打樁船自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中聲音控制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)

1 引言
    在自動(dòng)化技術(shù)高速發(fā)展與微處理器廣泛應(yīng)用的今天，傳感器技術(shù)也越來(lái)越被重視。各傳感器產(chǎn)品相繼出現(xiàn)，并應(yīng)用到各種控制領(lǐng)域及測(cè)量系統(tǒng)以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作。隨著我國(guó)海洋資源不斷開(kāi)發(fā)及水上交通的飛速發(fā)展，近幾年來(lái)我國(guó)沿海各大城市都在大力發(fā)展港口的建設(shè)，各類傳感設(shè)備打破傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法，在海上施工船舶的測(cè)量系統(tǒng)中也發(fā)揮著巨大的作用，例如一個(gè)船舶打樁自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中就集成了高精度GPS接收機(jī)、傾斜儀、激光測(cè)距儀、聲控計(jì)數(shù)系統(tǒng)等以采集打樁過(guò)程中各類數(shù)據(jù)，并對(duì)船舶姿態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)矯正，以控制打樁精度，大大提高了施工質(zhì)量與工作效率。
    本文的聲音控制計(jì)數(shù)器是該系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，主要用來(lái)記錄打一根樁時(shí)氣錘打樁的次數(shù)，解決了以往人工記錄費(fèi)時(shí)費(fèi)力、準(zhǔn)確度不高的缺點(diǎn)，并可自動(dòng)輸送到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件進(jìn)行記錄。

2 工作原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2．1 工作原理
    聲音控制計(jì)數(shù)系統(tǒng)是通過(guò)駐極體電容傳聲器拾取打樁船氣錘敲擊樁柱時(shí)所發(fā)出的聲音，并經(jīng)放大濾波等處理消除掉船上發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)聲、工人工作時(shí)敲擊聲等雜聲后，經(jīng)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理，根據(jù)敲擊的規(guī)律及波形分析再次排除各類干擾，進(jìn)行準(zhǔn)確記錄后通過(guò)串口輸送給上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件進(jìn)行記錄。
2．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    聲音控制計(jì)數(shù)系統(tǒng)主要包括拾音頭、前置放大、濾波中放、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換、微處理器等五個(gè)部分，其系統(tǒng)框圖如圖l所示。

3 模擬部分設(shè)計(jì)
3．1 前置放大
    前置放大處理原理見(jiàn)圖2。模擬電路具有可靠性高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，一旦電路參數(shù)確定，其性能也就確定下來(lái)。由于船上設(shè)備諸多，各種設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲覆蓋范圍大，有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轟鳴聲，也有金屬相互撞擊的高頻聲，還有海浪撞擊船體的低頻聲，因此在如此復(fù)雜的環(huán)境中拾取打樁聲要經(jīng)過(guò)多次處理。由于拾音頭靈敏度較低，為提高接收靈敏度，把傳聲器接成惠登斯橋的一臂，并經(jīng)隔直電容隔直后送至反相放大器的反向端，而電橋的另一結(jié)點(diǎn)接放大器同相端。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，環(huán)境噪聲會(huì)有相應(yīng)的變化，且鋼樁與水泥樁的音質(zhì)及頻率不一樣，前置放大器可手動(dòng)調(diào)整增益以達(dá)到最佳效果。其原理如圖2。

3．2 模一數(shù)接口
    模擬—數(shù)字接口處理原理如圖3所示。聲音信號(hào)經(jīng)前置放大后再送入濾波與第二級(jí)放大、檢波等處理環(huán)節(jié)變成比較干凈、幅度可識(shí)別的模擬信號(hào)。為送入單片機(jī)做進(jìn)一步的糾錯(cuò)處理及作相應(yīng)的控制處理，需要對(duì)輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。這里分成兩路進(jìn)行處理，其中一路進(jìn)行緩沖驅(qū)動(dòng)后送入單片機(jī)A／D采樣接口進(jìn)行波形采樣；另一路送入單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)行去抖處理以防止噪聲引起的脈沖輸出而被誤計(jì)數(shù)。

4 控制部分設(shè)計(jì)
    為了對(duì)打樁聲進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將該數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件記錄下來(lái)，本計(jì)數(shù)器選擇了STl2C2052AD單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，這是一款具有A／D轉(zhuǎn)換接口、外部中斷請(qǐng)求輸入、增強(qiáng)型異步串口的8051型單片機(jī)，它具有體積小，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)資源非常適合本系統(tǒng)的應(yīng)用。
    計(jì)數(shù)控制流程如圖4所示。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)接口的處理，第一路經(jīng)過(guò)線性緩沖器驅(qū)動(dòng)后送入單片機(jī)A／D采樣接口對(duì)聲音波形進(jìn)行采樣以記錄波形的特性。由于打樁聲經(jīng)過(guò)模擬電路的處理后強(qiáng)度要比別的雜聲大，而且其持續(xù)時(shí)間要相對(duì)較長(zhǎng)，因此可以根據(jù)這一特性對(duì)波形進(jìn)行自適應(yīng)識(shí)別。但是船上作業(yè)中會(huì)有臨時(shí)的金屬撞擊聲打破這種特性，因此單獨(dú)的波形識(shí)別是不能保證計(jì)數(shù)的高可靠性的。因此這里設(shè)計(jì)了兩路輸入，另一路經(jīng)過(guò)單穩(wěn)態(tài)去抖濾波后轉(zhuǎn)換成數(shù)字計(jì)數(shù)脈沖輸入單片機(jī)中斷輸入請(qǐng)求端進(jìn)行計(jì)數(shù)中斷請(qǐng)求。由于打樁時(shí)打樁聲在時(shí)間上具有一定的周期性，打擊間隔有規(guī)律，因此在處理器內(nèi)部啟動(dòng)定時(shí)器對(duì)打樁周期進(jìn)行記錄，從周期上來(lái)識(shí)別聲音的真假。這兩路輸入單獨(dú)處理都存在其局限性，但如果將兩路結(jié)合起來(lái)，其中一路對(duì)波形特性進(jìn)行識(shí)別，另一路對(duì)周期進(jìn)行識(shí)別，相輔相成，大大提高了計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確率。

5 結(jié)語(yǔ)
    聲音控制、聲音傳感等技術(shù)發(fā)展到今天已有廣泛的應(yīng)用，但隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各領(lǐng)域自動(dòng)化程度的提高，要求也在提高。在實(shí)際應(yīng)用中，可控制性、實(shí)現(xiàn)的高精度、高可靠性更成為當(dāng)今的焦點(diǎn)，為了提高系統(tǒng)集成度，往往需要通用的接口與微機(jī)相連。本設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際環(huán)境的特性，以模擬電路處理與數(shù)字電路處理及微機(jī)控制相結(jié)合，綜合三者的優(yōu)點(diǎn)，互補(bǔ)三者的缺點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)際環(huán)境、樁的不同，手動(dòng)調(diào)節(jié)固定參數(shù)，大大地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確度。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用，該計(jì)數(shù)系統(tǒng)準(zhǔn)確度達(dá)到98％以上，且非常便于打樁系統(tǒng)的集成，是船舶打樁系統(tǒng)自動(dòng)化控制與測(cè)量系統(tǒng)中的重要組成部分。