基于振弦式傳感器的壓力測(cè)試

1、 傳感器原理及應(yīng)用 創(chuàng)新性應(yīng)用課題研究報(bào)告 題 目： 基于振弦式傳感器的壓力測(cè)試 學(xué) 院： 自動(dòng)化工程學(xué)院 年級(jí)專業(yè)： 2012級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù) 姓 名： 楊晨燦 王懷祥 林晟玉 連智華 任課教師： 遲宗濤 2015年 12月 20 日【中文摘要】在大型土木工程的安全監(jiān)測(cè)中,壓力作為一個(gè)重要的參數(shù),其檢測(cè)方法一直備受重視。通過(guò)對(duì)各種結(jié)構(gòu)所受壓力的實(shí)時(shí)檢測(cè),對(duì)于保障其健康、降低事故發(fā)生率有重要的意義。由于振弦傳感器具有輸出信號(hào)穩(wěn)定、易檢測(cè)等諸多優(yōu)點(diǎn),本文選用振弦式傳感器,設(shè)計(jì)了一套電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、測(cè)量精度較高的壓力檢測(cè)系統(tǒng)。本文首先對(duì)常用的壓力傳感器進(jìn)行了比較,闡述了選用振弦傳感器的

2、依據(jù),分析了傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理,總結(jié)了振弦傳感器壓力檢測(cè)中影響測(cè)量精度的主要因素,并提出了相應(yīng)的解決措施。重點(diǎn)對(duì)傳感器的激振方式進(jìn)行了研究和優(yōu)化,采用了反饋式的激振新方法,設(shè)計(jì)了合理的信號(hào)處理電路。本系統(tǒng)采用分布式采集方式,由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳感器組成,每一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可掛接多路傳感器,能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測(cè),選用了真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)C8051F340單片機(jī)為處理器,設(shè)計(jì)了激振電路、測(cè)頻電路、顯示電路、串口通信接口等硬件電路。同時(shí),本文也設(shè)計(jì)了完整的下位機(jī)軟件,使硬件能正常的實(shí)現(xiàn)其檢測(cè)功能。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的編程思想,C語(yǔ)言編寫,結(jié)構(gòu)清晰,容易移植,方便維護(hù)和升級(jí)。最后,針對(duì)電子電路系統(tǒng)中

3、存在的干擾問(wèn)題,在系統(tǒng)的硬件和軟件上均進(jìn)行了抗干擾設(shè)計(jì),保證系統(tǒng)能正常地運(yùn)行。通過(guò)一個(gè)多月的調(diào)試,本系統(tǒng)各個(gè)部分能正常的工作,測(cè)試結(jié)果表明,其測(cè)量精度有一定提高,運(yùn)行較為穩(wěn)定。此系統(tǒng)體積小,成本低,接口通用,適用于大多數(shù)振弦傳感器,具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。 振弦式傳感器由于具有壽命長(zhǎng) 、穩(wěn)定性好 、精度高及信號(hào)便于檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn) ,一直受到業(yè)界的關(guān)注 ,并 廣泛應(yīng)用于煤礦 1 、大壩 2 和路橋 3 等場(chǎng)合進(jìn)行壓 力測(cè)量 。振弦式傳感器容易受溫度等因素的影響 , 所以 ,近來(lái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者采取措施在溫度方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償 4 ,但是很少有人提到在電路系統(tǒng)中對(duì)其 他方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 。根據(jù)實(shí)際

4、需要 ,筆者在系統(tǒng) 設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮了所有影響測(cè)量精度的因素 , 實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓力的高精度測(cè)量 。應(yīng)用振弦式傳感器并基于脈沖計(jì)數(shù)法進(jìn)行壓力測(cè)量可達(dá)測(cè)量精度受脈沖計(jì)數(shù)精度 、電路噪聲及溫度補(bǔ)償 等多重因素影響 。介紹了一種成熟的設(shè)計(jì)方案 ,通過(guò)采用優(yōu)化的掃頻激勵(lì)方式 、合理的脈沖計(jì)數(shù)方法 、低噪聲信號(hào) 調(diào)理電路設(shè)計(jì)和有效的溫度補(bǔ)償?shù)韧緩?,獲得了較高精度的壓力測(cè)量值 ,是脈沖計(jì)數(shù)法測(cè)壓場(chǎng)合的較好選擇 。【關(guān)鍵詞】振弦式傳感器 壓力檢測(cè) 數(shù)據(jù)采集 C8051F340【英文摘要】In the security monitoring 

5、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 protecti

6、ng 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

7、60;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&#

8、160;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, ana

9、lyze its structure and working principle, summarize the foremost factors that influence the measuring accuracy of vibrating wire sensors, propose some corresponding improved methods.The

10、 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 

11、;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 

12、;mount many sensors and achieve multi-point detecting. Choose system on a chip C8051F340 that real work independently as MCU, design a vibrating wire sensor excitation circuit,

13、0;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&#

14、160;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

15、60;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 

16、;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

17、 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 

18、wire sensors, which has some value in engineering. When using pulse counting method, the precision of pressure measuring with vibrating wire sensor is influenced by the precision of pulse counter, circuit noise, temperature compensation, etc. This paper introd

19、uce s a mature scheme of pressure measuring with vibrating wire sensor. A high pressure measuring precision is obtained by using methods like optimized frequency scanning, reasonable pulse counting, low noise signal processing circuit designing and effective temperature compensation, etc. It prove s

20、 to be a preferable selection in pressure measuring with pulse counting method.【英文關(guān)鍵詞】vibrating wire sensor    pressure measurement   data acquisition   C8051F3401 緒論.11.1  課題研究目的和意義 11.2  國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 1

21、1.3 發(fā)展趨勢(shì)21.4 課題主要研究?jī)?nèi)容22 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及工作原理32.1  系統(tǒng)主要功能 32.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖42.3 總結(jié)點(diǎn)框圖42.4  無(wú)線通信技術(shù)52.4.1采集節(jié)點(diǎn)框圖52.4.2 接收節(jié)點(diǎn)框圖62.5  GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)72.6  GPRS技術(shù)82.7  AT指令簡(jiǎn)介82.8振弦傳感器原理92.8.1工作原理102.8.3振弦式傳感器的特性112.8.6振弦式傳感器的測(cè)量系統(tǒng)133 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)143.1 &#

22、160;單片機(jī)的選擇 143.2  單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)153.2.1 時(shí)鐘電路153.2.2  復(fù)位電路173.2.3  串口電路 183.3  電源模塊設(shè)計(jì)193.4 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)203.5  無(wú)線通信電路設(shè)計(jì) 213.6  GPRS模塊設(shè)計(jì) 224 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) .234.1  信號(hào)采集與處理軟件設(shè)計(jì)244.2  無(wú)線傳感器控制軟件設(shè)計(jì) 254.3

23、  總結(jié)點(diǎn)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)264.4 GSM通信軟件設(shè)計(jì)275 調(diào)試 276 誤差分析 28結(jié)論.29參考文獻(xiàn).301 緒論 在大型土木工程的安全監(jiān)測(cè)中，壓力作為一個(gè)重要的參數(shù)，其檢測(cè)方法一直備受重視。通過(guò)對(duì)各種結(jié)構(gòu)所受壓力的實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)保障健康、降低事故發(fā)生率具有重要的意義。由于振弦式傳感器具有輸出信號(hào)穩(wěn)定、易檢測(cè)、精度和分辨率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此是目前國(guó)內(nèi)外普遍重視和廣泛應(yīng)用的一種非電量電測(cè)的傳感器?；谡裣沂絺鞲衅鞯膲毫y(cè)試儀的使用對(duì)國(guó)民安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)起著舉足輕重的作用。振弦式傳感器由于具有壽命長(zhǎng) 、穩(wěn)定性好 、精度高及信號(hào)便于檢測(cè)

24、等優(yōu)點(diǎn) ,一直受到業(yè)界的關(guān)注 ,并 廣泛應(yīng)用于煤礦 1 、大壩 2 和路橋 3 等場(chǎng)合進(jìn)行壓 力測(cè)量 。振弦式傳感器容易受溫度等因素的影響 , 所以 ,近來(lái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者采取措施在溫度方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償 4 ,但是很少有人提到在電路系統(tǒng)中對(duì)其 他方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 。根據(jù)實(shí)際需要 ,筆者在系統(tǒng) 設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮了所有影響測(cè)量精度的因素 , 實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓力的高精度測(cè)量 。1.1  課題研究目的和意義 在建筑工業(yè)中，安全問(wèn)題是重中之重，一旦一個(gè)工程安全問(wèn)題得不到保障，投入的資金再多，耗費(fèi)的人力物力再大，也都顯得沒(méi)有任何意義。振弦式儀器是目前我國(guó)土石壩內(nèi)部觀測(cè)的首選儀器,它在

25、大壩監(jiān)測(cè)、橋梁監(jiān)測(cè)和巖石工程中占有重要地位?；趻哳l激振技術(shù)的激振單線圈振弦式傳感器的方法為實(shí)現(xiàn)上述工程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供有力支持。基于掃頻激振技術(shù)的振弦式傳感器應(yīng)用于某型分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)中，用于大壩內(nèi)部應(yīng)力自動(dòng)監(jiān)測(cè),具有起振迅速、測(cè)值可靠、自動(dòng)化程度高的突出優(yōu)點(diǎn),取得了較好的應(yīng)用效果。 基于振弦式傳感器的壓力測(cè)試系統(tǒng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)起著舉足輕重的作用。 對(duì)橋梁的運(yùn)行狀況進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，可以有效預(yù)防突發(fā)性災(zāi)難，減少損失, 避免人員傷亡, 確?；A(chǔ)設(shè)施與使用者的安全。 1.2  國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 振弦傳

26、感器得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。在國(guó)外，德國(guó)的MAlHAK、法國(guó)的TELEMAL、美國(guó)的SINCO和FOXBORO、英國(guó)的SCHLUBERGER及挪威等多家公司，都有振弦傳感器的系列產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)從60年代起，先后研制開(kāi)發(fā)了適合各種測(cè)試目的的多種振弦傳感器的系列產(chǎn)品，如振弦式壓力計(jì)、土壓力計(jì)、空隙水壓力計(jì)、應(yīng)變計(jì)、測(cè)力(應(yīng)力)計(jì)、鋼筋計(jì)、扭力計(jì)、位移計(jì)、反力計(jì)、吊重負(fù)荷計(jì)、傾斜計(jì)等等。它們廣泛應(yīng)用于港口工程、土木建筑、道路橋梁、礦山冶金、機(jī)械船舶、水庫(kù)大壩、地基基礎(chǔ)等測(cè)試，已成為工程、科研中一種不可缺少的測(cè)試手段，顯示出了其廣闊應(yīng)用和發(fā)展的前景。  除了振弦式傳感器外，還有振筒式、

27、振梁式和振膜式等傳感器，它們統(tǒng)稱為諧振式傳感器。它們的工作原理與特性相似或相同，是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的。由于是頻率式傳感器，頻率測(cè)量的精度最高（可達(dá)1013數(shù)量級(jí)），由此成為最有發(fā)展前途的傳感技術(shù)之一。它們被廣泛應(yīng)用于測(cè)量機(jī)械扭矩、振動(dòng)、位移、速度、加速度、力、應(yīng)力、壓力、流體流量以及成分分析等。1.3 發(fā)展趨勢(shì)振弦式傳感器是目前是國(guó)內(nèi)外普遍重視和廣泛應(yīng)用的一種非電量電測(cè)的傳感器。由于振弦傳感器直接輸出振弦的自振頻率信號(hào)，因此，具有抗干擾能力強(qiáng)、受電參數(shù)影響小、零點(diǎn)飄移小、受溫度影響小、性能穩(wěn)定可靠、耐震動(dòng)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。與工程、科研中普遍應(yīng)用的電阻應(yīng)變計(jì)相比，有著突出的優(yōu)越性

28、：(1) 振弦傳感器有著獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式并以振弦頻率的變化量來(lái)表征受力的大小，因此具有長(zhǎng)期零點(diǎn)穩(wěn)定的性能，這是電阻應(yīng)變計(jì)所無(wú)法比擬的。在長(zhǎng)期、靜態(tài)測(cè)試傳感器的選擇中，振弦傳感器已成為取代電阻應(yīng)變計(jì)、而廣泛應(yīng)用于工程、科研的長(zhǎng)期原觀的測(cè)試手段。 (2)  隨著電子、微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，從實(shí)現(xiàn)測(cè)試微機(jī)化、智能化的先進(jìn)測(cè)試要求來(lái)看，由于振弦傳感器能直接以頻率信號(hào)輸出，因此，較電阻應(yīng)變計(jì)模擬量輸出能更為簡(jiǎn)單方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)高精度的自動(dòng)測(cè)試。1.4 課題主要研究?jī)?nèi)容本課題要求設(shè)計(jì)一種由振弦式傳感器和單片機(jī)組成的電子壓力測(cè)量?jī)x。該測(cè)量?jī)x采用新

29、型的振弦式壓力傳感器采集數(shù)據(jù),由單片機(jī)控制整個(gè)測(cè)量過(guò)程,并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理,自動(dòng)存儲(chǔ)、顯示以及與遠(yuǎn)程單元的通信。這里只需要完成信號(hào)采集與處理模塊。本課題要求設(shè)計(jì)的是基于振弦式傳感器的壓力測(cè)試儀。該壓力測(cè)試儀以單片機(jī)為中心，控制整個(gè)測(cè)量過(guò)程，并完成與GPRS模塊，無(wú)線通信模塊的連接。數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送和接收，經(jīng)單片機(jī)處理后，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程終端手機(jī)或計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，并顯示。本文可以分成五個(gè)主要的部分：第一部分是系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，闡述系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的各種技術(shù)和協(xié)議。第二部分是硬件設(shè)計(jì)，基于上述系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求完成對(duì)芯片的選擇，設(shè)計(jì)硬件原理圖，制作

30、PCB圖。 2第三部分是軟件設(shè)計(jì)，基于已設(shè)計(jì)的硬件原理圖為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)軟件程序框圖和闡述程序設(shè)計(jì)過(guò)程。第四部分是系統(tǒng)調(diào)試，對(duì)上述硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，判斷是否滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。第五部分是結(jié)論，基于上述部分對(duì)本文進(jìn)行最終的結(jié)論，并提出存在的不足和需要改進(jìn)的方面。課題的意義：基于振弦式傳感器的壓力測(cè)試儀的控制中心是單片機(jī)。本課題數(shù)據(jù)采集與處理模塊采用STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機(jī)。是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，具有高速，低功耗，超強(qiáng)抗干擾的特點(diǎn)。由該單片機(jī)控制無(wú)線通信模塊和GPRS模塊,并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理,自動(dòng)存儲(chǔ)、顯示

31、以及與遠(yuǎn)程單元的通信。本系統(tǒng)無(wú)線通信模塊運(yùn)用的無(wú)線傳輸方式是射頻方式，選用的是24L01模塊。射頻技術(shù)具有功率小，易開(kāi)發(fā)，可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，且傳輸過(guò)程中流量較小，適于小型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。在工業(yè)和民用領(lǐng)域使用范圍較廣，因此最適合應(yīng)用于本次課題。GPRS通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，具有較高的測(cè)量精度和極高的抗干擾能力。只要有GPRS網(wǎng)絡(luò)的地方，管理人員便可隨時(shí)隨地了解和控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)性較好，保密性強(qiáng)，使人從繁重的人工值守中解放出來(lái)，大大提高了生產(chǎn)力，降低了組網(wǎng)和勞動(dòng)力成本。本課題GPRS 模塊采用了SIMCOM 公司的SIM300。該模塊體積小巧，性能突出，可廣泛應(yīng)用于無(wú)線語(yǔ)

32、音傳輸、車載系統(tǒng)、遠(yuǎn)程抄表、安全監(jiān)控、遙控遙測(cè)、手持設(shè)備等領(lǐng)域。本課題的上位機(jī)模塊選用的是VB語(yǔ)言編程。VB是在Window環(huán)境下運(yùn)行的、支持可視化編程、面向?qū)ο蟮牟捎檬挛矧?qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，也是進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)最簡(jiǎn)單易學(xué)的程序設(shè)計(jì)工具。從任何標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，VB都是世界上使用人最多的語(yǔ)言，因此選用VB語(yǔ)言符合本課題的要求。2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及工作原理本系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，振弦式傳感器為測(cè)量設(shè)備，利用無(wú)線通信模塊將測(cè)得的頻率數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換得壓力。該頻率信號(hào)通過(guò)運(yùn)用AT指令的GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，并在上位機(jī)顯示與自動(dòng)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了基于UDP

33、傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，完成了工程的短距離監(jiān)測(cè)。2.1  系統(tǒng)主要功能 本文的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)基于振弦式傳感器的壓力測(cè)試系統(tǒng)，使其可以通過(guò)GPRS通信技術(shù)遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，并可以通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行顯示和遠(yuǎn)程監(jiān)控。本系統(tǒng)需要的功能及技術(shù)指標(biāo)綜述如下： （1）實(shí)現(xiàn)基于振弦式傳感器的數(shù)據(jù)采集與檢測(cè)； （2） 實(shí)現(xiàn)基于nRF24L01的短距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總； （3）監(jiān)測(cè)人員可以隨時(shí)隨地通過(guò)短信查詢?nèi)我夤?jié)點(diǎn)的頻率值； （4） 實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)控制的GPRS模塊的GPRS通信技術(shù)進(jìn)行的UDP數(shù)據(jù)傳輸，并能在PC機(jī)上進(jìn)行壓力和頻率信號(hào)的數(shù)

34、據(jù)顯示、數(shù)據(jù)圖形化等功能； （5） 頻率的檢測(cè)要滿足誤差小于2%的要求，壓力的測(cè)量誤差要滿足小于3%的要求，壓力測(cè)量范圍由所選傳感器決定。2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 圖1系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖2.3 總結(jié)點(diǎn)框圖總結(jié)點(diǎn)框圖如下圖所示，圍繞單片機(jī)展開(kāi)，連接振弦式傳感器，無(wú)線通訊24L01接收模塊，GPRS模塊，程序接口端口及一些數(shù)據(jù)線。 圖2  系統(tǒng)總節(jié)點(diǎn)框圖2.4  無(wú)線通信技術(shù)本課題設(shè)計(jì)的無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊需要具有如下特點(diǎn)： 1、由采集節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)組成，采集節(jié)點(diǎn)主要功能是數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給接收節(jié)點(diǎn)，接收節(jié)點(diǎn)主要是接收各個(gè)采

35、集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，之后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步整理、檢測(cè)、計(jì)算和儲(chǔ)存。2、本模塊針對(duì)數(shù)據(jù)采集的頻率適中的情況，傳輸速度適中。3、數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)可能存在各種干擾因素，因此需要在硬件和軟件上采取相應(yīng)措施來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾能力，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?、模塊需要具有體積小，成本低，開(kāi)發(fā)周期短的特點(diǎn)。5、本模塊的接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS模塊與上位機(jī)相連。GPRS網(wǎng)絡(luò)以封包形式傳輸數(shù)據(jù)，不受地域限制，傳輸速率快，收費(fèi)合理，目前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于檢測(cè)系統(tǒng)。2.4.1采集節(jié)點(diǎn)框圖 采集節(jié)點(diǎn)的主要結(jié)構(gòu)如圖所示，主要是由微處理器，傳感器，nRF24L01，USB-TTL

36、接口和天線組成。采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)交由nRF24L01發(fā)射。如圖3所示: 圖3  采集節(jié)點(diǎn)框圖2.4.2 接收節(jié)點(diǎn)框圖 接收節(jié)點(diǎn)的主要結(jié)構(gòu)如圖所示，主要是由微處理器， nRF2401，GPRS模塊，USB-TTL接口和天線組成，其中GPRS模塊可以將接收的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機(jī)，進(jìn)行檢測(cè)和處理。如圖4所示：  圖4接收節(jié)點(diǎn)框圖 2.5  GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)  GSM的原名為Group Special Mobile（移動(dòng)專門小組）。1988年，歐洲將GSM定義為“全球移

37、動(dòng)通信系統(tǒng)”（Global system for Mobile Communication），中文名為全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，俗稱“全球通”。通常把早期的模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)稱為第一代（1G）移動(dòng)通信系統(tǒng)，而GSM被稱為第二代（2G）數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。GSM網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)能力強(qiáng)，覆蓋地域廣，通信距離遠(yuǎn)，通信質(zhì)量好，抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)建設(shè)成本低并能提供多種不同的業(yè)務(wù)的特點(diǎn)。 GSM系統(tǒng)主要由移動(dòng)臺(tái)/移動(dòng)用戶（MS）、無(wú)線基站子系統(tǒng)（BSS）、交換網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（SS）及操作維護(hù)子系統(tǒng)（OMC）四大部分組成。移動(dòng)臺(tái)/移動(dòng)用戶（MS）是用戶設(shè)備，通常包括便攜式和

38、車載式。無(wú)線基站子系統(tǒng)（BSS）是在一定的無(wú)線覆蓋區(qū)中由MSC控制與MS進(jìn)行通信的系統(tǒng)設(shè)備，它主要負(fù)責(zé)完成無(wú)線發(fā)送接收和無(wú)線資源管理等功能。交換網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)主要完成交換功能和用戶數(shù)據(jù)與移動(dòng)性管理、安全性管理所需的數(shù)據(jù)庫(kù)功能。操作維護(hù)子系統(tǒng)主要是對(duì)整個(gè)GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和監(jiān)控。操作與維護(hù)管理的目的是使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商能夠監(jiān)控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，把需要監(jiān)控的內(nèi)容傳送到網(wǎng)絡(luò)管理中心，以供監(jiān)測(cè)人員分析。GSM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示： 圖5 GSM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖MS:移動(dòng)臺(tái) BSS:基站子系統(tǒng) BTS:基站收發(fā)BSC:基站控制器臺(tái) SC:短信息業(yè)務(wù)中心 SS:交換網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng) EIR:移動(dòng)設(shè)備識(shí)別寄存器 HLR:歸屬位

39、置寄存器 VLR:來(lái)訪位置寄存器AUC:鑒權(quán)中心 MSC:移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心 OMC:操作維護(hù)中心PSTN:公用電話網(wǎng) PLMN:公共陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)  ISDN:綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)PSPND:分組交換公用數(shù)據(jù)網(wǎng)2.6  GPRS技術(shù) GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無(wú)線業(yè)務(wù))是在現(xiàn)有的GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，是GSM網(wǎng)絡(luò)向第三代移動(dòng)通信演進(jìn)的第一步，這一步有兩點(diǎn)重要意義：一是在GSM網(wǎng)絡(luò)中引入分組交換能力，二是將速率提高到100kbit/s以上。 

40、GPRS是在GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入新的部件而構(gòu)成的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它采用分組交換技術(shù)，能兼容GSM網(wǎng)絡(luò)并在網(wǎng)絡(luò)上更加有效的傳輸高速數(shù)據(jù)和信令。系統(tǒng)原理圖如圖6所示: 圖6 GPRS系統(tǒng)原理圖GPRS采用與GSM相同的頻段、相同的頻帶寬度、相同的突發(fā)結(jié)構(gòu)、相同的無(wú)線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、相同的跳頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結(jié)構(gòu)。因比在GSM基礎(chǔ)上構(gòu)建GPRS系統(tǒng)時(shí)GSM系統(tǒng)中的絕大部分部件都不需要做硬件改動(dòng)，只需作軟件升級(jí)。 構(gòu)建GPRS系統(tǒng)的方法是： （1）在GSM系統(tǒng)中引入三個(gè)主要組件，這三個(gè)主要組件是SGSN(GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn))、GGSN(GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn))和PCU(分組控制

41、單元)，SGSN和GGSN又合稱為GSN(GPRS支持節(jié)點(diǎn))； （2）對(duì)GSM系統(tǒng)中的相關(guān)部件進(jìn)行軟件升級(jí)。 2.7  AT指令簡(jiǎn)介 AT即Attention，AT指令集是從終端設(shè)備(Terminal Equipment，TE)或數(shù)據(jù)終端設(shè)備(Data Terminal Equipment，DTE)向終端適配器(Terminal Adapter，TA)或數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備(Data Circuit Terminal Equipment，DCE)發(fā)送的。通過(guò)TA、TE發(fā)送AT指令

42、來(lái)控制移動(dòng)臺(tái)(Mobile Station，MS)的功能，與GPRS網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行交互。用戶可以通過(guò)AT指令進(jìn)行呼叫、短信、電話本、GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、補(bǔ)充業(yè)務(wù)、傳真等方面的控制。 其對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小有定義：即對(duì)于AT指令的發(fā)送，除AT兩個(gè)字符外，最 多可以接收1056個(gè)字符的長(zhǎng)度（包括最后的空字符）每個(gè)AT命令行中只能包含一條AT指令；對(duì)于由終端設(shè)備主動(dòng)向PC端報(bào)告的URC指示或者response響應(yīng)，也要求一行最多有一個(gè)，不允許上報(bào)的一行中有多條指示或者響應(yīng)。AT指令以回車作為結(jié)尾，響應(yīng)或上報(bào)以回車換行為結(jié)尾。2.8振弦傳感器原理鋼弦式傳感器是目前國(guó)內(nèi)外普遍重

43、視和廣泛應(yīng)用的一種非電量電測(cè)的傳感器。鋼弦式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)值可靠、精度與分辨力高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；其輸出為頻率信號(hào)，便于遠(yuǎn)距離傳輸，可以直接與微機(jī)接口，廣泛應(yīng)用于巖土工程測(cè)試中。鋼弦式傳感器的一般工作原理是：鋼弦放置在磁場(chǎng)中，用一定方式對(duì)鋼弦加以激振后，鋼弦將會(huì)發(fā)生共振，共振的弦線在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，因此，可在拾振線圈中感應(yīng)出電勢(shì)u，感應(yīng)電勢(shì)的頻率就是振弦的共振頻率。由力學(xué)原理可知，鋼弦的共振頻率與弦線所承受的張力或拉力與傳感器所承受的壓力或位移成線性關(guān)系，因此測(cè)得剛弦的共振頻率即可求出待測(cè)物理量(壓力或位移)。這類傳感器有兩種形式：一種是雙線圈，一只是激

44、振線圈，激振振弦讓弦振動(dòng)起來(lái)，另一只是拾振線圈，它是能把振弦的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)為同頻率的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的裝置；另一種是單線圈，這種傳感器激振線圈和拾振線圈為同一個(gè)線圈，激振和拾振分時(shí)進(jìn)行，先激振，后拾振。單線圈振弦式傳感器使用中主要解決兩個(gè)問(wèn)題：第一，激振方法，即用什么方法使振弦振起來(lái)；第二，拾振方法，包括拾振線圈中的微弱電動(dòng)勢(shì)的拾取得到電動(dòng)勢(shì)的頻率和頻率量測(cè)量?jī)刹糠?；如果要使單線圈振弦式傳感器被激勵(lì)(振動(dòng))起來(lái)，測(cè)量電路需要間斷地饋送電流給傳感器的激振線圈。在土木工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，常利用鋼弦式應(yīng)變計(jì)或壓力盒作為量測(cè)元件，其基本原理是由鋼弦內(nèi)應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殇撓艺駝?dòng)頻率的變化。根據(jù)數(shù)學(xué)物理方程中有關(guān)弦的振

45、動(dòng)的微分萬(wàn)程可推導(dǎo)出鋼弦應(yīng)力與振功頻率的如下關(guān)系：       式中：f鋼弦振動(dòng)頻率； L鋼弦長(zhǎng)度； 鋼弦的密度； 鋼弦所受的張拉應(yīng)力。  振弦式傳感器的工作原理及其特點(diǎn)   振弦式傳感器是目前國(guó)內(nèi)外普遍重視和廣泛應(yīng)用的一種非電量電測(cè)的傳感器。由于振弦傳感器直接輸出振弦的自振頻率信號(hào)，因此，具有抗干擾能力強(qiáng)、受電參數(shù)影響小、零點(diǎn)飄移小、受溫度影響小、性能穩(wěn)定可靠、耐震動(dòng)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。與工程、科研中普遍應(yīng)用的電阻應(yīng)變計(jì)相比，有著突出的優(yōu)越性：(1)振弦傳感器有著獨(dú)特

46、的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式并以振弦頻率的變化量來(lái)表征受力的大小，因此具有長(zhǎng)期零點(diǎn)穩(wěn)定的性能，這是電阻應(yīng)變計(jì)所無(wú)法比擬的。在長(zhǎng)期、靜態(tài)測(cè)試傳感器的選擇中，振弦傳感器已成為取代電阻應(yīng)變計(jì)、而廣泛應(yīng)用于工程、科研的長(zhǎng)期原觀的測(cè)試手段。 (2)隨著電子、微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，從實(shí)現(xiàn)測(cè)試微機(jī)化、智能化的先進(jìn)測(cè)試要求來(lái)看，由于振弦傳感器能直接以頻率信號(hào)輸出，因此，較電阻應(yīng)變計(jì)模擬量輸出能更為簡(jiǎn)單方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)高精度的自動(dòng)測(cè)試。為此，振弦傳感器得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。在國(guó)外，德國(guó)的MAlHAK、法國(guó)的TELEMAL、美國(guó)的SINCO和FOXBORO、英國(guó)的SCHLUBERGER及挪威等多

47、家公司，都有振弦傳感器的系列產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)從60年代起，先后研制開(kāi)發(fā)了適合各種測(cè)試目的的多種振弦傳感器的系列產(chǎn)品，如振弦式壓力計(jì)、土壓力計(jì)、空隙水壓力計(jì)、應(yīng)變計(jì)、測(cè)力(應(yīng)力)計(jì)、鋼筋計(jì)、扭力計(jì)、位移計(jì)、反力計(jì)、吊重負(fù)荷計(jì)、傾斜計(jì)等等。它們廣泛應(yīng)用于港口工程、土木建筑、道路橋梁、礦山冶金、機(jī)械船舶、水庫(kù)大壩、地基基礎(chǔ)等測(cè)試，已成為工程、科研中一種不可缺少的測(cè)試手段，顯示出了其廣闊應(yīng)用和發(fā)展的前景。 2.8.1工作原理 振弦式傳感器由受力彈性形變外殼(或膜片)、鋼弦、緊固夾頭、激振和接收線圈等組成。鋼弦自振頻率與張緊力的大小有關(guān)，在振弦?guī)缀纬叽绱_定之后，振弦振動(dòng)頻率的變化量，即可表

48、征受力的大小?，F(xiàn)以雙線圈連續(xù)等幅振動(dòng)的激振方式，來(lái)表述振弦式傳感器的工作原理。工作時(shí)開(kāi)啟電源，線圈帶電激勵(lì)鋼弦振動(dòng)，鋼弦振動(dòng)后在磁場(chǎng)中切割磁力線，所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)由接收線圈送入放大器放大輸出，同時(shí)將輸出信號(hào)的一部分反饋到激勵(lì)線圈，保持鋼弦的振動(dòng)，這樣不斷地反饋循環(huán)，加上電路的穩(wěn)幅措施，使鋼弦達(dá)到電路所保持的等幅、連續(xù)的振動(dòng)，然后輸出的與鋼弦張力有關(guān)的頻率信號(hào)。振弦這種等幅連續(xù)振動(dòng)的工作狀態(tài)，符合柔軟無(wú)阻尼微振動(dòng)的條件  2.8.2振弦的激振方式 振弦式傳感器的振弦是鋼弦，通過(guò)激振產(chǎn)生振動(dòng)。振弦激振的方式分為間歇觸發(fā)激振和等連續(xù)激振。 (1)問(wèn)歇觸發(fā)激振目

49、前，單線圈形式的振弦傳感器，均采用間歇觸發(fā)的激振方式。由張馳振蕩器產(chǎn)生激振脈沖，當(dāng)脈沖信號(hào)發(fā)出，則吸動(dòng)繼電器，通過(guò)常開(kāi)觸頭，將觸發(fā)電壓加于振弦傳感器的激振線圈上，產(chǎn)生電磁力，吸動(dòng)鋼弦；當(dāng)脈沖終止時(shí)，繼電器釋放，松開(kāi)鋼弦，從而產(chǎn)生自由振動(dòng)并切割磁力線，在激振線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，通過(guò)繼電器常閉觸頭輸入測(cè)試儀器，測(cè)得鋼弦的振動(dòng)頻率。 (2)等幅連續(xù)激振采用這種激振方式的振弦傳感器具有激勵(lì)和接收兩組帶磁鋼的電磁線圈，與放大電路、反饋和穩(wěn)幅電路組成等幅的振蕩器。在開(kāi)啟電源時(shí)激勵(lì)鋼弦，鋼弦切割磁力線而在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，將其輸出放大，并反饋到激勵(lì)線圈補(bǔ)足能量，不斷循環(huán)。在穩(wěn)幅電路限制的反饋

50、量下，達(dá)到等幅連續(xù)振蕩的激振方式，萁振動(dòng)頻率即為鋼弦的自振頻率。兩種技術(shù)的構(gòu)成不同，帶來(lái)一些性能上的差異。一般而言，“撥振”單線圈方式由于在傳感器內(nèi)的電子部件降低到最低限度，傳感器的可靠性及耐惡劣環(huán)境性都更好一些；同時(shí)，由于只采用一個(gè)線圈，傳感器的體積可以做得很小(而自動(dòng)諧振式傳感器需要更長(zhǎng)的鋼弦以便容納兩個(gè)線圈)；此外，由于單線圈振弦儀器只需兩芯電纜，總體費(fèi)用也更便宜。而“自動(dòng)諧振”-雙線圈方式的優(yōu)點(diǎn)是可通過(guò)高速計(jì)數(shù)技術(shù)或把頻率轉(zhuǎn)換成電壓方式在一定范圍可進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量(通常動(dòng)態(tài)信號(hào)輸人頻率限制在大約1OOHz內(nèi)，這主要取決于傳感器的諧振頻率)。自動(dòng)諧振”技術(shù)的另一優(yōu)點(diǎn)是可以使用通用的頻率計(jì)

51、和數(shù)據(jù)記錄儀即可讀取其它制造商的自動(dòng)諧振傳感器的數(shù)據(jù)。 2.8.3振弦式傳感器的特性 (1)振弦式傳感器的特性曲線是非線性的，測(cè)試的量值需用查對(duì)率定曲線的辦法進(jìn)行判定，是相當(dāng)麻煩的。因此，必須進(jìn)行線性回歸，作線性化處理。在選擇了較佳的傳感器工作頻段時(shí)，從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，其線性誤差可小于2，能較為簡(jiǎn)便地適應(yīng)自測(cè)試分析，也能保證較高的測(cè)試精度。 (2)靈敏度  要提高靈敏度最有效的辦法是縮短弦長(zhǎng)，同時(shí)在保證振弦能穩(wěn)定起振的情況下，鋼弦應(yīng)力盡可能小些。此外，采用細(xì)弦，減小抗彎剛度，也可以提高靈敏度。但振弦應(yīng)滿足柔軟無(wú)阻尼振動(dòng)運(yùn)動(dòng)微分方程，故鋼弦不能過(guò)短，弦長(zhǎng)與直

52、徑之比應(yīng)大于200，般在300-400之間為宜。  (3)  溫度影響由于傳感器零件的金屬材料膨脹系數(shù)的不同，造成了溫度誤差。為減小這一誤差，在零件材料選擇上，除盡量考慮達(dá)到傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)自身的熱平衡外，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配技術(shù)上不斷調(diào)整零件的幾何尺寸和相對(duì)固定位置，以取得最佳的溫度補(bǔ)償結(jié)果。實(shí)踐結(jié)果表明，傳感器在-10 -55使用溫度范圍內(nèi)時(shí)，溫度附加誤差僅有1.5HzlO。 (4)穩(wěn)定性  振弦式傳感器是機(jī)械結(jié)構(gòu)式的，它不受電流、電壓、絕緣等電參數(shù)的影響，因此，零點(diǎn)穩(wěn)定。這是這類傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)。但若材料選擇處理不當(dāng)，由于殘余應(yīng)力、

53、蠕變等因素，會(huì)嚴(yán)重影響傳感器的穩(wěn)定性。為了提高振弦式傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，必須嚴(yán)格選擇材料、工藝處理、加工方法并進(jìn)行時(shí)效處理，才能保證其良好的穩(wěn)定性。  (5)滯后性  由于振弦式傳感器是機(jī)械結(jié)構(gòu)式的，以鋼弦為轉(zhuǎn)換元件，存在滯后的特性，因此，只能適用于靜態(tài)和不大于1 0Hz的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)試。  2.8.4振弦傳感器的主要技術(shù)指標(biāo) 1)指標(biāo) (1)回差：士05(20士5 ) (2)重復(fù)差：士O5(20士 5 )  (3)穩(wěn)定誤差：士1O(4)使用溫度范圍：-10+

54、 55 (5)溫度附加誤差：士O25l 0 (1.5Hz 10 ) (6)靈敏度：士O.10(7)能抗與奧斯特外磁場(chǎng)干擾 (8)能抗顛振2.8.5 材料選擇與工藝處理振弦傳感器的材料選擇與工藝處理直接影響傳感器的精度、靈敏度和穩(wěn)定性，因此，必須進(jìn)行認(rèn)真的選配和嚴(yán)格的工藝處理。 1) 材料選擇的原則 (1)在常溫下材料的線膨脹系數(shù)盡量接近或相同；(2)選用彈性模量低、彈性極限高的材料，通過(guò)工藝處理，能保證在最大載荷下，材料彈性變形在材料變形極限的l312以下； (3)

55、彈性元件的抗蠕變能力好； (4)彈性元件的殘余應(yīng)力??；(5)材料成本低、性能穩(wěn)定、工藝處理簡(jiǎn)便；(6)選用材料經(jīng)處理后，其機(jī)械性能應(yīng)盡可能接近被測(cè)材料。2) 工藝處理要求 在彈性模量基本相同的情況下，盡量提高材料的回彈模量，以保證最大載荷時(shí)材料的彈性變形為材料彈性極限的三分之一左右。對(duì)各零件材料的抗蠕變能力及殘余應(yīng)力、加工應(yīng)力應(yīng)變等都進(jìn)行了較合理的工藝處理。同時(shí)通過(guò)各種試驗(yàn)，確定了合理的結(jié)構(gòu)，選擇了最佳頻段，使傳感器性能穩(wěn)定，取得了良好效果。綜合技術(shù)性能比較理想，選到了技術(shù)要求和設(shè)計(jì)目的。  工藝處理要點(diǎn)：(1)材料的調(diào)質(zhì)熱處理使材料晶粒改變，

56、內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，強(qiáng)度增高，尺寸穩(wěn)定，提高抗蠕變能力并消除內(nèi)應(yīng)力；(2)控制加工進(jìn)刀量，減小加工應(yīng)力；(3)加工完成的傳感器零件，進(jìn)行中溫回火處理，以消除加工應(yīng)力；(4)傳感器零件進(jìn)行冷凍處理，使材料組織內(nèi)少量殘余奧氏體幾乎全部變?yōu)榉€(wěn)定的馬氏體組。以提高穩(wěn)定性；(5)傳感器裝配前形變彈性體應(yīng)超載張拉；(6)傳感器總裝完成后，應(yīng)進(jìn)行反復(fù)加、卸載試驗(yàn)；(7)嚴(yán)格防水密措施、防震措施；(8)在烘箱內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間加速時(shí)效處理。 2.8.6振弦式傳感器的測(cè)量系統(tǒng) 振弦式傳感器通過(guò)激振電路激振后，輸出的頻率信號(hào)可采用各種頻率儀、數(shù)字頻率儀，進(jìn)行測(cè)頻或周期的測(cè)試。也可通過(guò)頻率電壓轉(zhuǎn)換器或接口轉(zhuǎn)

57、換，輸送給打印機(jī)、函數(shù)記錄儀、光線示波器、微機(jī)等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、記錄存儲(chǔ)。無(wú)阻尼振動(dòng)振幅不變的簡(jiǎn)諧振動(dòng)叫作無(wú)阻尼振動(dòng)。簡(jiǎn)諧振動(dòng)的物體在客服外界阻力做功不斷消耗能量的情況下，振幅會(huì)越來(lái)越小，甚至完全停下來(lái)。這種振幅越來(lái)越小的振動(dòng)叫作阻尼振動(dòng)。如果對(duì)這個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)不斷補(bǔ)充損耗的能量，使振動(dòng)的振幅保持不變，這種振幅不變的振動(dòng)叫作無(wú)阻尼振動(dòng)。做無(wú)阻尼振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)物體不斷受到周期性變化的外力的作用。這種周期性變化的外力叫作驅(qū)動(dòng)力，在驅(qū)動(dòng)力作用下物體的振動(dòng)叫作受迫振動(dòng)。3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)主要是單片機(jī)的選擇、單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)、電源模塊設(shè)計(jì)、液晶顯示模塊設(shè)計(jì)、無(wú)線收發(fā)電路設(shè)計(jì)、和GPRS模塊設(shè)計(jì)。3.1

58、  單片機(jī)的選擇 1、傳統(tǒng)51：傳統(tǒng)51適合初學(xué)者，容易上手，價(jià)格一般（從性價(jià)比方面說(shuō)）。 缺點(diǎn)：解密容易，一般功能也有，但A/D、EEPROM等功能要靠擴(kuò)展，增加硬件和軟件負(fù)擔(dān)。 2、PIC：PIC的好處就是各個(gè)型號(hào)的兼容性強(qiáng)。12系列，16系列，18系列也是充分的向下兼容。功能全，型號(hào)多，適于選型分析，抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)：解密容易，單片機(jī)價(jià)格貴（從性價(jià)比方面說(shuō)）。 3、avr mega：avr mega價(jià)格較便宜（從性價(jià)比方面說(shuō)），硬件結(jié)構(gòu)適合C語(yǔ)言編程，功能齊全，不容易解密?？垢蓴_能力強(qiáng)。型號(hào)之間兼容性一般。

59、缺點(diǎn)：功能寄存器多，不適合初學(xué)者。 4、 STC12C5A60S2：STC價(jià)格便宜，性價(jià)比高，功能多，抗干擾能力最強(qiáng)，EEPROM大，串口編程很方便，又增加了許多功能。缺點(diǎn)：STC功耗偏高，做低功耗不太合適。一般用于研發(fā)用的比較多。所以本文選擇STC12C5A60S2單片機(jī)。STC12C5A60S2是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC成為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)

60、Flash，512字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外STC12C5A60S2 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35Mhz。STC12C5A60S2單片機(jī)如圖7所示: 圖7  S

61、TC12C5A60S2單片機(jī) 圖8 系統(tǒng)框圖3.2  單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)3.2.1 時(shí)鐘電路單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘信號(hào)為基準(zhǔn)，所以時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響了單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。時(shí)鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生和外部方式產(chǎn)生兩種。如果外部時(shí)鐘頻率在33MHZ以上，直接用外部有源晶振；如果使用內(nèi)部RC振蕩器時(shí)鐘，XTAL1和XTAL2腳浮空；如果外部時(shí)鐘頻率在27MHZ以上時(shí)，使用標(biāo)稱頻率就是基本頻率的晶體，或直接使用外部有源晶振，時(shí)鐘從XTAL1腳輸入，XTAL2腳必須浮空。本文采用內(nèi)部方式的時(shí)鐘電路來(lái)為單片機(jī)提供振蕩電路。內(nèi)

62、部方式的時(shí)鐘電路如圖9 所示。STC單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。電容值在530PF之間選擇，電容的大小會(huì)影響晶體振蕩器頻率的高低、穩(wěn)定性和起振的快速性。晶體振蕩頻率可以在1.212MHz之間選擇，晶振的頻率越高，系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也就越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。本文選用晶振為11.0592MHZ。 圖9  內(nèi)部方式時(shí)鐘電路外部方式的時(shí)鐘電路如圖10所示。外部方式的時(shí)鐘電路使用了

63、外部振蕩器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，常用于多單片機(jī)同時(shí)工作，以便于多單片機(jī)之間同步。對(duì)外部振蕩信號(hào)無(wú)特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHz的方波信號(hào)。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘P1和P2，供單片機(jī)使用。XTAL1接地，XTAL2接外部振蕩器。 圖10 外部方式時(shí)鐘電路3.2.2  復(fù)位電路 上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖11所示。只要電源Vcc的上升時(shí)間不超過(guò)1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即接通電源就成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。圖12是常用的上電復(fù)位電路，這種上電復(fù)位利用電容器充電來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)加電時(shí)，電容C充電，電路有電流流過(guò)，構(gòu)成回路，在電阻R上產(chǎn)生壓降，RESET引腳為高電平；當(dāng)電容C充滿電后，電路相當(dāng)于斷開(kāi)，RESET的電位與地相同，復(fù)位結(jié)束。圖11 上電