将出现最多的样本类别作为x的类别,然后对x类别进行判别,即在N个训练样本中,找出x的k个近邻。
3.2.2 车辆分类
通过观测大量车辆,本文将各类车型产生的波形大致分为5类,对应的车型分别为:小车、面包车、中型货车、公共汽车、大型载重卡车。图7为各类车辆的代表性信号波形。
3.2.3 基于K近邻算法的车辆分类识别
设x(i)为待检测车辆的特征向量,aj(i)为测试的样本车辆的特征向量,A是所有测试的样本空间,aj(i)∈A,N为测试样本车辆数量,k为近邻的个数,k<N。算法采用欧式距离函数作为判别函数,如式(1)所示:
基于K近邻车辆分类识别算法为:1取a1(i),a2(i),…,ak(i)为x(i)的k个近邻,计算dj[x(i),aj(i)],j=1,2,…,k;2计算3若dn<dm,则an(i)替换am(i);若n=N,转到第4步,否则令n=n+1,并转到第2步;4计算5种车辆类型中包含a1(i),a2(i),…,ak(i)的数量,包含最多的车辆类型即为待测车辆类型。
3.2.4 检测结果及分析
K近邻算法对车辆的分类结果如表2所示。
利用K近邻算法对81辆车进行了分类,其中平均成功率为90.25%,表明利用此方法进行车辆的分类识别是可行的。
3.3 车速检测
3.3.1 车速检测算法
利用双传感器进行车速检测,基本公式为:车速=距离/时间。其中,双传感器间距为S,车辆长度WEI L,单个传感器检测直径为2r,时间为车辆到达第一个节点时刻和离开节点的时间差。采用双磁阻感应器测算速度如公式(2)所示,原理如图8所示。
式(2)中,L为车辆长度,r为检测区域半径,Δt为车辆经过需要的时间。
3.3.2 实际车速验证
实际车速测量如表3所示,其中:1小车保持50km/h行驶,5次测速分别为:50.4km/h、52.3km/h、48.7km/h、49.5km/h、54.6km/h,平均速度为51.10km/h;2面包车保持45km/h行驶,5次测速分别为:45.7km/h、44.6km/h、43.8km/h、39.7km/h、40.1km/h,平均速度为42.78km/h;3中型货车保持35km/h行驶,5次测速分别为:33.5km/h、34.6km/h、37.3km/h、36.1km/h、35.7km/h,平均速度为35.44km/h;4公共汽车保持40km/h行驶,5次测速分别为:38.5km/h、39.6km/h、42.3km/h、39.1km/h、41.7km/h,平均速度为40.42km/h;5大型载重货车保持25km/h行驶,5次测速分别为:23.4km/h、27.5km/h、22.6km/h、23.9km/h、26.7km/h,平均速度为24.82km/h。
可以看出,利用双传感器进行测速,得到的速度精确值较高,误差率最大的为面包车,其余4种车辆的误差率都不超过2.2%。所以,此套系统可以实现对车辆速度的实时检测。
4 结语
通过磁阻传感器检测,可为智能交通系统提供决策依据。系统感应器设置方便,可满足不断变化的数据采集要求,并且不破坏路面。本文为无线HART开发提供了一个典型的实现方案,基于此方案可以更深入地开展无线HART协议技术研究。
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检测速度 篇7
鼠笼式异步电动机由于其结构简单、价格低廉和维修工作量小而在工业领域得到广泛的应用。当电机容量大或所处地位很重要时,就需要随时检测其工作状态,对电动机的检测可以从多方面多角度进行[1,2]。一般需要检测其转子转速、输出功率和输出转矩,输入功率和功率因数,相电压电流及相功率因数等。
转子转速和转矩可以采用速度传感器和转矩传感器进行测量,但它们增加系统成本并影响电机的转动惯量。为了降低系统成本和避免传感器对转子转动惯量的影响,人们对变频调速系统提出了很多种速度估计方法[3,4,5],文献[6]针对无速度传感器异步电动机检测系统采用高频信号注入法检测电机转速,但它存在高频干扰和要求电机有凸极结构。无速度传感器感应电机检测系统除了要测量速度转矩外,还需要进行许多其它检测工作,所以它存在一个实时性问题。为了解决其实时性问题,本文提出了转矩转速的间断性估计方法。另外变频调速控制系统的速度、转矩估计精度并不高,它们主要是用在对调速性能要求不高的场合。利用异步电动机的动态方程和电磁转矩方程可对异步电动机的转速和转矩进行估计,但由于相位延迟等因素使转矩估计有较大误差,又由于转子电阻误差和转矩估计误差从而影响转速估计精度。为了提高转矩估计精度和转速度估计精度,本文提出了一种简单有效的转矩转速校正方法,通过该校正方法大大提高了它们的估计精度。本硬件设计采用性价比非常高的ARM单片机(LPC2132)12位串位AD(ADS7829)以及采用价格低的通用电流电压传感器,大大降低了检测系统的硬件成本。
1 间断性转速转矩估计原理
1.1 转矩转速估计原理
三相异步电动机电磁转矩估计原理为
Ψsα=∫(usα-Rsisα)dt (1)
Ψsβ=∫(usβ-Rsisβ)dt (2)
转子转速的估计原理为
n=(ωs-Δω)/np (5)
式中:np为电机极对数;Ψsd,Ψsq为定子磁链的d-q轴分量;isd,isq为定子绕组电流的d-q分量;Te为电磁转矩;Rr为转子电阻;ωs为定子磁链角频率(定子磁链角的导数);n为电机转子机械角速度;Δω为滑差速度。
式(1)、式(2)中的理想积分器用可编程低通滤波器[4,5,6]代替,可得到较为准确的定子磁链值,尤其是高速时;但磁链和电流之间始终有一定的相位误差,而在空载时磁链和电流之间的夹角很小,所以对空载转矩的估算精度影响比较大,为实现对转矩的准确估计需要进行相位补偿,故本文采用式(6)和式(7)对转矩进行估计
Te=kΨsis=kΨsisejθ (6)
θ=θ1+kTe (7)
利用转矩传感器对参数θ1,k进行标定,空载时对参数θ1(k=0)进行标定,额定负载情况下对k(θ1保持不变)进行标定。式(4)中含有电机转子电阻,它受电机工况(主要是温度)影响比较大(误差可达到50 %以上),所以直接利用式(4)、式(5)得到的速度误差比较大,尤其是在重负载情况下。所以采用式(8)估计电机转速
n=[ωs-k1(1+k2T3e)Te/Ψ2s]/np (8)
利用转速传感器对参数k1,k2进行标定,空载时对k1(k2=0)进行标定,额定负载时对k2进行标定(k1保持不变)。
如果用定子磁链角导数方法计算定子磁链角速度的话,其计算结果有一定的波动,又由于异步电动机在稳态时其定子磁链角速度与定子电流角速度相等,所以用定子电流角速度代替式(8)中的定子磁链角速度,定子电流角速度为
ωΨs=ωi=2π/T (9)
式中:T为定子电流周期。
转矩转速估计框图如图1所示。
1.2 间断性转矩转速估计的实现方法
为了准确估计转矩转速,就需要准确地估计磁链,为了准确地观测磁链,则要求磁链计算周期比较小,磁链测量周期在100 μs内比较好。磁链、转速的测量周期越小,则转矩转速估计的计算量越大,而检测系统另外还要进行大量的其它计算,如FFT分析。为了解决检测系统的实时性问题,本文提出了间断性转矩转速估计方法,它主要是利用了可编程低通滤波器具有快速消除磁链初值误差的特点,即只要让可编程低通滤波器连续观测一定的点数后,它就可准确地跟踪磁链实际值。间断性转矩转速估计方法的处理流程图见图2。
2 系统组成及硬件设计
该系统的硬件组成框图如图3所示。
包括电压电流传感器、电平转换及放大电路以及选择开关和12位串行AD(ADS7829),检测电压电流;串联型电源提供正负5 V电压和3.3 V电压;看门狗(X5043)起看门狗作用并用来保存参数;时钟电路(SD2000CPI)提供时间信息和保存参数;CPU(LPC2132)完成计算处理等任务,它有64 KByte的FLASH和16 KByte的RAM,从而不需要外扩数据和程序存储器;MC35I模块实现检测终端与远程计算机(主站)之间的通信,从而实现主站与现场的恶劣环境分离;RS232接口用于测试和设置初始参数。
3 仿真和实验结果
为了验证本文提出的转矩估计和速度估计校正方法的有效性,本文对它进行了仿真和实验研究,仿真和实验用的电机参数为:Rs=9.1 Ω,Rr=14 Ω,Lm=0.49 H,L′s=0.048 H,L′r=0.048 H,功率750 W。
图4给出了估计转矩的仿真结果,Te,Te1,Te2分别是实际转矩,相位补偿后的估计转矩和没有进行相位补偿的估计转矩,相位补偿时相位补偿角θ为:θ=0.035+0.045 Te。
图5给出了估计速度的仿真波形,它们分别是估计速度与测量速度(实际速度)之间的估计误差,从图5可以看出在转矩比较大的情况下不进行补偿时速度估计的误差比较大,补偿后的估计速度误差非常小,速度补偿的实际公式为:n=ωs-(16+0.009T3e)。
为了进一步验证该估计模型的有效性,对电机在空载和负载(用直流机作负载)情况下进行了统计实验,每种工况取100个测试点,其估计速度误差分布|η|、估计转矩Te、估计速度ωr和测量速度n见表1,其中转矩估计,估计速度和测量速度是100个测量点的平均值,估计转速误差分布|η|是指100个测量点中各点的估计速度与测量速度的误差情况,如表1第2行(空载)中误差点分布的意思是指相应的100个测量点中|η|<0.2 %的点只有1个,|η|<0.5 %的点有76个,|η|<1 %的点有100个,|η|>1 %的点没有。
其中负载功率不包括机械损耗,它是直流电机的净输出与直流电机电枢绕组损耗之和。
4 总结
本文针对50 Hz交流电供电的异步电动机,采用改进低通滤波器实现了磁链和转矩的高精度间断性观测,然后通过校正处理实现了转速和转矩的高精度估计。另外,本文采用低成本的硬件芯片(或元件)大大降低了系统成本。
摘要：为了降低异步电动机检测系统成本和不影响它的转动惯量,在异步电机动态速度估计方法和电磁转矩方程基础上,采用校正补偿方法实现了异步电机转速和转矩的高精度估计。尽管速度和转矩估计的计算量比较大,但采用间断性转矩转速估计方法很好地解决了检测系统的实时性问题。仿真结果和实验结果验证了转矩转速估计的有效性。另外硬件设计采用性价比非常高的ARM单片机及12位串行AD,以及价格低的通用电流电压传感器,从而提高该检测系统的性价比。
关键词：异步电动机,可编程低通滤波器,ARM单片机,检测系统,电磁转矩
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检测速度 篇8
在电缆生产线上,通常需要检测电缆的走线速度,用来控制收线电机的转速和计算线缆的长度。成缆工艺参数的稳定, 直接关系到电线电缆的质量。
该项目是为某电缆厂的技术改造项目,要改造的设备是利用束线原理制造的盘绞式成缆机,改造的内容是更换全部电气控制系统。这种成缆机的放线盘固定, 而收线盘固定在盘绞架上同时完成绞合和收线的双重运动。工作时,在线缆盘直流电机的带动下,完成电缆的收线运动,在排线电机的带动下实现电缆在收线盘的整齐排列。在大盘电机的带动下,通过齿轮箱带动盘绞架实现轴向旋转,完成电缆绞合运动,是保证节距的关键。线速度是由收线盘的旋转速度决定的,如果收线电机的转速恒定,收线盘随着收线轴的变粗,线速度会增大,因此,为保证收线速度恒定,要逐渐降低收线电机的转速。
1 系统设计原理
根据电缆的生产工艺要求,不同型号的电缆,其走线速度是恒定的。通常,电缆的运行速度是由电缆带动旋转编码器来检测的。电缆线速度测速示意图如图1所示[1]。
该项目中,采用的旋转编码器的型号是TRD-J1000系列,旋转一周输出1 000个脉冲[2]。因此,根据在一定时间内检测到的脉冲数,就可以计算出电缆的走线速度。实际应用中,将其与一加工精度极高、周长为500 mm的旋转编码器测量主动轮与旋转编码器同轴安装,主动轮与电缆接触。在电缆生产运动过程中,依靠摩擦力拉动测量轮旋转,这样就把电缆的直线位移(长度)转化为旋转编码器的脉冲数字信号输出。
设旋转编码器每旋转一周,其计数脉冲个数为NP(脉冲个数/转),则旋转编码器角分辨率(单位:(°)/个)为[3]:
P=360/NP
假定固定在旋转编码器转轴上的主动导向轮半径为r m, 则旋转编码器位移分辨率(单位:m/个)为[4]:
PS =2πr/NP
这时, 若计数脉冲个数为N(个), 则由旋转编码器测量的位移量S(单位:m)为:
S=PS·N
线缆走线速度V(单位:m/s)为:
V=S/T
式中:T为接收N个脉冲所用的时间(单位:s)。
2 硬件电路设计原理
该检测电路以AT89C51单片机为控制核心,如图2所示,旋转编码器输出的脉冲,经过电平转换,变成0～5 V的TTL电平脉冲,送到AT89C51单片机的外部中断INT0端。每收到一个脉冲,单片机中断一次,同时计数脉冲存储器加1,与标准脉冲值比较后,单片机的P0口输出给定值数字量,再经过D/A转换变成给定值模拟量,送给收线电机调速器,控制电机转速[5]。这里的D/A转换芯片采用8位数据输入,四路模拟量输出的TLC7226IDW。如果需要提高电机转速控制精度,可以选用其他10位、12位数据输入的D/A转换芯片。
工作时,当收线电机带动电缆运动时,带动旋转编码器的主动轮旋转,从而旋转编码器旋转,输出脉冲。该脉冲送入光电耦合器,进行隔离、整形、电平转换,送给AT89C51的12脚,外部中断INT0进行脉冲计数。每接收到一个脉冲,单片机执行外部中断INT0 子程序一次,脉冲计数存储器加1。例如,每间隔1 s读取一次,从而可以根据计数脉冲的个数,与标准脉冲数比较,因此,可以判断当前线速度的大小[6]。
线速度的计算方法如下:
例如,要求线速度V为0.1 m/s。
旋转编码器每秒输出脉冲数=V·NP/C
其中:C为旋转编码器主动轮周长(单位:m)。所以,线速度为0.1 m/s时,旋转编码器每秒输出标准脉冲数=0.1×1 000/0.5=200个/s。
3 软件设计
在定时器中断中运行,在计时子程序中,每秒执行一次。即查询每秒收到的脉冲数是否与标准脉冲相同。该线速度控制子程序如图3所示。
首先,读脉冲计数存储器的数值,与标准脉冲数比较,等于标准脉冲,脉冲计数存储器数值清零,说明此时走线速度等于标准速度;若大于标准脉冲数,说明线速度大于标准线速度,因此,必须使调速器给定值减1,使得收线电机转速减低;若小于标准脉冲数,说明线速度小于标准线速度,必须使调速器给定值加1,使得收线电机转速增加,从而形成闭环线速度控制反馈系统,控制收线电机旋转速度,使得线速度保持恒定。
4 结 语
根据电缆成缆机的工艺要求,设计了单片机与旋转编码器组成的闭环线速度控制系统,并给出了主要控制程序的设计方法。还可以通过软件实现线缆走线长度的检测以及运行时间的计算等功能[8],并通过显示屏显示出来。上述线速度控制系统已成功应用在实际的技术改造中,为企业节约了近百万元的技术改造资金。结果表明,该系统具有运行稳定可靠、电路简单、测量精度较高、成本低等特点,完全满足电缆生产工艺要求,其简洁的电路设计和典型的控制方法具有较高的参考价值。
摘要：通过对盘绞式成缆机工作过程的分析,说明了对收线电机的控制要求,采用AT89C51单片机为控制核心,通过检测旋转编码器在单位时间内输出的脉冲数,与标准脉冲数进行比较,控制收线电机调速器的给定值,从而控制收线电机的旋转速度,实现了线缆的均匀走线速度控制。给出单片机与旋转编码器组成的闭环线速度控制系统的电路原理及主要控制程序的设计方法。其简洁的电路设计和典型的控制方法具有较高的参考价值。
关键词：旋转编码器,线速度检测,AT89C51单片机,电机调速
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检测速度 篇9
建筑业是一个关系到国计民生的支柱性基础产业。特别作为我国正处在快速发展阶段,全国上下都加大了基础设施的建设。同时,建筑业作为拉动经济发展速度的重要力量,正处在大发展阶段[1]。随着建筑业的蓬勃发展,建筑质量安全越来越受到人们的关注,特别在震惊世界的5.12四川汶川大地震后,人们对于楼宇在抗震方面的安全越来越担忧。虽然开发商在楼宇交付使用时候一般都会给业主出具楼宇抗震级别的报告,但对于普通百姓而言不直观,也不真实[2]。本文提出的基于加速度的楼宇抗震检测系统能直观的看到楼宇的抗震能力,且能实现长期实时的楼宇安全监测,对楼宇的定期检测维护有着重要的作用。
1 系统概述
楼宇监测是通过测量楼宇的环境参数和自身的结构参数来监测楼当前的抗震状态,稳定可靠的数据采集和传输系统对于保证监测系统的长期运行至关重要, 同时是获取有效、 可靠的监测数据的前提[3]。本文提出的基于加速度的楼宇抗震检测系统, 利用加速度传感器与主控芯片组成检测终端,实现对楼宇的振动、位移、应变信号数据的自动采集,并将数据实时的传输到监控服务器中,监控服务器以走势图的方式直观的表现当前的楼宇震动情况。本系统可以考虑使用无线网络传感技术, 这样能大大减小了现场布线的工作量,使得监测施工十分方便快捷。本系统虽是为监测楼宇抗震而设计的,但同时可扩展应用于桥梁、路面等方面的应用领域。
国内外目前对楼宇、桥梁等“静止建筑”的加速度的应用研究还比较少,对于桥梁与路面,传统的检测方法是采用压力传感器来限制重型车辆的经过,但其实造成桥梁与路面的塌陷与损坏的关键不在于压力,而在于瞬时的形变,即使压力不大,在形变过大情况下,楼宇也很容易损坏,这便是地震容易引起楼宇、桥梁等塌陷的原因[4]。对楼宇的检测目前国内外很少有去监测,但在目前城市高速建设时期,拆迁的爆破常常会对周围的楼宇产生重要影响,这便需要对楼宇的形变进行瞬间检测,以实时地反映出楼宇的安全状况。本系统是为了实现对楼宇抗震安全状况而设计的,经过目前运行情况证明,系统可靠实用,适合普遍应用。
本系统由多个检测终端与一个监测服务器组成,检测终端形体类似烟盒大小,固定于楼宇各个检测位置的主体墙上,另外由于检测终端内部采用的加速度传感器具有X,Y轴的方向性,为了更好达到检测效果,应水平方向稳定安装与主体墙面上。监测服务器主要是由一台服务器电脑以及一台报警驱动装置构成。多个检测终端与服务器之间的通信采用自定义的通信协议进行通信,能识别各个检测终端地址位。系统整体原理框图如图1所示。
2 系统软硬件设计
2.1 检测终端模块
检测终端是由主控芯片AT89C2051以及二维加速度传感器MXC6202以及相关外围电路组成,其硬件框图如图2所示。
图2中主控芯片主要负责数据的接收、处理以及其他附属功能的软件实现,这个模块中硬件上较为简单,但对于软件上要求考虑比较全面,图中关键芯片MXC6202是Memsic公司的加速度传感器,此IC是数字式双轴加速度传感器,通过软件合成能灵敏地检测出平面任意方向的加速度,它的检测范围能达±2g,在常温下检测灵敏度为1/400g,非常灵敏。对于检测楼宇常态下的加速度绰绰有余。而且此芯片价格低廉,适合广泛运用。在本系统中,MXC6202功能在于采集楼宇加速度信号,通过I2C的通信接口传输给主控芯片。框图中的压力传感器的作用是为了在软件上补偿压力带给加速度传感器的干扰,保证系统检测的精确性。另外本系统开发成产品时为了实用,还增加了简单的数字时钟和一些给人直观的LED显示模块,这些也都在检测终端模块中予以表现。
2.2 监控服务器
监控服务器端由PC机与报警模块组成,PC机上的的上位机软件是用VC语言编写的可视化软件窗口,其与报警驱动装置以及检测终端是通过串口进行通信的。在此系统中,笔者编写的上位机软件是一个实时的、直观的曲线图显示界面,能实时的显示出当前检测各个检测终端的状态,在任何一个检测终端出现异常时启动报警模块并显示出问题终端的位置,便于核实该处建筑质量问题或就近是否存在强烈的威胁建筑安全的爆破事件发生。
3 系统实现与调试
本系统原理简单,但实现一个完整可靠的系统,拟解决的关键问题在于如何精准及时的检测出静态物体的微弱形变,静态物体的损失微弱形变主要表现在形变瞬间的加速度,在此系统中,主要是可以通过改进内部补偿算法并利用精密电子仪器的设计手段,从而精准地检测出瞬间的加速度,这是实现此系统可靠性的关键问题和技术难点。
为了确保检测的精确性,本系统在设计过程中需要注意以下几点。
(1)电路设计中要充分考虑到电源紊波对系统的干扰。
本系统在PCB设计中,将电源与数字部分完全隔离,并设计了屏蔽盖,接入到数字芯片的所有电源都串上磁珠,以保证数字电源的纯净,并对数字芯片的IO管脚的滤波处理上全面考虑。
(2)时钟以及I2C通信数据线在Pcb layout中充分考虑与干扰源隔离。
本系统Pcb主板采用两层板设计,I2C与时钟线处理中都采用全程包地处理,保证了通信数据线不受干扰
(3)采用软件补偿算法。
硬件上系统设计中加上了压力传感器,以排除环境或墙体外部压力对加速度的影响,确保测得的加速度为墙体受外部影响而出现的瞬时形变加速度。同时软件上采用均方根的数字滤波方法,用高采样率进行采样,确保数据的精确性。
检测终端是本系统的关键,在设计中要全面考虑外围电路的干扰,才能设计出一套可靠实用的系统。本系统中检测终端主板如图3所示。
4 结束语
本系统所采用的加速度传感器能实现多轴的加速度检测,而且灵敏度很高,横向与线性灵敏度都在0.25%g以内,同时可以实现角度偏差的测量,而静态物体在易产生危险的情况下的的形变范围远超过此值,比如楼宇基柱形变超过3%g才会对楼宇的重力分布产生影响[5]。本系统相对传统应用于桥梁路面的检测方法有安装方便、不易受环境影响、检测精度高、易于实现远程监控等优势,相信在今后会有广泛的应用。
参考文献
[1]贾海华.超声波对桥梁桩基质量检测分析与判定[J],铁道建筑技术,2007(3).
[2]苏新洲,等.GPS在大型桥梁形变监测中的应用[J].铁道工程学报,2004(3).
[3]樊丽霞.公路桥梁桩基检测与质量分类的思考[J].内蒙古公路与运输,2005(1).
[4]江山平,周军华.钻取芯样法检测桥梁桩身质量[J].中国水运,2007.