車載壓實(shí)度檢測(cè)儀的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、 引言

壓實(shí)度是指壓實(shí)土的干密度與標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)獲得的干密度之比。在公路修筑中，路基、地基層、基層和面層都需要很好的壓實(shí)，以達(dá)到一定的密實(shí)度，提高道路的承載能力，并防止沉陷、水分滲透等。而衡量路基壓實(shí)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)就是路基的壓實(shí)度。通常，壓實(shí)度每提高1％，基礎(chǔ)承載能力就要提高10％。若是瀝青混凝土路面，壓實(shí)度每提高1％，承載能力和壽命可提高10～15％。壓實(shí)工作的重要性顯而易見。

目前施工或檢測(cè)部門一直采用的是傳統(tǒng)的人工抽樣方法來(lái)保證壓實(shí)質(zhì)量，這種方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且還將造成路基的破壞。隨著交通運(yùn)輸量的迅速增大，公路建設(shè)進(jìn)一步發(fā)展，施工部門對(duì)壓實(shí)度的檢測(cè)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的壓實(shí)度測(cè)量方法已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代的施工要求，因此，研制開發(fā)一種快速、無(wú)損、定量的壓實(shí)度檢測(cè)儀器迫在眉睫。

2、 車載壓實(shí)度檢測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)

隨著振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)工作的進(jìn)行，土的密實(shí)度和彈性模量不斷增加，土與壓實(shí)輪之間的相互作用力也不斷增大，所以壓實(shí)輪的加速度幅值也在不斷增大，從而可以通過(guò)檢測(cè)加速度幅值變化間接測(cè)出路基的壓實(shí)狀況。車載壓實(shí)度檢測(cè)儀是一臺(tái)在線實(shí)時(shí)壓實(shí)度檢測(cè)計(jì)。它主要

由以下幾個(gè)部分組成：加速度傳感器、電荷放大器、A／D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、液晶顯示器以及通過(guò)RS-232串行口與車載式壓實(shí)度檢測(cè)儀相連的外部PC機(jī)。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

2.1 單片機(jī)的選型

這里選用Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52單片機(jī)，其CPU采用與MCS-51兼容的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。

AT89S52是一款帶有8 kB可在線編程Flash存儲(chǔ)器的低功耗、高性能8位CMOS微控制器。它采用Atmel的高密非易失存儲(chǔ)制造技術(shù)并與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80C51指令集和引腳結(jié)構(gòu)相兼容。片上的Flash存儲(chǔ)器允許重復(fù)在線編程或通過(guò)傳統(tǒng)的非易失編程器進(jìn)行編程，省去了每次都要拔片燒片之煩。AT89S52還提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8 KB的Flash存儲(chǔ)器、256字節(jié)RAM、32根I／O引線、看門狗定時(shí)器、兩個(gè)數(shù)據(jù)指針、3個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、一個(gè)六向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)、一個(gè)全雙工通訊端口、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。上述這些功能可很好地滿足系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)要求。

2.2 A／D轉(zhuǎn)換器的選擇

ADC0809是8位A／D轉(zhuǎn)換器。對(duì)于振動(dòng)壓路機(jī)來(lái)說(shuō)，其振動(dòng)頻率在30 Hz～50 Hz，根據(jù)采樣定理可知：若連續(xù)信號(hào)xa（t）是有限帶寬，即fa是有界的，則采樣頻率fs＞2fa時(shí)的離散信號(hào)x（n）就確定了xa（t）。其中xa（t）的頻率為fa，x（n）表示采樣間隔為T的xa（t）的離散信號(hào)。參照實(shí)際工程應(yīng)用系統(tǒng)的硬件資源，一般取fs=10fa。本系統(tǒng)振動(dòng)壓路機(jī)的振動(dòng)頻率范圍在30 Hz～50 Hz，所以fa=500 Hz，即采樣周期T=2 ms。而ADC0809完成轉(zhuǎn)換大約需100μs，故能滿足系統(tǒng)的要求。對(duì)于瞬時(shí)值響應(yīng)的A／D轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，所需的轉(zhuǎn)換速率取決于所要求的轉(zhuǎn)換和被轉(zhuǎn)換信號(hào)的頻率。在本系統(tǒng)中僅采集振動(dòng)輪一路加速度信號(hào)，因此ADC0809可完全滿足要求。

2.3 液晶顯示模塊

在FPD（Flat panel display）器件中，LCD以其輕、薄、小、耗電低等優(yōu)點(diǎn)而一枝獨(dú)秀。為L(zhǎng)CD配置驅(qū)動(dòng)電路，可構(gòu)成液晶顯示模塊LCM（Liquid Crys-tal Module）。它的基本組成元件除LCD、驅(qū)動(dòng)電路外，一般還有連接件、背光源等。液晶顯示模塊同系統(tǒng)中的其他電路一樣，具有簡(jiǎn)單的接口，并提供豐富的控制顯示的指令系統(tǒng)，為整機(jī)的開發(fā)節(jié)約了時(shí)間。

由于需要顯示加速度變化曲線，故在此選擇LCD點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊。點(diǎn)陣式LCD的控制與驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜，隨著大規(guī)模集成電路工藝的發(fā)展，現(xiàn)已有驅(qū)動(dòng)電路芯片與控制電路芯片，還有的制作在液晶屏背面的線路板上，使LCD應(yīng)用更方便。這里選用的是成都飛宇達(dá)實(shí)業(yè)有限公司提供的FYD12864-0402B液晶顯示模塊，其與AT89S52的接口電路如圖2所示。

2.4 AT89S52與PC機(jī)串行接口

單片機(jī)輸出為TTL電平，要與RS-232進(jìn)行接口，應(yīng)在單片機(jī)AT89S52與PC機(jī)的接口之間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。一般采用相應(yīng)的TTL電平轉(zhuǎn)換器即可實(shí)現(xiàn)，常用的RS-232電平轉(zhuǎn)換器件為MAXIM公司的MAX232。MAX232的電平轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。其中，MAX232的11引腳和AT89S52的11引腳連接，MAX232的12引腳和AT89S52的10引腳連接，MAX2323的15引腳和AT89S52的20引腳連接。

3、 車載壓實(shí)度檢測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集及發(fā)送程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中AT89S52串口控制器SCON設(shè)置為50H，SM0、SM1分別為0、1，即為串行工作方式1，REN為1，即允許串口接收。另外，還應(yīng)使AT89S52的中斷允許寄存器IE的開放或禁止所有中斷位EA為1，開放或禁止串行通道中斷位ES為1，即允許串行口中斷。AT89S52的并行口P0和P2分別作為8位數(shù)據(jù)的輸入和輸出口。P3口的輸出作為數(shù)據(jù)鎖存器和A／D的禁止和允許。下位機(jī)數(shù)據(jù)采集及發(fā)送程序流程圖如圖4所示。

3.2 液晶顯示程序設(shè)計(jì)

車載壓實(shí)度檢測(cè)儀最終通過(guò)液晶顯示屏顯示加速度變化曲線。FYD12864-0402B內(nèi)置ST7920驅(qū)動(dòng)控制模塊。因此用戶不必為編寫復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)程序頭疼，只需按照接口說(shuō)明正確連接好電路，根據(jù)要求編寫主程序就可以了。液晶顯示程序流程圖如圖5所示。

4 、結(jié)束語(yǔ)

本儀器在實(shí)際工作前，首先要對(duì)振動(dòng)加速度的大小進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)證明，車載式壓實(shí)度檢測(cè)儀具有傳統(tǒng)壓實(shí)度檢測(cè)儀器無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1） 快速性：車載壓實(shí)度檢測(cè)儀可以在線實(shí)時(shí)反映路基的壓實(shí)狀況，而傳統(tǒng)壓實(shí)度檢測(cè)法往往是在采樣之后進(jìn)行人工分析，才能確定出當(dāng)前路面的壓實(shí)狀況，往往造成工期延遲。

（2） 無(wú)破壞性：傳統(tǒng)的壓實(shí)度檢測(cè)法需要挖坑取樣，因此，不可避免對(duì)路

基造成破壞。

（3） 準(zhǔn)確性：傳統(tǒng)的壓實(shí)度檢測(cè)方法僅可以測(cè)得有限點(diǎn)上壓實(shí)度的數(shù)值，且具有很大的隨機(jī)性，不能很好地反映整個(gè)壓實(shí)區(qū)域的壓實(shí)狀況。而車載式壓實(shí)度檢測(cè)法則可以顯示整個(gè)壓實(shí)區(qū)域的壓實(shí)狀況。

（4） 易操作性：傳統(tǒng)的壓實(shí)度檢測(cè)法需要熟練的手工操作，包括挖坑、稱重和測(cè)量含水量等，而車載壓實(shí)度檢測(cè)法則無(wú)須人工取樣。

相信隨著現(xiàn)代化高等級(jí)公路建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和對(duì)路基壓實(shí)質(zhì)量要求的提高，車載式壓實(shí)度檢測(cè)儀一定會(huì)在未來(lái)的公路建設(shè)中得到更加廣泛深入的應(yīng)用。

責(zé)任編輯：gt