基于振弦式传感器的压力测试

《传感器原理及应用》创新性应用课题研究报告题目：基于振弦式传感器的压力测试学院：自动化工程学院年级专业：2012级电子信息科学与技术姓名：杨晨灿王怀祥林晟玉连智华任课教师：迟宗涛2015年12月20日【中文摘要】在大型土木工程的安全监测中,压力作为一个重要的参数,其检测方法一直备受重视。通过对各种结构所受压力的实时检测,对于保障其健康、降低事故发生率有重要的意义。由于振弦传感器具有输出信号稳定、易检测等诸多优点,本文选用振弦式传感器,设计了一套电路结构简单、可靠性好、测量精度较高的压力检测系统。本文首先对常用的压力传感器进行了比较,阐述了选用振弦传感器的依据,分析了传感器的结构和工作原理,总结了振弦传感器压力检测中影响测量精度的主要因素,并提出了相应的解决措施。重点对传感器的激振方式进行了研究和优化,采用了反馈式的激振新方法,设计了合理的信号处理电路。本系统采用分布式采集方式,由数据采集系统、传感器组成,每一个数据采集系统可挂接多路传感器,能实现多点检测,选用了真正能独立工作的片上系统C8051F340单片机为处理器,设计了激振电路、测频电路、显示电路、串口通信接口等硬件电路。同时,本文也设计了完整的下位机软件,使硬件能正常的实现其检测功能。软件设计采用模块化的编程思想,C语言编写,结构清晰,容易移植,方便维护和升级。最后,针对电子电路系统中存在的干扰问题,在系统的硬件和软件上均进行了抗干扰设计,保证系统能正常地运行。通过一个多月的调试,本系统各个部分能正常的工作,测试结果表明,其测量精度有一定提高,运行较为稳定。此系统体积小,成本低,接口通用,适用于大多数振弦传感器,具有一定的工程应用价值。

振弦式传感器由于具有寿命长、稳定性好、精度高及信号便于检测等优点,一直受到业界的关注,并广泛应用于煤矿[1]、大坝[2]和路桥[3]等场合进行压力测量。振弦式传感器容易受温度等因素的影响,所以,近来系统设计者采取措施在温度方面对系统进行补偿[4],但是很少有人提到在电路系统中对其他方面进行优化设计。根据实际需要,笔者在系统设计过程中综合考虑了所有影响测量精度的因素,实现了对压力的高精度测量。应用振弦式传感器并基于脉冲计数法进行压力测量可达测量精度受脉冲计数精度、电路噪声及温度补偿等多重因素影响。介绍了一种成熟的设计方案,通过采用优化的扫频激励方式、合理的脉冲计数方法、低噪声信号调理电路设计和有效的温度补偿等途径,获得了较高精度的压力测量值,是脉冲计数法测压场合的较好选择。【关键词】振弦式传感器

压力检测

数据采集

C8051F340【英文摘要】In

the

security

monitoring

of

large

civil

engineering,

As

an

important

parameter,

the

methods

of

pressure

measurement

have

always

been

paid

great

attention.

It

has

an

important

significance

for

protecting

their

health

and

reducing

the

accident

rate,

through

monitoring

the

pressure

of

various

structures

on

real-time.

Because

of

the

advantages

of

vibrating

wire

sensors

such

as

output

signal

stability,

easy

to

detect

and

so

on,

a

pressure

measurement

system

was

designed

which

has

a

simple

hardware

structure

with

good

reliability

and

high

accuracy

by

vibrating

wire

sensor

in

this

paper.Firstly,

the

paper

compare

with

common

used

pressure

sensors,

explain

the

basis

of

selecting

the

vibrating

wire

sensor,

analyze

its

structure

and

working

principle,

summarize

the

foremost

factors

that

influence

the

measuring

accuracy

of

vibrating

wire

sensors,

propose

some

corresponding

improved

methods.The

exciting

methods

of

vibrating

wire

sensor

are

studied

and

optimized

mainly,

a

new

exciting

method

based

on

feedback

is

used

and

a

rational

signal

processing

circuit

is

designed

in

the

paper.

The

system

is

a

distributed

data

acquisition

system,

which

consists

of

data

acquisition

system

and

sensors.

Every

data

acquisition

system

could

mount

many

sensors

and

achievemulti-point

detecting.

Choose

system

on

a

chip

C8051F340

that

real

work

independently

as

MCU,

design

a

vibrating

wire

sensor

excitation

circuit,

a

frequency

measurement

circuit,

a

display

circuit,serial

communication

interface

circuits

and

so

on.

At

the

same

time,

also

design

complete

lower

computer

software

that

enable

the

hardware

to

achieve

its

normal

function.

The

software

is

programmed

in

C

language

that

has

clear

structure

and

is

easy

to

transplant,

maintain

and

upgrade

with

modular

programming

idea.

At

last,

anti-jamming

designs

of

hardware

and

software

is

made

in

the

system

to

ensure

it

works

properly

for

interference

problems

that

exist

in

the

electronic

circuit

system.After

more

than

a

month

debugging,

all

parts

of

this

system

work

properly.

The

experiment

results

indicate

that

the

system

has

very

good

measurement

accuracy

and

a

stable

and

reliable

performance.

The

characteristic

of

this

system

are

small

cubage,

low

cost,

general

interface

and

used

by

almost

vibrating

wire

sensors,

which

has

some

value

in

engineering.

Whenusingpulsecountingmethod,theprecisionofpressuremeasuringwithvibratingwiresensorisinfluencedbytheprecisionofpulsecounter,circuitnoise,temperaturecompensation,etc.Thispaperintroducesamatureschemeofpressuremeasuringwithvibratingwiresensor.Ahighpressuremeasuringprecisionisobtainedbyusingmethodslikeoptimizedfrequencyscanning,reasonablepulsecounting,lownoisesignalprocessingcircuitdesigningandeffectivetemperaturecompensation,etc.Itprovestobeapreferableselectioninpressuremeasuringwithpulsecountingmethod.【英文关键词】vibrating

wire

sensor

pressure

measurement

data

acquisition

C8051F3401绪论1TOC\o"1-3"\h\u88661.1

课题研究目的和意义

第三部分是软件设计，基于已设计的硬件原理图为实现系统的功能设计软件程序框图和阐述程序设计过程。第四部分是系统调试，对上述硬件设计和软件设计进行系统联调，判断是否满足系统设计要求。第五部分是结论，基于上述部分对本文进行最终的结论，并提出存在的不足和需要改进的方面。课题的意义：基于振弦式传感器的压力测试仪的控制中心是单片机。本课题数据采集与处理模块采用STC12C5A60S2/AD/PWM

系列单片机。是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，具有高速，低功耗，超强抗干扰的特点。由该单片机控制无线通信模块和GPRS模块,并负责数据的实时处理,自动存储、显示以及与远程单元的通信。本系统无线通信模块运用的无线传输方式是射频方式，选用的是24L01模块。射频技术具有功率小，易开发，可靠性强等特点，且传输过程中流量较小，适于小型无线网络。在工业和民用领域使用范围较广，因此最适合应用于本次课题。GPRS通信技术进行数据的远距离传输，具有较高的测量精度和极高的抗干扰能力。只要有GPRS网络的地方，管理人员便可随时随地了解和控制系统运行状态，实时性较好，保密性强，使人从繁重的人工值守中解放出来，大大提高了生产力，降低了组网和劳动力成本。本课题GPRS

模块采用了SIMCOM

公司的SIM300。该模块体积小巧，性能突出，可广泛应用于无线语音传输、车载系统、远程抄表、安全监控、遥控遥测、手持设备等领域。本课题的上位机模块选用的是VB语言编程。VB是在Window环境下运行的、支持可视化编程、面向对象的采用事物驱动的结构化程序设计语言，也是进行应用系统开发最简单易学的程序设计工具。从任何标准来说，VB都是世界上使用人最多的语言，因此选用VB语言符合本课题的要求。2系统总体设计及工作原理本系统以STC12C5A60S2单片机为控制核心，振弦式传感器为测量设备，利用无线通信模块将测得的频率数据发送与接收，在单片机内部进行处理并转换得压力。该频率信号通过运用AT指令的GPRS网络传输到上位机，并在上位机显示与自动存储，实现了基于UDP传输协议的数据传输，完成了工程的短距离监测。2.1

系统主要功能

本文的主要任务是设计一个基于振弦式传感器的压力测试系统，使其可以通过GPRS通信技术远程传输数据，并可以通过上位机进行显示和远程监控。本系统需要的功能及技术指标综述如下：

（1）实现基于振弦式传感器的数据采集与检测；

（2）实现基于nRF24L01的短距离无线数据传输，实现数据汇总；

（3）监测人员可以随时随地通过短信查询任意节点的频率值；

（4）实现基于单片机控制的GPRS模块的GPRS通信技术进行的UDP数据传输，并能在PC机上进行压力和频率信号的数据显示、数据图形化等功能；

（5）频率的检测要满足误差小于2%的要求，压力的测量误差要满足小于3%的要求，压力测量范围由所选传感器决定。2.2系统总体结构框图图1系统总结构框图2.3

总结点框图总结点框图如下图所示，围绕单片机展开，连接振弦式传感器，无线通讯24L01接收模块，GPRS模块，程序接口端口及一些数据线。图2

系统总节点框图2.4

无线通信技术本课题设计的无线数据采集模块需要具有如下特点：

1、由采集节点和接收节点组成，采集节点主要功能是数据采集，并将采集到的数据发送给接收节点，接收节点主要是接收各个采集节点发送的数据，对数据进行初步处理，之后，将数据传输到上位机，由上位机进行进一步整理、检测、计算和储存。2、本模块针对数据采集的频率适中的情况，传输速度适中。3、数据采集现场可能存在各种干扰因素，因此需要在硬件和软件上采取相应措施来提高系统的抗干扰能力，以保证数据传输的可靠性。4、模块需要具有体积小，成本低，开发周期短的特点。5、本模块的接收节点通过GPRS模块与上位机相连。GPRS网络以封包形式传输数据，不受地域限制，传输速率快，收费合理，目前已经被广泛的应用于检测系统。2.4.1采集节点框图

采集节点的主要结构如图所示，主要是由微处理器，传感器，nRF24L01，USB-TTL接口和天线组成。采集节点负责将采集到的数据交由nRF24L01发射。如图3所示:图3

采集节点框图2.4.2

接收节点框图

接收节点的主要结构如图所示，主要是由微处理器，

nRF2401，GPRS模块，USB-TTL接口和天线组成，其中GPRS模块可以将接收的数据通过GPRS网络传送到上位机，进行检测和处理。如图4所示：

图4接收节点框图

2.5

GSM移动通信网络

GSM的原名为Group

Special

Mobile（移动专门小组）。1988年，欧洲将GSM定义为“全球移动通信系统”（Global

system

for

Mobile

Communication），中文名为全球移动通信系统，俗称“全球通”。通常把早期的模拟移动通信系统称为第一代（1G）移动通信系统，而GSM被称为第二代（2G）数字蜂窝移动通信系统。GSM网络具有网络能力强，覆盖地域广，通信距离远，通信质量好，抗干扰能力强，系统建设成本低并能提供多种不同的业务的特点。

GSM系统主要由移动台/移动用户（MS）、无线基站子系统（BSS）、交换网络子系统（SS）及操作维护子系统（OMC）四大部分组成。移动台/移动用户（MS）是用户设备，通常包括便携式和车载式。无线基站子系统（BSS）是在一定的无线覆盖区中由MSC控制与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。交换网络子系统主要完成交换功能和用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。操作维护子系统主要是对整个GSM网络进行管理和监控。操作与维护管理的目的是使网络运营商能够监控整个网络，把需要监控的内容传送到网络管理中心，以供监测人员分析。GSM系统结构图如图5所示：图5GSM系统结构图MS:移动台BSS:基站子系统BTS:基站收发BSC:基站控制器台SC:短信息业务中心SS:交换网络子系统

EIR:移动设备识别寄存器HLR:归属位置寄存器VLR:来访位置寄存器AUC:鉴权中心MSC:移动业务交换中心OMC:操作维护中心PSTN:公用电话网PLMN:公共陆地移动网络

ISDN:综合业务数字网PSPND:分组交换公用数据网2.6

GPRS技术

GPRS(General

Packet

Radio

Service，通用分组无线业务)是在现有的GSM移动通信系统基础上发展起来的一种移动分组数据业务，是GSM网络向第三代移动通信演进的第一步，这一步有两点重要意义：一是在GSM网络中引入分组交换能力，二是将速率提高到100kbit/s以上。

GPRS是在GSM系统基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统，它采用分组交换技术，能兼容GSM网络并在网络上更加有效的传输高速数据和信令。系统原理图如图6所示:图6GPRS系统原理图GPRS采用与GSM相同的频段、相同的频带宽度、相同的突发结构、相同的无线调制标准、相同的跳频规则以及相同的TDMA帧结构。因比在GSM基础上构建GPRS系统时GSM系统中的绝大部分部件都不需要做硬件改动，只需作软件升级。

构建GPRS系统的方法是：

（1）在GSM系统中引入三个主要组件，这三个主要组件是SGSN(GPRS业务支持节点)、GGSN(GPRS网关支持节点)和PCU(分组控制单元)，SGSN和GGSN又合称为GSN(GPRS支持节点)；

（2）对GSM系统中的相关部件进行软件升级。

2.7

AT指令简介

AT即Attention，AT指令集是从终端设备(Terminal

Equipment，TE)或数据终端设备(Data

Terminal

Equipment，DTE)向终端适配器(Terminal

Adapter，TA)或数据电路终端设备(Data

Circuit

Terminal

Equipment，DCE)发送的。通过TA、TE发送AT指令来控制移动台(Mobile

Station，MS)的功能，与GPRS网络业务进行交互。用户可以通过AT指令进行呼叫、短信、电话本、GPRS数据业务、补充业务、传真等方面的控制。

其对所传输的数据包大小有定义：即对于AT指令的发送，除AT两个字符外，最

多可以接收1056个字符的长度（包括最后的空字符）每个AT命令行中只能包含一条AT指令；对于由终端设备主动向PC端报告的URC指示或者response响应，也要求一行最多有一个，不允许上报的一行中有多条指示或者响应。AT指令以回车作为结尾，响应或上报以回车换行为结尾。2.8振弦传感器原理钢弦式传感器是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。钢弦式传感器具有结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强、测值可靠、精度与分辨力高和稳定性好等优点；其输出为频率信号，便于远距离传输，可以直接与微机接口，广泛应用于岩土工程测试中。钢弦式传感器的一般工作原理是：钢弦放置在磁场中，用一定方式对钢弦加以激振后，钢弦将会发生共振，共振的弦线在磁场中作切割磁力线运动，因此，可在拾振线圈中感应出电势u，感应电势的频率就是振弦的共振频率。由力学原理可知，钢弦的共振频率与弦线所承受的张力或拉力与传感器所承受的压力或位移成线性关系，因此测得刚弦的共振频率即可求出待测物理量(压力或位移)。这类传感器有两种形式：一种是双线圈，一只是激振线圈，激振振弦让弦振动起来，另一只是拾振线圈，它是能把振弦的机械振动转为同频率的感应电动势的装置；另一种是单线圈，这种传感器激振线圈和拾振线圈为同一个线圈，激振和拾振分时进行，先激振，后拾振。单线圈振弦式传感器使用中主要解决两个问题：第一，激振方法，即用什么方法使振弦振起来；第二，拾振方法，包括拾振线圈中的微弱电动势的拾取得到电动势的频率和频率量测量两部分；如果要使单线圈振弦式传感器被激励(振动)起来，测量电路需要间断地馈送电流给传感器的激振线圈。在土木工程现场测试中，常利用钢弦式应变计或压力盒作为量测元件，其基本原理是由钢弦内应力的变化转变为钢弦振动频率的变化。根据《数学物理方程》中有关弦的振动的微分万程可推导出钢弦应力与振功频率的如下关系：

式中：f——钢弦振动频率；

L——钢弦长度；

ρ——钢弦的密度；

σ——钢弦所受的张拉应力。

振弦式传感器的工作原理及其特点

振弦式传感器是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。由于振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号，因此，具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点。与工程、科研中普遍应用的电阻应变计相比，有着突出的优越性：(1)振弦传感器有着独特的机械结构形式并以振弦频率的变化量来表征受力的大小，因此具有长期零点稳定的性能，这是电阻应变计所无法比拟的。在长期、静态测试传感器的选择中，振弦传感器已成为取代电阻应变计、而广泛应用于工程、科研的长期原观的测试手段。

(2)随着电子、微机技术的发展，从实现测试微机化、智能化的先进测试要求来看，由于振弦传感器能直接以频率信号输出，因此，较电阻应变计模拟量输出能更为简单方便地进行数据采集、传输、处理和存储，实现高精度的自动测试。为此，振弦传感器得到了迅速的发展和应用。在国外，德国的MAlHAK、法国的TELEMAL、美国的SINCO和FOXBORO、英国的SCHLUBERGER及挪威等多家公司，都有振弦传感器的系列产品。国内从60年代起，先后研制开发了适合各种测试目的的多种振弦传感器的系列产品，如振弦式压力计、土压力计、空隙水压力计、应变计、测力(应力)计、钢筋计、扭力计、位移计、反力计、吊重负荷计、倾斜计等等。它们广泛应用于港口工程、土木建筑、道路桥梁、矿山冶金、机械船舶、水库大坝、地基基础等测试，已成为工程、科研中一种不可缺少的测试手段，显示出了其广阔应用和发展的前景。

2.8.1工作原理

振弦式传感器由受力弹性形变外壳(或膜片)、钢弦、紧固夹头、激振和接收线圈等组成。钢弦自振频率与张紧力的大小有关，在振弦几何尺寸确定之后，振弦振动频率的变化量，即可表征受力的大小。现以双线圈连续等幅振动的激振方式，来表述振弦式传感器的工作原理。工作时开启电源，线圈带电激励钢弦振动，钢弦振动后在磁场中切割磁力线，所产生的感应电势由接收线圈送入放大器放大输出，同时将输出信号的一部分反馈到激励线圈，保持钢弦的振动，这样不断地反馈循环，加上电路的稳幅措施，使钢弦达到电路所保持的等幅、连续的振动，然后输出的与钢弦张力有关的频率信号。振弦这种等幅连续振动的工作状态，符合柔软无阻尼微振动的条件

2.8.2振弦的激振方式

振弦式传感器的振弦是钢弦，通过激振产生振动。振弦激振的方式分为间歇触发激振和等连续激振。

(1)问歇触发激振目前，单线圈形式的振弦传感器，均采用间歇触发的激振方式。由张驰振荡器产生激振脉冲，当脉冲信号发出，则吸动继电器，通过常开触头，将触发电压加于振弦传感器的激振线圈上，产生电磁力，吸动钢弦；当脉冲终止时，继电器释放，松开钢弦，从而产生自由振动并切割磁力线，在激振线圈中产生感应电势，通过继电器常闭触头输入测试仪器，测得钢弦的振动频率。

(2)等幅连续激振采用这种激振方式的振弦传感器具有激励和接收两组带磁钢的电磁线圈，与放大电路、反馈和稳幅电路组成等幅的振荡器。在开启电源时激励钢弦，钢弦切割磁力线而在接收线圈中产生感应电势，将其输出放大，并反馈到激励线圈补足能量，不断循环。在稳幅电路限制的反馈量下，达到等幅连续振荡的激振方式，萁振动频率即为钢弦的自振频率。两种技术的构成不同，带来一些性能上的差异。一般而言，“拨振”单线圈方式由于在传感器内的电子部件降低到最低限度，传感器的可靠性及耐恶劣环境性都更好一些；同时，由于只采用一个线圈，传感器的体积可以做得很小(而自动谐振式传感器需要更长的钢弦以便容纳两个线圈)；此外，由于单线圈振弦仪器只需两芯电缆，总体费用也更便宜。而“自动谐振”-双线圈方式的优点是可通过高速计数技术或把频率转换成电压方式在一定范围可进行动态应变测量(通常动态信号输人频率限制在大约1OOHz内，这主要取决于传感器的谐振频率)。自动谐振”技术的另一优点是可以使用通用的频率计和数据记录仪即可读取其它制造商的自动谐振传感器的数据。

2.8.3振弦式传感器的特性

(1)振弦式传感器的特性曲线是非线性的，测试的量值需用查对率定曲线的办法进行判定，是相当麻烦的。因此，必须进行线性回归，作线性化处理。在选择了较佳的传感器工作频段时，从实测数据对比，其线性误差可小于2‰，能较为简便地适应自测试分析，也能保证较高的测试精度。

(2)灵敏度

要提高灵敏度最有效的办法是缩短弦长，同时在保证振弦能稳定起振的情况下，钢弦应力尽可能小些。此外，采用细弦，减小抗弯刚度，也可以提高灵敏度。但振弦应满足柔软无阻尼振动运动微分方程，故钢弦不能过短，弦长与直径之比应大于200，—般在300-400之间为宜。

温度影响由于传感器零件的金属材料膨胀系数的不同，造成了温度误差。为减小这一误差，在零件材料选择上，除尽量考虑达到传感器机械结构自身的热平衡外，并从结构设计和装配技术上不断调整零件的几何尺寸和相对固定位置，以取得最佳的温度补偿结果。实践结果表明，传感器在-10

-55℃使用温度范围内时，温度附加误差仅有1.5Hz／lO℃。

(4)稳定性

振弦式传感器是机械结构式的，它不受电流、电压、绝缘等电参数的影响，因此，零点稳定。这是这类传感器的突出优点。但若材料选择处理不当，由于残余应力、蠕变等因素，会严重影响传感器的稳定性。为了提高振弦式传感器的长期稳定性，必须严格选择材料、工艺处理、加工方法并进行时效处理，才能保证其良好的稳定性。

(5)滞后性

由于振弦式传感器是机械结构式的，以钢弦为转换元件，存在滞后的特性，因此，只能适用于静态和不大于1

0Hz的准动态测试。

2.8.4振弦传感器的主要技术指标

1)指标

(1)回差：士0．5％(20士5℃

)

(2)重复差：士O．5％(20士

5℃

)

(3)稳定误差：士1．O％(4)使用温度范围：-10～+

55℃

(5)温度附加误差：士O．25％／l

0℃

(1.5Hz／

10℃

)

(6)灵敏度：士O.10％(7)能抗与奥斯特外磁场干扰

(8)能抗颠振2.8.5

材料选择与工艺处理振弦传感器的材料选择与工艺处理直接影响传感器的精度、灵敏度和稳定性，因此，必须进行认真的选配和严格的工艺处理。

1)

材料选择的原则

(1)在常温下材料的线膨胀系数尽量接近或相同；(2)选用弹性模量低、弹性极限高的材料，通过工艺处理，能保证在最大载荷下，材料弹性变形在材料变形极限的l／3～1／2以下；

(3)弹性元件的抗蠕变能力好；

(4)弹性元件的残余应力小；(5)材料成本低、性能稳定、工艺处理简便；(6)选用材料经处理后，其机械性能应尽可能接近被测材料。2)

工艺处理要求

在弹性模量基本相同的情况下，尽量提高材料的回弹模量，以保证最大载荷时材料的弹性变形为材料弹性极限的三分之一左右。对各零件材料的抗蠕变能力及残余应力、加工应力应变等都进行了较合理的工艺处理。同时通过各种试验，确定了合理的结构，选择了最佳频段，使传感器性能稳定，取得了良好效果。综合技术性能比较理想，选到了技术要求和设计目的。

工艺处理要点：(1)材料的调质热处理使材料晶粒改变，内部结构均匀，强度增高，尺寸稳定，提高抗蠕变能力并消除内应力；(2)控制加工进刀量，减小加工应力；(3)加工完成的传感器零件，进行中温回火处理，以消除加工应力；(4)传感器零件进行冷冻处理，使材料组织内少量残余奥氏体几乎全部变为稳定的马氏体组。以提高稳定性；(5)传感器装配前形变弹性体应超载张拉；(6)传感器总装完成后，应进行反复加、卸载试验；(7)严格防水密措施、防震措施；(8)在烘箱内进行长时间加速时效处理。

2.8.6振弦式传感器的测量系统

振弦式传感器通过激振电路激振后，输出的频率信号可采用各种频率仪、数字频率仪，进行测频或周期的测试。也可通过频率电压转换器或接口转换，输送给打印机、函数记录仪、光线示波器、微机等进行数据处理、记录存储。无阻尼振动振幅不变的简谐振动叫作无阻尼振动。简谐振动的物体在客服外界阻力做功不断消耗能量的情况下，振幅会越来越小，甚至完全停下来。这种振幅越来越小的振动叫作阻尼振动。如果对这个振动系统不断补充损耗的能量，使振动的振幅保持不变，这种振幅不变的振动叫作无阻尼振动。做无阻尼振动时，振动物体不断受到周期性变化的外力的作用。这种周期性变化的外力叫作驱动力，在驱动力作用下物体的振动叫作受迫振动。3系统的硬件设计硬件设计主要是单片机的选择、单片机外围电路设计、电源模块设计、液晶显示模块设计、无线收发电路设计、和GPRS模块设计。3.1

单片机的选择

1、传统51：传统51适合初学者，容易上手，价格一般（从性价比方面说）。

缺点：解密容易，一般功能也有，但A/D、EEPROM等功能要靠扩展，增加硬件和软件负担。

2、PIC：PIC的好处就是各个型号的兼容性强。12系列，16系列，18系列也是充分的向下兼容。功能全，型号多，适于选型分析，抗干扰能力强。缺点：解密容易，单片机价格贵（从性价比方面说）。

3、avr

mega：avr

mega价格较便宜（从性价比方面说），硬件结构适合C语言编程，功能齐全，不容易解密。抗干扰能力强。型号之间兼容性一般。缺点：功能寄存器多，不适合初学者。

STC12C5A60S2：STC价格便宜，性价比高，功能多，抗干扰能力最强，EEPROM大，串口编程很方便，又增加了许多功能。缺点：STC功耗偏高，做低功耗不太合适。一般用于研发用的比较多。所以本文选择STC12C5A60S2单片机。STC12C5A60S2是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有

8K

在系统可编程Flash

存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8

位CPU

和在系统可编程Flash，使得STC成为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32

位I/O

口线，看门狗定时器，内置4KB

EEPROM，MAX810复位电路，三个16

位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外STC12C5A60S2

可降至0Hz

静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU

停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz。STC12C5A60S2单片机如图7所示:图7

STC12C5A60S2单片机图8

系统框图3.2

单片机外围电路设计3.2.1

时钟电路单片机各功能部件的运行都是以时钟信号为基准，所以时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响了单片机系统的稳定性。时钟可以由内部方式产生和外部方式产生两种。如果外部时钟频率在33MHZ以上，直接用外部有源晶振；如果使用内部RC振荡器时钟，XTAL1和XTAL2脚浮空；如果外部时钟频率在27MHZ以上时，使用标称频率就是基本频率的晶体，或直接使用外部有源晶振，时钟从XTAL1脚输入，XTAL2脚必须浮空。本文采用内部方式的时钟电路来为单片机提供振荡电路。内部方式的时钟电路如图9

所示。STC单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。电容值在5~30PF之间选择，电容的大小会影响晶体振荡器频率的高低、稳定性和起振的快速性。晶体振荡频率可以在1.2~12MHz之间选择，晶振的频率越高，系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。本文选用晶振为11.0592MHZ。图9

内部方式时钟电路外部方式的时钟电路如图10所示。外部方式的时钟电路使用了外部振荡器产生脉冲信号，常用于多单片机同时工作，以便于多单片机之间同步。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。图10外部方式时钟电路3.2.2

复位电路

上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图11所示。只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。图12是常用的上电复位电路，这种上电复位利用电容器充电来实现。当加电时，电容C充电，电路有电流流过，构成回路，在电阻R上产生压降，RESET引脚为高电平；当电容C充满电后，电路相当于断开，RESET的电位与地相同，复位结束。图11上电自动复位按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，它的上电复位功能与图11相同，但他还可以通过按键实现复位，按下键后，通过R1和R2形成回路，使RESET端产生高电平。按键的时间决定了复位的时间，其电路如图12所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图13所示。在上述简单的复位电路中，干扰易串入复位端，在大多数情况下不会造成单片机的错误复位，但会引起内部某些寄存器错误复位。这时，可在RESET复位引脚上接一个去耦电容。图12

按键电平复位图13

按键脉冲复位STC单片机中集成了硬件复位电路，所以本文采用按键电平复位，如图14所示。电源上电时，C4充电，在R8电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C4充满，R8电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下S5，C4放电。S5松手，C4又充电，在R8电阻上出现电压，使得单片机复位。几个毫秒后，单片机进入工作状态。图14

按键电平复位3.2.3

串口电路

串口是系统与外界联系的重要手段，具有连接线少，通讯简单等特点。在系统开发和应用中，经常需要使用上位机实现系统调试及现场数据的采集和控制。一般都是通过上位机本身配置的串口运用串行通信技术和系统进行连接通信。

串口按电气标准及协议来分，包括RS-232-C，RS422，RS485等。RS-422由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器而比RS-232-C的驱动能力更强，所以允许在相

同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备（Slave），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主设备（Master），其余为从设备（Slave），但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。RS-232-C采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。由于其发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS-232-C是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3~7kΩ。所以RS-232-C适合本地设备之间的通信。而RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。对于本设计研发而用，选择目前最常用的一种串行接口RS-232-C已经基本能满足设计需要。所以本文采用9针RS-232-C标准的串行接口(DB9)进行数据通信。

RS-232-C是异步串行通信中应用最广的标准总线，它是美国EIA(电子工业联合会)与BELL等公司一起开发和公布的通信协议。RS-232-C标准采用的是负逻辑，规定+3V~+15V之间的任意电平为逻辑“O”，-3V~-15V之间任意电平为逻辑“1”，其逻辑电平（即232电平）与TTL电平相差较大，不能兼容。且电脑的串口是232电平的，只有是232电平通过串口才能与电脑正常通信。因此为了实现与TTL电路和电脑连接，必须进行电平转换将TTL电平转换成232电平。所以本文采用MAX232芯片作为电平转换接口芯片。

MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的5V电压变成RS-232-C输出电平所需+12V和-12V两个电压，仅需5V电源便可工作。一个MAX232芯片可连接两对收发线。接口电路设计时，采用3线制(RXD、TXD、GND)方式，即只对“发送数据线(TXD)”、“接收数据线(RXD)”和“地线(GND)”进行连接，其它信号线均不用，但不是不需要的。这样既可以实现预定的目标，又可以简化电路设计，节约了成本。本文设计的串口原理图如图15所示:图15

串口电路3.3

电源模块设计

STC12C5A60S2单片机的实际工作电压为3.5~5.5V，nRF24L01无线射频收发芯片的实际工作电压为1.9~3.6V，MAX232串口电路的实际工作电压为+5V±10%，SIM300实际工作电压为4V。所以本文采用的电压大约为5V，选用LM317稳压块来对电源进行调理，形成稳压电源。

LM317系列集成稳压电路(国产型号为CW317)，输出电压可调范围为1.25~37V，输出电流为0.05~1.5A，工作温度可分为-55℃~+150℃、-25℃~+125℃、0℃~+125℃三类，电压调整率的典型值为0.01%/V，负载调整率的典型值为0.1%。其内部含有过流、过热和调整管安全工作区保护电路，具有安全可靠、应用方便等优良性能。图16电源模块电源电路中使用了FUSE-500mA。保险丝也被称为熔断器，IEC127标准将它定义为“熔断体（fuse-link)”。它是一种安装在电路中，保证电路安全运行的电器元件。

保险丝的作用是：防止人身的伤害，防止着火或设备损坏。若电路中正确地安置了保险丝，那么，保险丝就会在电流异常升到一定的高度和一定的时间，自身熔断，切断电流，从而起到保护电路安全的作用。3.4

液晶显示模块设计

本次设计我们采用LCD1602液晶显示屏。1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。相比于其他液晶显示屏，它具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等优点。

LCD1602采用标准的16脚接口，其中:

第1脚：VSS为地电源第2脚：VDD接5V正电源第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。

第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。第15～16脚：空脚1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。图17

LCD1602显示屏3.5

无线通信电路设计

目前市场上具有代表性的无线收发芯片主要有Nordic公司的nRF系列、TI公司的CC系列与RFM公司的TR系列等，这些芯片在不同的传感器网络节点中都得到了应用。其中由挪威Nordic公司推出的一款2.4GHz低成本的无线收发芯片nRF24L01近年来得到了广泛应用，其最大空中数据传输速率达到2Mbps，有125个频道。内置硬件CRC(循环冗余校验)和点对多点通信地址控制，集成了频率合成器、晶体振荡器和调制解调器，外围元件极少。嵌入的链路层控制降低了单片机程序的复杂性和成本，并且提高了数据传输的可靠性。nRF24L01没有复杂的通信协议，完全对用户透明，通过一个标准的USB-TTL接口与外围控制器连接，同种产品之间可以自由通信。所以本文选择nRF24L01来设计通信模块电路。

图18

无线通信模块电路的设计图

图18为无线通信模块电路的设计图。5号引脚是nRF24L01接收和发送模式的使能端，使芯片工作在接收或发送模式，与单片机的P0.0相连。

1、2号引脚和3、7、9、13、15号引脚是nRF2401的电源引脚和地引脚，分别与通信模块的电源和地相连。6引脚与单片机的P0.5口相连。DR1引脚与单片机的P0.4口相连。CLK1引号脚与单片机的P0.3口相连。DATA引脚与单片机的P0.2口相连。11引脚与单片机的P0.1口相连。3.6

GPRS模块设计

本文选用的GPRS模块是由希姆通(SIMCOM)公司生产的SIM300。SIM300功耗低、体积小且支持即插即用功能，采用三频GSM/GPRS解决方案，可以实现短信息、传真信息和数据的高速传输。

SIM300有一个60脚的外接插座，其中包括：SIM卡插座接口、两个模拟音频接口、键盘接口、LCD接口和两个串口接口。

图25为GPRS模块接口电路图。

其中SIM_Vdd引脚为SIM卡提供工作电压，SIM_I/O是输入输出引脚，SIM_CLK引脚是时钟频率，SIM_RST是复位引脚。图19

GPRS模块接口电路图

SIM300集成GPRS无线上网、GSM语音通话和短消息等多种功能于一体，支持数据、语音、短消息和传真业务，主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。内嵌强大的TCP/IP协议栈以提供TCP/IP协议转换，从而大大减轻了客户在使用单片机系统时，需要在GPRS上位系统中嵌入TCP/IP协议的繁琐工作，能快捷完成串行数据和IP数据包之问的格式转换。在SIM300中插入SIM卡，接上天线，就可以利用GPRS无线网络快速接入Internet。4系统的软件设计

软件设计主要是信号采集与处理软件设计、无线传感器控制软件设计、总结点单片机程序设计、GPRS通信软件设计和PC上位机软件设计。

4.1

信号采集与处理软件设计

通过给激振模块两个信号in1,in2，激振模块就能反馈一个方波信号。只要测得其频率，就能通过公式，转换为压力。分节点单片机的主要任务是定时从激振模块读取采集到的压力数据，并将数据通过nRF24L01无线传感器芯片发送到总结点。在采集数据时，单片机每隔一分钟读取一次采集数据。图20

信号采集利用单片机的T0、T1的定时计数器功能，完成对输入的信号进行频率计数。频率的测量方法：通过检测一定时间内（1s内）输入方波的个数计算频率。

T0主要功能时进行计数，T1是进行计时。T0是工作在计数状态下对输入的方波信号进行计数，但对工作在计数状态下的T0，最大计数值为fOSC/24，由于fOSC＝12MHz，因此，T0的最大计数频率为250KHz，满足设计要求。对于频率的概念就是在一秒时间内输入脉冲的个数，即为频率值。设定T1工作在定时状态下，每定时1秒到，就停止T0的计数，并从T0的计数单元中读取计数的数值即为琴弦的频率。T1工作在定时状态下，最大定时时间为65ms，达不到1秒的定时，所以采用定时50ms，共定时20次，即可完成1秒的定时功能。图21

频率测量与处理流程图4.2

无线传感器控制软件设计

nRF24L01无线传输模块程序主要实现无线数据的发送和接收，通过中断服务程序来实现。nRF24L01中断入口模块流程图如图22所示。图22

nRF24L01中断入口模块流程图nRF24L01通过USB-TTL接口和外部进行数据交换。nRF24L01的数据传输模式有ShockBurstTM和Enhanced

ShockBurstTM两种数据包。后者比前者多了一个确认数据传输的信号，保证数据传输的可靠性。在ShockBurstTM模式下，器件内部完成需要高速处理的RF协议，发送数据时只需将数据放入发送数据缓冲区，器件会自动产生前导字符PREAMBLE和CRC数据，并将这些数据地址和地址信息、发送数据缓冲区的数据等组成一个数据包发出去，配置为接收数据的nRF24L01接收到数据包后由硬件解析地址数据和数据信息，当接收到有效的数据信息后在IRQ引脚产生中断通知外部处理器读取数据。在Enhanced

ShockBurstTM模式时，nRF24L01发送数据后会自动切换到接收模式以接收返回的握手信号，当收到确认信号后IRQ引脚产生数据发送完成中断，如果没有握手信号返回则表示发送失败，将会自动重新发送，如果重新发送的次数超过在ARC_CNT寄存器里面设定的值则会在IRQ引脚产生中断。本文采用Enhanced

ShockBurstTM模式。数据由USB-TTL接口写入nRF24L01缓存区，然后CE置为高电平，并延时一段时间后发送数据。在应答模式下，nRF24L01在发送数据后立即进入接收模式，收到应答信号。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从发送堆栈中清除；若未收到应答，说明发送失败，并记录下发送失败的次数，自动重新发送该数据。

4.3

总结点单片机程序设计总结点通过nRF24L01接收数据，由单片机控制nRF24L01和GSM模块的数据收发。为了提高系统的运行效率和控制的实时性，单片机采用中断控制处理方式。通过不断查询串口数据，当监测到“SM”字符时，进行数据接收，然后进行数据分析，完成后进入下一次查询。总结点单片机程序流程图如图23所示。图23

总结点程序流程图4.4

GSM通信软件设计图24

GSM串口接收数据分析流程图主控制器通过串口与GSM模块通信，将压力参数通过短信发给监测人的手机。本设计通过循环分析串口接收到的数据，当检测到数据中包含“SM”时，则认为是检测人员进行查询。当数据传输结束后，进行数据信息的分析。5调试

通过前面的内容，论文详细地论述了系统的总体方案、软硬件的具体设计及实现。为了验证系统是否能够达到设计要求，需要对系统整体性能进行测试。

系统开机顺序：

（1）接通电源，单片机控制激振电路产生高压脉冲将传感器振弦激振，振弦的振动信号经激振模块放大整形送给单片机。STC89C52单片机对振动信号进行频率计算并将频率数据存入数据存储器，同时在显示屏上显示出来，完成了测量功能。

（2）nRF24L01发送模块与分节点单片机连接，nRF24L01发送模块发送数据，完成了发送功能。

（3）nRF24L01接收模块与总结点单片机连接，nRF24L01接收模块接收数据，完成了接收功能。

（4）单片机将当前接收到的传感器的频率测量值和固化在其内部的参数带入相应的计算公式计算出压力值并送显示屏显示，完成显示功能。

（5）STC12C5A60S2单片机的P12引脚（RXD），P13引脚（TXD）分别与GPRS模块的GTX，GRX引脚相连接，SIM卡插入GPRS模块，GPRS模块运行。SIM300模块的电源指示灯亮了，按下KEY1开关，持续3秒钟，就会看到RST指示灯每隔12秒钟闪烁一次，

这时按下KEY2，发送短信，按下KEY3，接收短信，按下KEY4，接听电话。

（6）GPRS模块与上位机相连，单片机接收到的压力信号通过运用AT指令的GPRS网络传输到上位机，并在上位机显示与自动存储，实现了基于UDP传输协议的数据传输，完成了工程的短距离监测功能。

实验结果表明，研制的传感器动态性能满足了设计要求。综上所述,本系统具有设计思路正确、编程简洁巧妙、功能实用全面等特点，大大缩短了现场测量与计算时间，减轻了劳动强度，提高了测量计算准确度，同时为测量结果的后期处理与保存带来了极大的便利。6误差分析

初始误差由以下几个部分组成：

1．灵敏度误差：产生误差大小与压力成正比。如果设备的灵敏度高于典型值，灵敏度误差将是压力的递增函数。如果灵敏度低于典型值，那么灵敏度误差将是压力的递减函数。该误差的产生原因在于扩散过程的变化。

2．偏移量误差：由于在整个压力范围内垂直偏移保持恒定，因此变换器扩散和激光调节修正的变化将产生偏移量误差。

3．滞后误差：在大多数情形中，滞后误差完全可以忽略不计，因为硅片具有很高的机械刚度。一般只需在压力变化很大的情形中考虑滞后误差。

4．线性误差：这是一个对初始误差影响较小的因素，该误差的产生原因在于硅片的物理非线性，但对于带放大器的传感器，还应包括放大器的非线性。线性误差曲线可以是凹形曲线，也可以是凸形曲线。

设压力为I，单位牛；设电压为Q，单位伏，则压力与电压的关系为I=(25.764Q+0.3443)*9.8，若电压变化1伏，压力就变化255.86134伏，可见电压很小的变化就会引起压力很大的变化。压力位零时，电压本应为零，但实际上，在压力位零时，电压为0.0015到0.001652

间变化，前三位是固定不变的，从第四位开始发生变化，故误差为百分之0.1。

结

论

在大型土木工程的安全监测中，常常需要采集大量的现场数据，如温度、压力等，传统压力测量方法只适合于采集变化范围较小的情况。为解决这个问题，本文设计了基于振弦式传感器的压力测试系统，系统在运行时具有实时监测、短信接收、PC上位机显示及查询历史数据的功能。

根据系统设计的结构，主要进行了单片机选择，选用了STC12C5A60S2单片机；进行了单片机外围电路设计，包括时钟电路、复位电路、串口电路的设计；还进行了电源模块的设计、无线收发电路的设计和GPRS模块的设计。实现了nRF24L01无线传输芯片将数据发送到总节点，完成了总节点的软件设计，实现了多数据的汇总。实现数据通过SMS短消息发送到监测人员的手机上，通过GPRS将数据传到PC上位机；完成了PC上位机的软件的设计，实现了数据的显示、图形化记录。由于在开发过程中，受时间限制，但是还有很多需要完善的地方。参考文献

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