一种新型公路路基含水率检测器系统设计

引言


在新建公路中，路基的强度、板体性、水稳性受多种因素制约，如填料种类、粒径范围、施工温度、地下水和降雨等。在多种影响因素中，水对路基的侵蚀影响最为严重，路基处理时填料的含水量对压实度影响较大。施工过程中，现场施工人员需要控制填料含水率，只有填料处于最佳含水率时进行碾压，路基强度才会高，压实度才有保障。因此，施工人员需要针对不同的含水率采用不同的施工工艺和施工步骤，快速得到准确的数据，加快施工速度，在保证路基质量的同时降低建设成本[1-2]。


系统总体设计


本设计以STM32芯片为核心，供电电源为5V直流电，通过LM1117芯片使电压转换为单片机需要的工作电压；采用GPS模块记录高精度土壤湿度传感器测定的路基填料含水率，通过无线传输模块将数据回传到上位机，并由屏幕显示。含水率检测系统包括含有位置记录的料场中料样的含水率信息，可根据料源的位置与料样情况人为设置阈值，当含水率超过或接近阈值时，屏幕显示该数据，蜂鸣器报警[3-4]。系统硬件结构如图1 所示。


系统电路设计


本系统主控芯片选择STM32F103C8T6，其引脚采用LQF48封装，电源供电电压范围为2～3.6V，适用环境温度为-45～85℃。单片机内置闪存64KB，静态内存

8KB，外设系统资源充足。STM32F103C8T6单片机有40个

收稿日期：2020-09-29修回日期：2020-11-02

基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（41701479）；黑龙江省省属高等学校基本科研业务费专项（135309342）

引脚，每个引脚都具备独特的功能，为了较好地实现含水率检测系统的测量、转换、处理、显示等功能，需要与复位、显示、按键、预警、传感器等接口准确连接[5-6]。

基础电路设计



复位电路设计



通过电容、电阻元器件的搭配实现电路的复位功能。在超短时间内电容充满使得电阻变成无电压状态，此时电路正常工作。操作人员使用检测设备时，人员按下复位键，电容放电，电阻出现高压，系统完成复位。



晶振电路设计



晶振电路是单片机电路的组成部分。如果单片机无晶振电路，则系统将无法正常工作。晶振的频率决定了定时器的各项参数。选用无源晶振搭配起振电路（起振电路主要由2 个电容构成）实现该部分功能。



电源电路设计



含水率检测器系统选用的核心控制器的工作电压范围为2 ～3.3 V。如果单片机连接的电源超过了芯片手册给出

的范围，将导致芯片烧毁。如果电压低于2 V，则单片机无法正常工作。本设计选用的供电电源为5 V 直流电，可通过LM1117 芯片将供电电压转换为单片机需要的工作电压。



数据采集电路



土壤湿度传感器模块设计



土壤湿度传感器主要用在检测仪器前端，当试验人员需要检测料样含水率时，将传感器插入料样即可。由于料场、料样不尽相同，因此含水量相差较大，料样所呈现的阻值亦不同。三极管根据不同的电阻值提供不同的电流，集电极到发射极的电流受基极控制，发射极的下拉电阻带有电压。当料样中无探头时，输出电平为0，土壤湿度传感器不工作。



GPS模块设计



系统采用ATK-NEO-6M 模块传输数据。ATK-NEO-6M 模块与STM32 单片机只需通过4 条线路连接：VCC 与单片机的电源相接，GND 接地，TXD/RXD 与单片机反接。



功能电路设计



显示模块设计



系统采用TJC4827K043_011RN 的USART HMI 智能串口屏实时显示含水率和地理位置信息。施工人员可通过串口屏实时监控当前被测部位的路基含水率，方便用户了解路基填料的信息。智能串行触摸屏型号为TJC4827K043_011RNHMI，它集成了彩色TFT LCD 显示屏，配备了CPU 处理器，具有可编程I/O 端口、电阻式触摸屏和其他输入设备等。



报警电路设计



当检测的料样含水率超过人为设定的范围时，检测系统报警。报警使用的元器件为蜂鸣器，它是一种常见的声响器件，使用广泛。蜂鸣器一般采用三极管驱动，供电电压范围为3.3 ～5 V，当端口为高电平时蜂鸣器工作，发出响声。三极管驱动功能和电路开关功能类似，当三极管接通时，蜂鸣器导通并发出声响；当三极管的基极不导通时，蜂鸣器无反应。



系统软件设计



设计系统主要包括主程序部分、含水率检测部分、GPS 采集模块、显示程序部分。系统选用土壤湿度传感器对路基填料取样处的料样进行含水率检测，选用型号为NEO-6M 的定位传感器采集料场的位置信息。所测料样含水率和位置地理信息通过串口屏显示，由触摸屏设置含水率范围，当所取料样含水率过高时，蜂鸣器报警，同时串口屏幕显示“含水率过高”字样。

系统主程序设计的重点是实现含水率检测器系统模块间的联系以及各函数间的调用。首先按动开关，启动检测器系统，同时进行初始化操作。当高精度土壤湿度传感器检测到所测料样的湿度后，将模拟湿度信号传输至A/D 转换器转换为单片机可以识别、处理的数字湿度信号，然后将该数字信号传送至单片机进行再处理，并将处理后的信号转换成可以在智能串口屏上显示的文字。

系统可以按使用者的需求自由设定含水率的阈值。在将信息进行显示之前，要将其与使用者设定的阈值进行比较，如果获得的信号不在设定的区间范围，系统会输出低电平，蜂鸣器通电报警，同时HMI 串口屏显示预警信息。含水率检测器系统的主流程如图2 所示。

系统调试



硬件电路调试



系统设计完成之后，对数据采集电路进行调试。数据采集电路分为土壤湿度传感器电路和GPS 模块电路。为避免电路短路导致元器件烧毁，上电前须使用万用表检查电路，如果万用表长鸣，则排除电路短路的情况。

显示报警电路作为含水率检测器系统的功能电路，需要实现的功能如下：

将数据采集电路收集到的含水率信息和地理信息显示在人机交互模块的智能串口屏上；

当检测的信号不在施工人员所设置的标准范围内时，

显示预警信息。

本含水率检测器系统的主要组成部分包括数据采集部分

（土壤湿度检测模块、GPS 模块）和功能模块（人机交互模块、报警模块）。



软件调试



系统将料样湿度模拟信号转换为数字信号，并将其发送到串口的液晶显示屏，同时，将测定的实际含水率与阈值数值进行对比。设计含水率程序阈值的目的是便于主程序确定设置的最佳含水率上限与下限，只有通过主程序的循环运行，才能实现检测目的。当点击“确定”之后，试验人员将进行阈值设置，程序得到修改。在重新确定料样含水率阈值后，检测器将通过检测得到的实际含水率与设定的阈值进行比对，高于或低于阈值时，报警电路发出响声，屏幕闪烁显示“高”或“低”。检测器系统中的所有单独模块都要进行逐一调试，分别检测其性能，最后进行整体测试。调试时，主程序在Keil编辑软件中运行，编写无误后，生成镜像Hex文件，并烧录到单片机中。

对检测系统各子系统和各模块进行测试，对土壤湿度传感器模块、GPS 模块、报警模块进行功能验证，含水率检测器系统可实现以下功能：

系统可以实时检测当前待测位置的含水率数据和地理位置，并显示当前含水率数值为“过高！”“过低！”或者“正常”；

检测的含水率数值、地理位置和当前日期可以实时显示在串口屏上；

可触控设置含水率数值的上限，超限时串口屏显示“过高！”，蜂鸣器报警，提醒施工人员此处路基含水率不达标，无法进行下一步施工。



结语



本检测器的创新之处在于成功将电子技术与传统工业相结合，提高了道路施工人员的工作效率和公路的质量，具有

一定的实际使用价值。今后，还可以为该系统增加无线加速度传感器，对路基进行压实度检测，使得系统功能得到进一步延展。

参考文献

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作者简介：李会（1974—），硕士，副教授，任教于齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，研究方向为信息处理技术。