基于容栅传感器和单片机的变形检测系统

一、           引言

在现代工程中，包括各种桥梁及大型建筑等钢架结构受到外力之后会在一定程度上产生变形。考虑到安全等各方面的因素，需要对结构变形进行测量，确保其在一定的安全范围之内。本论文是兆瓦级风力发电机组风轮叶片研究的重要组成部分。

       目前，容栅传感器以其精度高、体积小、造价低、环境适应能力强、实现机电一体化的优点，在工程位移测量领域得到了越来越广泛的利用，在国内主要通过电子数显卡尺的形式应用到工程当中。

通过以容栅传感器和89C52单片机组成的智能检测系统可以很好进行位移检测，结合液晶显示屏和PC机，可以对测量结果进行实时仿真和智能控制。

二、           系统设计

变形检测系统的结构组成框图如图1所示。

图1 容栅位移检测系统结构框图

包括多路位移采集系统、力采集系统、数据存储、键盘及显示、89C52单片机和PC上位机通讯。

系统CPU采用单片机89C52，具有低功耗、高性能、融8031核与闪速存储器技术于一体的特点，扩充少量的外围芯片，即具备显示、模拟量输入和输出、掉电数据保护、串口通讯等功能，即可满足实际工程的需要。

AD574A是Analog Devices公司生产的12位、逐次逼近型、带三态缓冲器的快速Ａ/Ｄ转换器。转换速度最大为35μs，转换精度 ≤0.05%，具有低噪声、低功耗、高精度、高分辨率和高采样率的优点。

存储器采用24LC08 芯片，为8K 串行电擦写E²PROM ，其读写速度快，在5V 供电情况下可兼容400 kHz 的信号，并可按页(page) 读写；功耗低，在低电压2. 5 V 工作下标准电流为1μA；体积小，占用I/ O口少，仅使用DATA 和CL K两根I/ O 线。这些优点使其相对于一般的ROM 存储器有较高的性价比。

在检测系统中，需要单片机与PC机进行数据通信，完成对单片机系统的操作与控制。RS232C是美国电子工业协会（EIA）正式公布的串行总线标准，提供了单片机与单片机、单片机与ＰＣ机之间串行数据通信的标准接口，是目前最常用的串行接口标准。

由于RS232C规定的逻辑电平与单片机的逻辑电平是不一致的。在本系统中，采用串口中断，利用专用电平转换芯片MAX232把微处理器的信号电平（TTL电平）转换为RS232C电平。PC数据发送是通过TXD口经过MAX232连接到单片机的RXD端，而接收数据是由RXD经过MAX232连接到单片机的TXD口上实现的。

PC机采用VB编程，VB提供了强大功能的通信控件MSCOMM，该控件可设置串行通信的数据发送和接收，对串口状态及串口通信的信息格式和协议进行设置。为了充分利用高级语言的特点，在PC机中增加人机友好界面，由个人来检测和控制运行。

三、           容栅数显卡尺数据采集

变形检测系统是多路位移采集系统，共包括16路容栅传感器，可以对被测对象的不同位置进行测量。系统采用4514译码芯片，通过P1.4-P1.7口，对16路传感器进行选通。

容栅数显百分尺是一种新型位移传感器，提供的接口有4条信号线，包括电源线（+1.55V）、地线、时钟控制线CLK、串行数据输出线Data。接口信号不是标准的TTL信号，其信号‘1’为1.5V左右，其信号‘0’为0V左右。因此，必须进行电平转换，随后再经过反向器整形，送到相应芯片接口。

容栅数显卡尺采用串行数据采集，其中数据线波形见图2所示。在最快20ms的周期内，包括一个下述数据采集周期。每个周期输出两组数据，其中第一组为绝对值，第二组为相对值，在本系统中我们采用第二组数值。每组数值包括24个二进制位，其中前13位为整数位，后11位为小数位，换算后的数据单位为0.1inch。

图2 容栅数据信号时序

采用89C52单片机以及12MHz系统时钟，单指令周期在为1us，而传感器每位采集时间为11us，故采用汇编语言进行采集，确保数据的正确性。

软件设计的关键在于确定数据采集的起始条件，容栅传感器输出的快速周期为20ms，慢速周期为250ms，因此起始条件就是大于一个时钟周期并且小于20ms的连续时钟低电平以及接在上述低电平之后的44us的连续高电平。

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 

图3 容栅数据采集程序流程图

四、           结束语

综上所述，由于容栅数显卡尺、AD574A和单片机89C52的使用，该系统具有实时测试位移和受力情况的功能，并通过串口及时传输测试结果到上位计算机并进行仿真。该测试系统测量精度高，功能全面，并且已经应用于各种桥梁的平整度测量和变形测量上，效果明显，今后将逐步扩展该系统的进一步深入使用。

本文作者创新点：运用高精度的容栅传感器，采用多路采集技术，并结合液晶显示技术、计算机控制与模拟，运用汇编程序读取容栅数据，保证了采集的可靠性。此研究解决了风力发电机叶片的测试问题，也运用到道路和桥梁的工程变形检测当中，已得到了实际应用。

参考文献

[1] 李晓谦，杨琛盛．基于PC-单片机的主从式快速铸轧在线监测系统［J］．微计算机信息，2003，第5期：28-29。

[2] 王英健, 吴康雄, 吴军. 容栅式百分尺微机接口方法的研究. 长沙铁道学院学报, 1997 ,第15卷第1期：40-46。

[3] 张国忠, 赵家贵. 检测技术[M]. 北京：中国计量出版社 ,1998。

[4] 李华. MCS-51系列单片机实用接口技术. 北京：北京航空航天大学出版社 ,1997。