一種新型公路路基含水率檢測器系統(tǒng)設(shè)計

引言


在新建公路中，路基的強度、板體性、水穩(wěn)性受多種因素制約，如填料種類、粒徑范圍、施工溫度、地下水和降雨等。在多種影響因素中，水對路基的侵蝕影響最為嚴(yán)重，路基處理時填料的含水量對壓實度影響較大。施工過程中，現(xiàn)場施工人員需要控制填料含水率，只有填料處于最佳含水率時進(jìn)行碾壓，路基強度才會高，壓實度才有保障。因此，施工人員需要針對不同的含水率采用不同的施工工藝和施工步驟，快速得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，加快施工速度，在保證路基質(zhì)量的同時降低建設(shè)成本[1-2]。


系統(tǒng)總體設(shè)計


本設(shè)計以STM32芯片為核心，供電電源為5V直流電，通過LM1117芯片使電壓轉(zhuǎn)換為單片機需要的工作電壓；采用GPS模塊記錄高精度土壤濕度傳感器測定的路基填料含水率，通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)回傳到上位機，并由屏幕顯示。含水率檢測系統(tǒng)包括含有位置記錄的料場中料樣的含水率信息，可根據(jù)料源的位置與料樣情況人為設(shè)置閾值，當(dāng)含水率超過或接近閾值時，屏幕顯示該數(shù)據(jù)，蜂鳴器報警[3-4]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。


系統(tǒng)電路設(shè)計


本系統(tǒng)主控芯片選擇STM32F103C8T6，其引腳采用LQF48封裝，電源供電電壓范圍為2～3.6V，適用環(huán)境溫度為-45～85℃。單片機內(nèi)置閃存64KB，靜態(tài)內(nèi)存

8KB，外設(shè)系統(tǒng)資源充足。STM32F103C8T6單片機有40個

收稿日期：2020-09-29修回日期：2020-11-02

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金項目（41701479）；黑龍江省省屬高等學(xué)?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項（135309342）

引腳，每個引腳都具備獨特的功能，為了較好地實現(xiàn)含水率檢測系統(tǒng)的測量、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等功能，需要與復(fù)位、顯示、按鍵、預(yù)警、傳感器等接口準(zhǔn)確連接[5-6]。

基礎(chǔ)電路設(shè)計



復(fù)位電路設(shè)計



通過電容、電阻元器件的搭配實現(xiàn)電路的復(fù)位功能。在超短時間內(nèi)電容充滿使得電阻變成無電壓狀態(tài)，此時電路正常工作。操作人員使用檢測設(shè)備時，人員按下復(fù)位鍵，電容放電，電阻出現(xiàn)高壓，系統(tǒng)完成復(fù)位。



晶振電路設(shè)計



晶振電路是單片機電路的組成部分。如果單片機無晶振電路，則系統(tǒng)將無法正常工作。晶振的頻率決定了定時器的各項參數(shù)。選用無源晶振搭配起振電路（起振電路主要由2 個電容構(gòu)成）實現(xiàn)該部分功能。



電源電路設(shè)計



含水率檢測器系統(tǒng)選用的核心控制器的工作電壓范圍為2 ～3.3 V。如果單片機連接的電源超過了芯片手冊給出

的范圍，將導(dǎo)致芯片燒毀。如果電壓低于2 V，則單片機無法正常工作。本設(shè)計選用的供電電源為5 V 直流電，可通過LM1117 芯片將供電電壓轉(zhuǎn)換為單片機需要的工作電壓。



數(shù)據(jù)采集電路



土壤濕度傳感器模塊設(shè)計



土壤濕度傳感器主要用在檢測儀器前端，當(dāng)試驗人員需要檢測料樣含水率時，將傳感器插入料樣即可。由于料場、料樣不盡相同，因此含水量相差較大，料樣所呈現(xiàn)的阻值亦不同。三極管根據(jù)不同的電阻值提供不同的電流，集電極到發(fā)射極的電流受基極控制，發(fā)射極的下拉電阻帶有電壓。當(dāng)料樣中無探頭時，輸出電平為0，土壤濕度傳感器不工作。



GPS模塊設(shè)計



系統(tǒng)采用ATK-NEO-6M 模塊傳輸數(shù)據(jù)。ATK-NEO-6M 模塊與STM32 單片機只需通過4 條線路連接：VCC 與單片機的電源相接，GND 接地，TXD/RXD 與單片機反接。



功能電路設(shè)計



顯示模塊設(shè)計



系統(tǒng)采用TJC4827K043_011RN 的USART HMI 智能串口屏實時顯示含水率和地理位置信息。施工人員可通過串口屏實時監(jiān)控當(dāng)前被測部位的路基含水率，方便用戶了解路基填料的信息。智能串行觸摸屏型號為TJC4827K043_011RNHMI，它集成了彩色TFT LCD 顯示屏，配備了CPU 處理器，具有可編程I/O 端口、電阻式觸摸屏和其他輸入設(shè)備等。



報警電路設(shè)計



當(dāng)檢測的料樣含水率超過人為設(shè)定的范圍時，檢測系統(tǒng)報警。報警使用的元器件為蜂鳴器，它是一種常見的聲響器件，使用廣泛。蜂鳴器一般采用三極管驅(qū)動，供電電壓范圍為3.3 ～5 V，當(dāng)端口為高電平時蜂鳴器工作，發(fā)出響聲。三極管驅(qū)動功能和電路開關(guān)功能類似，當(dāng)三極管接通時，蜂鳴器導(dǎo)通并發(fā)出聲響；當(dāng)三極管的基極不導(dǎo)通時，蜂鳴器無反應(yīng)。



系統(tǒng)軟件設(shè)計



設(shè)計系統(tǒng)主要包括主程序部分、含水率檢測部分、GPS 采集模塊、顯示程序部分。系統(tǒng)選用土壤濕度傳感器對路基填料取樣處的料樣進(jìn)行含水率檢測，選用型號為NEO-6M 的定位傳感器采集料場的位置信息。所測料樣含水率和位置地理信息通過串口屏顯示，由觸摸屏設(shè)置含水率范圍，當(dāng)所取料樣含水率過高時，蜂鳴器報警，同時串口屏幕顯示“含水率過高”字樣。

系統(tǒng)主程序設(shè)計的重點是實現(xiàn)含水率檢測器系統(tǒng)模塊間的聯(lián)系以及各函數(shù)間的調(diào)用。首先按動開關(guān)，啟動檢測器系統(tǒng)，同時進(jìn)行初始化操作。當(dāng)高精度土壤濕度傳感器檢測到所測料樣的濕度后，將模擬濕度信號傳輸至A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為單片機可以識別、處理的數(shù)字濕度信號，然后將該數(shù)字信號傳送至單片機進(jìn)行再處理，并將處理后的信號轉(zhuǎn)換成可以在智能串口屏上顯示的文字。

系統(tǒng)可以按使用者的需求自由設(shè)定含水率的閾值。在將信息進(jìn)行顯示之前，要將其與使用者設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，如果獲得的信號不在設(shè)定的區(qū)間范圍，系統(tǒng)會輸出低電平，蜂鳴器通電報警，同時HMI 串口屏顯示預(yù)警信息。含水率檢測器系統(tǒng)的主流程如圖2 所示。

系統(tǒng)調(diào)試



硬件電路調(diào)試



系統(tǒng)設(shè)計完成之后，對數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行調(diào)試。數(shù)據(jù)采集電路分為土壤濕度傳感器電路和GPS 模塊電路。為避免電路短路導(dǎo)致元器件燒毀，上電前須使用萬用表檢查電路，如果萬用表長鳴，則排除電路短路的情況。

顯示報警電路作為含水率檢測器系統(tǒng)的功能電路，需要實現(xiàn)的功能如下：

將數(shù)據(jù)采集電路收集到的含水率信息和地理信息顯示在人機交互模塊的智能串口屏上；

當(dāng)檢測的信號不在施工人員所設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)時，

顯示預(yù)警信息。

本含水率檢測器系統(tǒng)的主要組成部分包括數(shù)據(jù)采集部分

（土壤濕度檢測模塊、GPS 模塊）和功能模塊（人機交互模塊、報警模塊）。



軟件調(diào)試



系統(tǒng)將料樣濕度模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將其發(fā)送到串口的液晶顯示屏，同時，將測定的實際含水率與閾值數(shù)值進(jìn)行對比。設(shè)計含水率程序閾值的目的是便于主程序確定設(shè)置的最佳含水率上限與下限，只有通過主程序的循環(huán)運行，才能實現(xiàn)檢測目的。當(dāng)點擊“確定”之后，試驗人員將進(jìn)行閾值設(shè)置，程序得到修改。在重新確定料樣含水率閾值后，檢測器將通過檢測得到的實際含水率與設(shè)定的閾值進(jìn)行比對，高于或低于閾值時，報警電路發(fā)出響聲，屏幕閃爍顯示“高”或“低”。檢測器系統(tǒng)中的所有單獨模塊都要進(jìn)行逐一調(diào)試，分別檢測其性能，最后進(jìn)行整體測試。調(diào)試時，主程序在Keil編輯軟件中運行，編寫無誤后，生成鏡像Hex文件，并燒錄到單片機中。

對檢測系統(tǒng)各子系統(tǒng)和各模塊進(jìn)行測試，對土壤濕度傳感器模塊、GPS 模塊、報警模塊進(jìn)行功能驗證，含水率檢測器系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：

系統(tǒng)可以實時檢測當(dāng)前待測位置的含水率數(shù)據(jù)和地理位置，并顯示當(dāng)前含水率數(shù)值為“過高！”“過低！”或者“正常”；

檢測的含水率數(shù)值、地理位置和當(dāng)前日期可以實時顯示在串口屏上；

可觸控設(shè)置含水率數(shù)值的上限，超限時串口屏顯示“過高！”，蜂鳴器報警，提醒施工人員此處路基含水率不達(dá)標(biāo)，無法進(jìn)行下一步施工。



結(jié)語



本檢測器的創(chuàng)新之處在于成功將電子技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)相結(jié)合，提高了道路施工人員的工作效率和公路的質(zhì)量，具有

一定的實際使用價值。今后，還可以為該系統(tǒng)增加無線加速度傳感器，對路基進(jìn)行壓實度檢測，使得系統(tǒng)功能得到進(jìn)一步延展。

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作者簡介：李會（1974—），碩士，副教授，任教于齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，研究方向為信息處理技術(shù)。