沉降自动检测设计与实现*

秦 刚，张 明，张 楠，秦 笑

(西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710021)

沉降自动检测设计与实现*

秦 刚，张 明，张 楠，秦 笑

(西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710021)

为了提高沉降检测精度，节约生产成本，采用高精度AD采集芯片，结合多元补偿算法，设计出了一种沉降自动检测系统。经过实验室试验分析，其达到了系统技术指标，满足了设计需要。

沉降自动检测；AD7793；单片机；精确测量

路基沉降量检测主要由压力传感器、温度传感器、储液罐、导通管以及其他辅助设备组成，其工作原理是利用液体压力差结构，采集参考点附近多个位置的路基沉降量的压力值，并集中到主控板，经过温度补偿得到各个位置对应的高度值，并与参考点的高度值进行对比，从而得到对应位置点的沉降量。目前，路基沉降量的检测均由人工通过基础的仪器检测来完成，操作人员在工作过程中主要依靠人工观测，不仅劳动强度大，统计周期长，而且还会引入很多人工误差，导致漏报错报，从而为道路正常运营埋下隐患。随着计算机技术和自动检测理论的发展，对路基沉降量实行自动化检测已经成为可能。自动化监测具有精度高和速度快等优点，是目前路基沉降量检测的发展趋势[1-4]。

本文根据路基沉降检测的要求，依照设计原理，组装了路基沉降自动检测系统机械结构，并利用微控制器以及其他辅助元器件设计了一种路基沉降自动检测系统。

1 系统结构设计

1.1 机械设计原理

根据连通管的流体压差测量原理，在路基某一固定基准点处设置基准压力传感器和储液箱。储液箱、基准传感器以及被紧固于沉降板各测点处的压力传感器通过柔性连通管连接在一起，并充满低挥发、低热胀冷缩系数的液体。储液箱中液体液面与柔性连通管和压力传感器之间存在一定高程差，当路基发生沉降变形时，带动各测点处的压力传感器和柔性连通管同步变形，使得测点与基准液面的高程差发生变化。利用高程差与液体压力差成正比的关系，只要测量出压差的变化，即可推算出高程差的变化，进而计算出沉降变形的大小。

1.2 机械设计组成

每个采集点由硅压阻型压力传感器、PT100型热敏电阻和相应的电路模块组成，安装在1个保护盒内，并留有水管、气管和线缆接口。每2个传感器之间通过水管、气管和线缆等连接起来，水管与储液箱相连并形成回路，气管通入大气，采集点将采集到的数据以数字量的形式，通过RS-485通信方式发送到数据主采集板，然后通过远程传输模块将数据发往观测站。

2 路基沉降自动检测系统的整体设计方案与技术指标

2.1 系统整体设计方案

所设计的系统总框图如图1所示。

图1 路基沉降自动检测系统总框图

路基沉降自动检测系统工作时，工作人员操作监测站的上位机发送采集指令，通过远程传输模块控制数据主采集板采集数据，并将采集到的沉降量发送回监测站，进行存储、分析和显示。

2.2 系统技术指标

1)采集精度：0.3 mm。

2)量程：500 mm。

3)环境温度：-40～60 ℃。

3 系统硬件设计

根据路基沉降自动检测系统的要求，设计了数据采集模块硬件原理图，如图2所示。硬件电路设计遵循模块化的设计方法，主要包括控制器模块、电源模块、AD转换模块、外存储器模块、通信模块以及其他电路。

图2 路基沉降自动检测系统主要模块硬件原理框图

3.1 控制器模块

本设计采用美国飞思卡尔半导体公司的mc9s12xs128单片机作为主处理器。MC9S12XS128是16位单片机，由16位中央处理单元(CPU12X)、128 kB程序Flash(P-lash)、8 kB RAM和8 kB数据Flash组成片内存储器，工作频率为80 MHz，最大总线时钟可达120 MHz[5-8]。

3.2 电源模块

系统采用12 V电池供电(见图3)，电路中使用电源为5 V，由LM2940(见图4)得到的5 V给单片机、外存储器和通信电路供电，由LM1117(见图5)得到的5 V给AD采集模块供电。图3中，R为0 Ω，C1为电解电容(25V470μF)，C2和C3为CBB电容，T20为共模扼流圈。

图3 12 V电源滤波电路

图4 LM2940-5V稳压电路图

图5 LM1117-5V稳压电路图

3.3 AD采集模块

AD7793是1个低噪声可编程增益仪表放大器，最高可具有23位有效分辨率，3个差分输入口，采用SPI总线方式与主控制芯片连接，芯片具有内部激励电流源的输出引脚，可以输出有效电流源，为压力数据采集和温度采集提供可靠电源，在ADuM5401数字隔离芯片的配合使用下，可以达到最小值±0.1%FS的检测精度。AD采集电路原理结构图如图6所示。压力传感器和温度传感器的模拟量信号先输入到A/D转换芯片AD7793，信号经过数字隔离芯片ADuM5401与单片机的I/O口相连，保证系统具有较高的数据采集精度和很强的抗干扰能力。试验结果表明，其设计结构合理，精度较高，效果较好。

根据系统的测量精度和控制精度要求，选择了RTD传感器PT100作为测温传感器。PT100具有良好的长期稳定性，线性度好，响应时间快，测试电流在允许值范围内，自热系数小，可满足系统的技术要求。PT100传感器对温度的变化输出一般是微伏级的微弱信号，但AD7793具有完整的模拟前端功能，内部集成了低噪声仪表放大器，且可以设置增益；因此，可以直接输入测量传感器输出的微弱信号，输入信号通过低通滤波后进入AD7793的A/D输入端。选择Motorola生产的MPX型硅压阻式压力传感器作为沉降检测传感器，其电阻是利用离子注入工艺光刻在硅膜片上，并采用了计算机控制的激光修正技术和温度补偿技术。该压力传感器的精度非常高，模拟输出电压正比于输入的压力值和电源偏置电压，具有极好的线性度，且灵敏度高，长期重复性好。传感器的2根差分信号输出端接入AD7793的差分信号输入口，可以检测到压力传感器的微弱信号变化。

图6 AD数据采集电路原理结构图

3.4 外存储器模块

外存储器模块采用的是AT24C512存储芯片，主要用来存储温度补偿参数，为曲线拟合大量参数储存提供支持。

3.5 RS-485通信模块

鉴于无人参与的纯粹“人工智能创作”在版权法中的特殊性，人工智能创作中自然人的人工干预程度对于判断“人工智能创作”的版权法属性至关重要。由于版权法保护对象实际上是作品中的独创性表达，因此，如果人工智能使用者可以通过控制系统设定、外部输入或输出端选择的方式控制人工智能输出结果的表达或部分表达，则不属于本文所说的纯粹“人工智能创作”。

通信模块采用的芯片为SN65LBC184，是一种8管脚的收发器。2管脚为数据接收信号，低电平有效；3管脚为数据发送信号，高电平有效；1管脚R为读信号，4管脚D为写信号。1、2、3和4管脚与数据采集模块主控单片机相连，6、7管脚A、B为SN65LBC184的输出端。

4 系统软件设计

4.1 采集总流程

图7 系统软件主流程图

根据路基沉降自动检测的实际工作过程设计该系统软件。本设计的路基沉降自动检测系统初始化后，上位机发送检测信号，下位机响应后对压力值和温度值进行检测；然后利用存储的温度补偿数据对数据进行温度补偿，得到相应环境下的精确值；最后传输给上位机。上位机对传回的数据进行存储、分析和显示。软件主流程图如图7所示。

4.2 补偿软件设计

由于硅压阻式传感器相当于一个惠斯通电桥，电流源相比于电压源的设计能更有效地提高采集精度。为了得到精准的沉降量，每台传感器在使用前都要进行零位校正和温度补偿。

在PC机上编写上位机，主要用于用户输入和数据采集显示，通过Visual C++6.0编译环境开发，结构简单，容易实现。补偿软件对采集回来的数据和对应的温度进行非线性补偿处理，从而得到线性、准确的沉降值。如采用二元函数P=f(U，T)来进行补偿处理(P为被测压力，U为传感器输出电压，T为环境温度)，根据Weierstrass逼近定理存在多元多项式：

(1)

(2)

经整理后，可得到a00,a01,…，anm矩阵方程。通过矩阵方程，可求得a00,a01,…，anm的值。

在矩阵求解中，为使矩阵值误差最小，利用高斯消去法中的总体选主元法,求解出a00,a01,…，anm的值，代回式1中，可得出智能传感器的非线性补偿所用的曲面拟合函数式。

上位机进行高度标定时的数据见表1。利用补偿程序对沉降高度值进行非线性补偿，得到相应的高度值，经过补偿后的高度变化量呈线性变化，如图8所示。

表1 实时标定数据

图8 标定前后数据曲线

将表1的数据输入上位机补偿程序对话框后，得到如下曲线拟合函数式：

p=-42.338 1Up1+5.288 43Up2-0.216 001Up3+0.006 430 43Up4-6.751 28e-0.005Up5

式中的各项系数就是通过上位机补偿软件计算得到的参数，其中各项的系数是得到的补偿参数通过上位机计算得到的，并且通过串口将补偿参数发送到下位机外部存储器中。当不同温度下对沉降量进行采集时，单片机会通过预先标定好的参数对实时数据进行温度补偿，从而得到相对准确的沉降量。

5 系统调试及结果

采用高精度信号调理芯片AD7793对传感器进行校准和补偿，补偿后的精度可达到0.2 mm。其基本补偿思想是对传感器进行标定试验，在不同压力和温度下测量误差，得到补偿系数，并存入外部存储中。在进行实际测量时，取出存储中对应的补偿系数补偿传感器的输出，最终实现对传感器的温度补偿。

温度从0 ℃变化到40 ℃时差异较大的几组数据见表2，可以看出其误差最大为0.15 mm。

表2 压力为3 kP，温度变化时的输出值

系统的误差主要源于信号调理电路和传感器特性，经过几台传感器联合安装调试后得出其系统误差为0.24 mm，满足项目设计指标要求。

6 结语

应用本文提出的沉降自动检测技术对试验结果进行分析表明，本设计满足了设计的性能指标要求，达到了设计目的。沉降自动检测的实现也降低了检测人员的劳动强度，提高了检测精度，不仅减少了生产事故的发生，而且满足了人们对建筑施工质量越来越高的要求。

[1] 陈善雄.高速铁路沉降变形观测评估理论与实践[M].北京：中国铁道出版社,2010.

[2] 董鸣. AD7793在高精度温控设备中的应用[J].电子技术,2012 (8): 31-33.

[3] 秦刚.非线性补偿在智能传感器中的工程实现[J].西安工业大学学报,2001(2): 119-123.

[4] 蔡教武.基于MPX2100型压力传感器的高精度数据采集系统[J].电源世界,2005(4);51-54.

[5] 赵航.高温环境下压力传感器的温度补偿方法研究[J]. 自动化与仪表,2012(8): 18-21.

[6] 潘浩.一种基于RS485总线的远程数据通信系统[J].仪器仪表学报,2003(1): 467-468.

[7] 刘孟德.高精度文促测量电路设计[J].山东科学,2012(2):73-75.

[8] 夏勇.多路硅压阻式压力传感器温度补偿系统的设计与实现[J].测控技术,2006(1):10-12.

*陕西省科学技术研究发展计划资助项目(2014 K05-44)

责任编辑李思文

ResearchandDesignofAutomaticDetectionSystemofSettlement

QIN Gang，ZHANG Ming, ZHANG Nan, QIN Xiao

(College of Electronic Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710021，China)

In order to improve the sedimentation precision and save the costs of production, taking AD sampling chip with high precision, and combining with multiple compensation algorithm, designed a subsidence automatic detection system. Through lab experiment analysis, achieved technical indexes of the system, which can meet the designing needs.

subsidence automatic detection, AD7793, microcontroller, measure of precision

TN 81

：A

秦刚(1965-)，男，硕士，教授，主要从事嵌入式和自动控制等方面的研究。

2014-07-24