基于振弦式传感器的压力测试毕设论文.docx

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基于振弦式传感器的压力测试毕设论文

《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   C8051F340

1绪论..............................................................................................................................................1

1.1  课题研究目的和意义 1

1.2  国内外技术发展现状 1

1.3 发展趋势2

1.4 课题主要研究内容2

2系统总体设计及工作原理3

2.1  系统主要功能 3

2.2系统总体结构框图4

2.3 总结点框图4

2.4  无线通信技术5

2.4.1采集节点框图5

2.4.2 接收节点框图6

2.5  GSM移动通信网络7

2.6  GPRS技术8

2.7  AT指令简介8

2.8振弦传感器原理9

2.8.1工作原理10

2.8.3振弦式传感器的特性11

2.8.6振弦式传感器的测量系统13

3系统的硬件设计14

3.1  单片机的选择 14

3.2  单片机外围电路设计15

3.2.1 时钟电路15

3.2.2  复位电路17

3.2.3  串口电路 18

3.3  电源模块设计19

3.4 液晶显示模块设计20

3.5  无线通信电路设计 21

3.6  GPRS模块设计 22

4系统的软件设计 .......................................................................................................................23

4.1  信号采集与处理软件设计24

4.2  无线传感器控制软件设计 25

4.3  总结点单片机程序设计26

4.4 GSM通信软件设计27

5调试 27

6误差分析 28

结论..................................................................................................................................................29

参考文献..........................................................................................................................................30

1绪论 

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，对保障健康、降低事故发生率具有重要的意义。

由于振弦式传感器具有输出信号稳定、易检测、精度和分辨率高等诸多优点，因此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。

基于振弦式传感器的压力测试仪的使用对国民安全和国民经济起着举足轻重的作用。

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。

1.1  课题研究目的和意义 

在建筑工业中，安全问题是重中之重，一旦一个工程安全问题得不到保障，投入的资金再多，耗费的人力物力再大，也都显得没有任何意义。

振弦式仪器是目前我国土石坝内部观测的首选仪器,它在大坝监测、桥梁监测和岩石工程中占有重要地位。

基于扫频激振技术的激振单线圈振弦式传感器的方法为实现上述工程自动监测系统提供有力支持。

基于扫频激振技术的振弦式传感器应用于某型分布式网络测量系统中，用于大坝内部应力自动监测,具有起振迅速、测值可靠、自动化程度高的突出优点,取得了较好的应用效果。

基于振弦式传感器的压力测试系统对桥梁结构的安全性和对国民经济起着举足轻重的作用。

 对桥梁的运行状况进行健康监测，可以有效预防突发性灾难，减少损失, 避免人员伤亡, 确保基础设施与使用者的安全。

1.2  国内外技术发展现状 

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。

除了振弦式传感器外，还有振筒式、振梁式和振膜式等传感器，它们统称为谐振式传感器。

它们的工作原理与特性相似或相同，是20世纪70年代发展起来的。

由于是频率式传感器，频率测量的精度最高（可达10－13数量级），由此成为最有发展前途的传感技术之一。

它们被广泛应用于测量机械扭矩、振动、位移、速度、加速度、力、应力、压力、流体流量以及成分分析等。

1.3 发展趋势

振弦式传感器是目前是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。

1.4 课题主要研究内容

本课题要求设计一种由振弦式传感器和单片机组成的电子压力测量仪。

该测量仪采用新型的振弦式压力传感器采集数据,由单片机控制整个测量过程,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。

这里只需要完成信号采集与处理模块。

本课题要求设计的是基于振弦式传感器的压力测试仪。

该压力测试仪以单片机为中心，控制整个测量过程，并完成与GPRS模块，无线通信模块的连接。

数据通过无线通信模块发送和接收，经单片机处理后，通过GPRS网络发送到远程终端手机或计算机中进行处理，并显示。

本文可以分成五个主要的部分：

第一部分是系统的总体设计，分析系统的设计要求，提出系统设计方案，阐述系统设计所需的各种技术和协议。

第二部分是硬件设计，基于上述系统的设计要求完成对芯片的选择，设计硬件原理图，制作PCB图。

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O