1、 淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 15 页1 绪论在大型土木工程的安全监测中，压力作为一个重要的参数，其检测方法一直备受重视。通过对各种结构所受压力的实时检测，对保障健康、降低事故发生率具有重要的意义。由于振弦式传感器具有输出信号稳定、易检测、精度和分辨率高等诸多优点，因此是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。基于振弦式传感器的压力测试仪的使用对国民安全和国民经济起着举足轻重的作用。1.1 课题研究目的和意义在建筑工业中，安全问题是重中之重，一旦一个工程安全问题得不到保障，投入的资金再多，耗费的人力物力再大，也都显得没有任何意义
2、。振弦式仪器是目前我国土石坝内部观测的首选仪器,它在大坝监测、桥梁监测和岩石工程中占有重要地位。基于扫频激振技术的激振单线圈振弦式传感器的方法为实现上述工程自动监测系统提供有力支持。基于扫频激振技术的振弦式传感器应用于某型分布式网络测量系统中，用于大坝内部应力自动监测,具有起振迅速、测值可靠、自动化程度高的突出优点,取得了较好的应用效果。基于振弦式传感器的压力测试系统对桥梁结构的安全性和对国民经济起着举足轻重的作用。 对桥梁的运行状况进行健康监测，可以有效预防突发性灾难，减少损失, 避免人员伤亡, 确保基础设施与使用者的安全。1.2 国内外技术发展现状振弦传感器得到了迅速的发展和应用。在国外，
3、德国的 MAlHAK、法国的TELEMAL、美国的 SINCO 和 FOXBORO、英国的 SCHLUBERGER 及挪威等多家公司，都有振弦传感器的系列产品。国内从 60 年代起，先后研制开发了适合各种测试目的的多种振弦传感器的系列产品，如振弦式压力计、土压力计、空隙水压力计、应变计、测力(应力)计、钢筋计、扭力计、位移计、反力计、吊重负荷计、倾斜计等等。它们广泛应用于港口工程、土木建筑、道路桥梁、矿山冶金、机械船舶、水库大坝、地基基础等测试，已成为工程、科研中一种不可缺少的测试手段，显示出了其广阔应用和发展的前景。 淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页
4、 共 15 页除了振弦式传感器外，还有振筒式、振梁式和振膜式等传感器，它们统称为谐振式传感器。它们的工作原理与特性相似或相同，是20世纪70年代发展起来的。由于是频率式传感器，频率测量的精度最高（可达1013数量级） ，由此成为最有发展前途的传感技术之一。它们被广泛应用于测量机械扭矩、振动、位移、速度、加速度、力、应力、压力、流体流量以及成分分析等。1.3 发展趋势振弦式传感器是目前是国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。由于振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号，因此，具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点。与工程、科研中普遍
5、应用的电阻应变计相比，有着突出的优越性： (1) 振弦传感器有着独特的机械结构形式并以振弦频率的变化量来表征受力的大小，因此具有长期零点稳定的性能，这是电阻应变计所无法比拟的。在长期、静态测试传感器的选择中，振弦传感器已成为取代电阻应变计、而广泛应用于工程、科研的长期原观的测试手段。 (2) 随着电子、微机技术的发展，从实现测试微机化、智能化的先进测试要求来看，由于振弦传感器能直接以频率信号输出，因此，较电阻应变计模拟量输出能更为简单方便地进行数据采集、传输、处理和存储，实现高精度的自动测试。 1.4 课题主要研究内容本课题要求设计一种由振弦式传感器和单片机组成的电子压力测量仪。该测量仪采用新
6、型的振弦式压力传感器采集数据,由单片机控制整个测量过程,并负责数据的实时处理,自动存储、显示以及与远程单元的通信。这里只需要完成信号采集与处理模块。本课题要求设计的是基于振弦式传感器的压力测试仪。该压力测试仪以单片机为中心，控制整个测量过程，并完成与 GPRS 模块，无线通信模块的连接。数据通过无线通信模块发送和接收，经单片机处理后，通过 GPRS 网络发送到远程终端手机或计算机中进行处理，并显示。本文可以分成五个主要的部分：第一部分是系统的总体设计，分析系统的设计要求，提出系统设计方案，阐述淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 15 页系统设计所需的
7、各种技术和协议。第二部分是硬件设计，基于上述系统的设计要求完成对芯片的选择，设计硬件原理图，制作 PCB 图。第三部分是软件设计，基于已设计的硬件原理图为实现系统的功能设计软件程序框图和阐述程序设计过程。第四部分是系统调试，对上述硬件设计和软件设计进行系统联调，判断是否满足系统设计要求。第五部分是结论，基于上述部分对本文进行最终的结论，并提出存在的不足和需要改进的方面。课题的意义：基于振弦式传感器的压力测试仪的控制中心是单片机。本课题数据采集与处理模块采用STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机。是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，具有高速，低功耗，超强抗干扰的特点。由
8、该单片机控制无线通信模块和GPRS模块,并负责数据的实时处理,自动存储、显示以及与远程单元的通信。本系统无线通信模块运用的无线传输方式是射频方式，选用的是24L01模块。射频技术具有功率小，易开发，可靠性强等特点，且传输过程中流量较小，适于小型无线网络。在工业和民用领域使用范围较广，因此最适合应用于本次课题。GPRS通信技术进行数据的远距离传输，具有较高的测量精度和极高的抗干扰能力。只要有GPRS网络的地方，管理人员便可随时随地了解和控制系统运行状态，实时性较好，保密性强，使人从繁重的人工值守中解放出来，大大提高了生产力，降低了组网和劳动力成本。本课题GPRS 模块采用了SIMCOM 公司的S
9、IM300。该模块体积小巧，性能突出，可广泛应用于无线语音传输、车载系统、远程抄表、安全监控、遥控遥测、手持设备等领域。本课题的上位机模块选用的是VB语言编程。VB是在Window环境下运行的、支持可视化编程、面向对象的采用事物驱动的结构化程序设计语言，也是进行应用系统开发最简单易学的程序设计工具。从任何标准来说，VB都是世界上使用人最多的语言，因此选用VB语言符合本课题的要求。2 系统总体设计本系统以 STC12C5A60S2 单片机为控制核心，振弦式传感器为测量设备，利用无线通信模块将测得的频率数据发送与接收，在单片机内部进行处理并转换得压力。淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书
10、 （ 论 文 ） 第 4 页 共 15 页该频率信号通过运用 AT 指令的 GPRS 网络传输到上位机，并在上位机显示与自动存储，实现了基于 UDP 传输协议的数据传输，完成了工程的短距离监测。2.1 系统主要功能本文的主要任务是设计一个基于振弦式传感器的压力测试系统，使其可以通过GPRS 通信技术远程传输数据，并可以通过上位机进行显示和远程监控。本系统需要的功能及技术指标综述如下：（1）实现基于振弦式传感器的数据采集与检测；（2）实现基于 nRF24L01 的短距离无线数据传输，实现数据汇总；（3）监测人员可以随时随地通过短信查询任意节点的频率值；（4）实现基于单片机控制的 GPRS 模块的
11、 GPRS 通信技术进行的 UDP 数据传输，并能在 PC 机上进行压力和频率信号的数据显示、数据图形化等功能；（5）频率的检测要满足误差小于 2%的要求，压力的测量误差要满足小于 3%的要求，压力测量范围由所选传感器决定。2.2 系统总体结构框图淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 15 页节点 1节点 2节点 3节点 4节点 1 0总节点 1 024012 4 0 124012 4 0 12401节点 1节点 2节点 3节点 4节点 1 0总节点 124012 4 0 124012 4 0 12401G PR S上位机G P R SGPRS图 1
12、系统总结构框图2.3 总结点框图总结点框图如下图所示，围绕单片机展开，连接振弦式传感器，无线通讯 24L01接收模块，GPRS 模块，程序接口端口及一些数据线。淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 15 页单片机传感器 2 4 0 1 无线通讯模块G P R S 模块U S B - T T L 接口图 2 系统总节点框图2.4 无线通信技术本课题设计的无线数据采集模块需要具有如下特点：1、由采集节点和接收节点组成，采集节点主要功能是数据采集，并将采集到的数据发送给接收节点，接收节点主要是接收各个采集节点发送的数据，对数据进行初步处理，之后，将数据传输到
13、上位机，由上位机进行进一步整理、检测、计算和储存。2、本模块针对数据采集的频率适中的情况，传输速度适中。3、数据采集现场可能存在各种干扰因素，因此需要在硬件和软件上采取相应措施来提高系统的抗干扰能力，以保证数据传输的可靠性。4、模块需要具有体积小，成本低，开发周期短的特点。5、本模块的接收节点通过 GPRS 模块与上位机相连。GPRS 网络以封包形式传输数据，不受地域限制，传输速率快，收费合理，目前已经被广泛的应用于检测系统。2.4.1 采集节点框图采集节点的主要结构如图所示，主要是由微处理器，传感器，nRF24L01，USB-TTL 接口和天线组成。采集节点负责将采集到的数据交由 nRF24
14、L01 发射。如图 3所示：淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 15 页微处理器传感器 n r f 2 4 L 0 1U S B - T T L图 3 采集节点框图2.4.2 接收节点框图接收节点的主要结构如图所示，主要是由微处理器， nRF2401，GPRS 模块，USB-TTL 接口和天线组成，其中 GPRS 模块可以将接收的数据通过 GPRS 网络传送到上位机，进行检测和处理。如图 4 所示。U S B - T T L微处理器 n r f 2 4 L 0 1G P R S 模块上位机图 4 接收节点框图2.5 GSM 移动通信网络GSM 的原名
15、为 Group Special Mobile（移动专门小组） 。1988 年，欧洲将 GSM淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 15 页定义为“全球移动通信系统” （Global system for Mobile Communication） ，中文名为全球移动通信系统，俗称“全球通” 。通常把早期的模拟移动通信系统称为第一代（1G）移动通信系统，而 GSM 被称为第二代（2G ）数字蜂窝移动通信系统。GSM网络具有网络能力强，覆盖地域广，通信距离远，通信质量好，抗干扰能力强，系统建设成本低并能提供多种不同的业务的特点。GSM 系统主要由移动台/
16、移动用户（MS ） 、无线基站子系统（BSS） 、交换网络子系统（SS）及操作维护子系统（ OMC）四大部分组成。移动台/移动用户（MS ）是用户设备，通常包括便携式和车载式。无线基站子系统（BSS）是在一定的无线覆盖区中由 MSC 控制与 MS 进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。交换网络子系统主要完成交换功能和用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。操作维护子系统主要是对整个 GSM 网络进行管理和监控。操作与维护管理的目的是使网络运营商能够监控整个网络，把需要监控的内容传送到网络管理中心，以供监测人员分析。GSM 系统结构图如图 5 所示。图 5
17、 GSM 系统结构图MS:移动台 BSS:基站子系统 BTS:基站收发BSC:基站控制器台 SC:短信息业务中心 SS :交换网络子系统EIR:移动设备识别寄存器 HLR:归属位置寄存器 VLR:来访位置寄存器AUC:鉴权中心 MSC:移动业务交换中心 OMC:操作维护中心PSTN:公用电话网 PLMN :公共陆地移动网络 ISDN:综合业务数字网 PSPND:分组交换公用数据网2.6 GPRS 技术GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线业务)是在现有的 GSM 移动淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 15
18、页通信系统基础上发展起来的一种移动分组数据业务，是 GSM 网络向第三代移动通信演进的第一步，这一步有两点重要意义：一是在 GSM 网络中引入分组交换能力，二是将速率提高到 100kbit/s 以上。GPRS 是在 GSM 系统基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统，它采用分组交换技术，能兼容 GSM 网络并在网络上更加有效的传输高速数据和信令。系统原理图如图 6 所示。图 6 GPRS 系统原理图GPRS 采用与 GSM 相同的频段、相同的频带宽度、相同的突发结构、相同的无线调制标准、相同的跳频规则以及相同的 TDMA 帧结构。因比在 GSM 基础上构建GPRS 系统时 GSM 系统中的
19、绝大部分部件都不需要做硬件改动，只需作软件升级。构建 GPRS 系统的方法是：（1）在 GSM 系统中引入三个主要组件，这三个主要组件是 SGSN(GPRS 业务支持节点)、GGSN(GPRS 网关支持节点)和 PCU(分组控制单元)，SGSN 和 GGSN 又合称为 GSN(GPRS 支持节点)；（2）对 GSM 系统中的相关部件进行软件升级。2.7 AT 指令简介AT 即 Attention，AT 指令集是从终端设备(Terminal Equipment，TE)或数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE )向终端适配器 (Terminal Adapter，TA)
20、或数据电路终端设备(Data Circuit Terminal Equipment，DCE)发送的。通过 TA、TE 发送 AT 指令来控制移动台(Mobile Station，MS)的功能，与 GPRS 网络业务进行交互。用户可以通过 AT 指令进行呼叫、短信、电话本、GPRS 数据业务、补充业务、传真等方面的控制。其对所传输的数据包大小有定义：即对于 AT 指令的发送，除 AT 两个字符外，最多可以接收 1056 个字符的长度（包括最后的空字符） 。 淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 15 页每个 AT 命令行中只能包含一条 AT 指令；对于
21、由终端设备主动向 PC 端报告的URC 指示或者 response 响应，也要求一行最多有一个，不允许上报的一行中有多条指示或者响应。AT 指令以回车作为结尾，响应或上报以回车换行为结尾。3 系统的硬件设计硬件设计主要是单片机的选择、单片机外围电路设计、电源模块设计、液晶显示模块设计、无线收发电路设计、和 GPRS 模块设计。3.1 单片机的选择1、传统 51：传统 51 适合初学者，容易上手，价格一般（从性价比方面说）。 缺点：解密容易，一般功能也有，但 A/D、EEPROM 等功能要靠扩展，增加硬件和软件负担。2、PIC：PIC 的好处就是各个型号的兼容性强。 12 系列，16 系列，18
22、 系列也是充分的向下兼容。功能全，型号多，适于选型分析，抗干扰能力强。缺点：解密容易，单片机价格贵（从性价比方面说）。3、avr mega：avr mega 价格较便宜（从性价比方面说），硬件结构适合 C 语言编程，功能齐全，不容易解密。抗干扰能力强。型号之间兼容性一般。缺点：功能寄存器多，不适合初学者。4、STC12C5A60S2：STC 价格便宜，性价比高，功能多，抗干扰能力最强，EEPROM 大，串口编程很方便，又增加了许多功能。缺点：STC 功耗偏高，做低功耗不太合适。一般用于研发用的比较多。所以本文选择 STC12C5A60S2 单片机。STC12C5A60S2 是一种低功耗、高性能
23、CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC 成为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k 字节 Flash，512 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM，MAX810 复位电路，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口。另外 STC12C5A60S2 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高
