基于容柵傳感器和單片機的變形檢測系統

一、 引言

在現代工程中，包括各種橋梁及大型建筑等鋼架結構受到外力之后會在一定程度上產生變形。考慮到安全等各方面的因素，需要對結構變形進行測量，確保其在一定的安全范圍之內。本論文是兆瓦級風力發電機組風輪葉片研究的重要組成部分。

目前，容柵傳感器以其精度高、體積小、造價低、環境適應能力強、實現機電一體化的優點，在工程位移測量領域得到了越來越廣泛的利用，在國內主要通過電子數顯卡尺的形式應用到工程當中。

通過以容柵傳感器和89C52單片機組成的智能檢測系統可以很好進行位移檢測，結合液晶顯示屏和PC機，可以對測量結果進行實時仿真和智能控制。

二、 系統設計

變形檢測系統的結構組成框圖如圖1所示。

圖1 容柵位移檢測系統結構框圖

包括多路位移采集系統、力采集系統、數據存儲、鍵盤及顯示、89C52單片機和PC上位機通訊。

系統CPU采用單片機89C52，具有低功耗、高性能、融8031核與閃速存儲器技術于一體的特點，擴充少量的外圍芯片，即具備顯示、模擬量輸入和輸出、掉電數據保護、串口通訊等功能，即可滿足實際工程的需要。

AD574A是Analog Devices公司生產的12位、逐次逼近型、帶三態緩沖器的快速Ａ/Ｄ轉換器。轉換速度最大為35μs，轉換精度 ≤0.05%，具有低噪聲、低功耗、高精度、高分辨率和高采樣率的優點。

存儲器采用24LC08 芯片，為8K 串行電擦寫E²PROM ，其讀寫速度快，在5V 供電情況下可兼容400 kHz 的信號，并可按頁(page) 讀寫；功耗低，在低電壓2. 5 V 工作下標準電流為1μA；體積小，占用I/ O口少，僅使用DATA 和CL K兩根I/ O 線。這些優點使其相對于一般的ROM 存儲器有較高的性價比。

在檢測系統中，需要單片機與PC機進行數據通信，完成對單片機系統的操作與控制。RS232C是美國電子工業協會（EIA）正式公布的串行總線標準，提供了單片機與單片機、單片機與ＰＣ機之間串行數據通信的標準接口，是目前最常用的串行接口標準。

由于RS232C規定的邏輯電平與單片機的邏輯電平是不一致的。在本系統中，采用串口中斷，利用專用電平轉換芯片MAX232把微處理器的信號電平（TTL電平）轉換為RS232C電平。PC數據發送是通過TXD口經過MAX232連接到單片機的RXD端，而接收數據是由RXD經過MAX232連接到單片機的TXD口上實現的。

PC機采用VB編程，VB提供了強大功能的通信控件MSCOMM，該控件可設置串行通信的數據發送和接收，對串口狀態及串口通信的信息格式和協議進行設置。為了充分利用高級語言的特點，在PC機中增加人機友好界面，由個人來檢測和控制運行。

三、 容柵數顯卡尺數據采集

變形檢測系統是多路位移采集系統，共包括16路容柵傳感器，可以對被測對象的不同位置進行測量。系統采用4514譯碼芯片，通過P1.4-P1.7口，對16路傳感器進行選通。

容柵數顯百分尺是一種新型位移傳感器，提供的接口有4條信號線，包括電源線（+1.55V）、地線、時鐘控制線CLK、串行數據輸出線Data。接口信號不是標準的TTL信號，其信號‘1’為1.5V左右，其信號‘0’為0V左右。因此，必須進行電平轉換，隨后再經過反向器整形，送到相應芯片接口。

容柵數顯卡尺采用串行數據采集，其中數據線波形見圖2所示。在最快20ms的周期內，包括一個下述數據采集周期。每個周期輸出兩組數據，其中第一組為絕對值，第二組為相對值，在本系統中我們采用第二組數值。每組數值包括24個二進制位，其中前13位為整數位，后11位為小數位，換算后的數據單位為0.1inch。

圖2 容柵數據信號時序

采用89C52單片機以及12MHz系統時鐘，單指令周期在為1us，而傳感器每位采集時間為11us，故采用匯編語言進行采集，確保數據的正確性。

軟件設計的關鍵在于確定數據采集的起始條件，容柵傳感器輸出的快速周期為20ms，慢速周期為250ms，因此起始條件就是大于一個時鐘周期并且小于20ms的連續時鐘低電平以及接在上述低電平之后的44us的連續高電平。

READ: MOV A, TMOD

ANL A, #0F0H

ORL A, #01H

MOV TMOD, A

MOV TH0, #0FCH

MOV TL0, #66H

CLR TF0

SETB TR0

PG1: JB TF0, PG7

CLR A

MOV R1, #08H

PG2: MOV C, P1.2

RLC A

DJNZ R1, PG2

JNZ PG1

MOV R1, #00H

PG3: MOV TH0, #00H

MOV TL0, #00H

CLR TF0

SETB TR0

PG4: JB TF0, PG6

CLR A

MOV R2, #04H

PG5: MOV C, P1.2

RLC A

DJNZ R2, PG5

CJNE A, #0FH, PG4

AJMP DATAIN

PG6: INC R1

CJNE R1, #05H, PG3

PG7: LJMP QUIT

DATAIN: MOV R0, # read_data

MOV R2, #06H

TIME: JB P1.2, TIME

DATA1: MOV R1, #08H

MOV A, #01H

MOV @R0, A

CLR TR0

QUIT: RET

TIME1: JNB P1.2, TIME1

MOV C, P1.3

RRC A

TIME2: JB P1.2, TIME2

DJNZ R1, TIME1

MOV @R0, A

INC R0

DJNZ R2, DATA1

MOV A, #01H

MOV @R0, A

CLR TR0

QUIT: RET

圖3 容柵數據采集程序流程圖

四、 結束語

綜上所述，由于容柵數顯卡尺、AD574A和單片機89C52的使用，該系統具有實時測試位移和受力情況的功能，并通過串口及時傳輸測試結果到上位計算機并進行仿真。該測試系統測量精度高，功能全面，并且已經應用于各種橋梁的平整度測量和變形測量上，效果明顯，今后將逐步擴展該系統的進一步深入使用。

本文作者創新點：運用高精度的容柵傳感器，采用多路采集技術，并結合液晶顯示技術、計算機控制與模擬，運用匯編程序讀取容柵數據，保證了采集的可靠性。此研究解決了風力發電機葉片的測試問題，也運用到道路和橋梁的工程變形檢測當中，已得到了實際應用。

參考文獻

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