基于AVR和振弦式渗压计的大坝监测系统设计

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 渗流监测是大坝安全监测中的重要项目之一,为了全面地分析大坝在运行期间的安全性,必须进行渗流量的观测,同时还应观测渗水的温度。由于振弦式渗压计具有分辨率高、不受降雨干扰、无淤堵等优点,所以近年来在大坝渗压监测中得到了广泛的应用。文中提出了以AVR单片机为核心的简单有效的大坝渗压监测系统,并对其中部分模块进行了改进。

1 振弦式渗压计

1.1 振弦式渗压计结构与原理

本文采用的是VWP型振弦式渗压计,它由透水板、感应膜、密封壳体、振弦及激振电磁圈等组成。仪器中有一个灵敏的不锈钢膜片,在它上面连接振弦,如图1所示。当被测水压作用膜片上时,将引起弹性膜板的变形,其变形带动振弦转变成振弦应力的变化,从而改变振弦的振动频率。使用时,通过对电磁线圈加载适当的电流实现激振过程,激振完成后,切断对线圈的供电,同时将线圈接入测量电路中,通过拾取线圈中的感生电动势来获得振弦的固有频率,频率信号经电缆传输至读数设备,即可测出水荷载的压力值,同时可测出埋设点的温度值。


1.2 振弦式渗压计的数学模型

对于图1所示的振弦式渗压计,当振弦受张力T作用时,其等效刚度发生变化,振弦的谐振频率f为:

式中,p-振弦的线密度(tex,ltex=g/km);l-振弦的有效振动长度(m)。
本文采用的是单根振弦的渗压计,根据其输出特性,计算公式如下:

式中,Pm为渗透压力;k为渗压计的测量灵敏度;fo为基准频率值;f实测频率值;b为温度修正系数;T为实时测量的温度值;T0为温度的基准值;Q为大气压修正系数,对于密封腔与大气压沟通的仪器,Q恒为0。

假设不考虑大气压力影响,当外界温度恒定时,渗透压力与频率平方差成正比;当渗压增量恒定时,渗透压力与频率平方差成正比,这个输出量仅仅是由温度变化而造成的,与温度增量成线性关系,即,于是温度修正系数,如果不考虑温度增量的影响,这个输出的变化就是温度变化引起的系统误差。本系统中采用的渗压计k=0.1105,b=0.3042。

2 ATmega128微处理器

ATmega128作为数据端的控制核心,是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega128的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。该芯片采用5 V供电,其最高工作频率可达16 MHz;4 K字节的SRAM、4 K字节的EZPROM(其寿命可达100 000次写/擦除周期);4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器(T/C)。支持外部存储器扩展,为编写和运行程序提供了强力的保证。

特别的,T/C的输入捕捉单元可用来捕获外部事件,并为其赋予时间标记,以说明此时间的发生时刻。外部事件发生的触发信号由引脚ICPn输入,也可以通过模拟比较器单元来实现。本文采用通过模拟比较器单元触发方式,可以将放大滤波后的模拟信号直接转换为数字信号并被单片机检测。模拟比较器的框图如图2所示。

其中,ACIC置位后允许通过模拟比较器来触发T/C1的输入捕捉功能。此时比较器的输出被直接连接到输入捕捉的前端逻辑,从而使得比较器可以利用T/C1输入捕捉中断逻辑的噪声抑制器及触发沿选择功能。ACIC为“0”时模拟比较器及输入捕捉功能之间没有任何联系。为了使比较器可以触发T/C1的输入捕捉中断,定时器中断屏蔽寄存器TIMSK的TICIE1必须置位。

ATmega128有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC包括一个采样保持电路,以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。ADC通过逐次逼近的方法将输入的模拟电压转换成一个10位的数字量。最小值代表GND,最大值代表AREF引脚上的电压再减去1LSB。通过写ADMUX寄存器的REFn位可以把AVCC或内部2.56 V的参考电压连接到AREF脚。在AREF上外加电容可以对片内参考电压进行解耦,以提高噪声抑制性能。如果使用单端通道,则绕过增益放大器。因此电路在设计时,将激振输出的信号进行放大并滤除直流信号,进而进行ADC转换。转换结束后(ADIF为高),转换结果被存入ADC结果寄存器(ADCL、ADCH)。单次转换的结果如下:

式中,VIN为被选中引脚的输入电压(PF0),VREF为参考电压。0x000代表模拟地电平,0x3FF代表所选参考电压的数值减去1LSB。

3 系统设计与实现

根据上述基本原理,设计的监测系统的整体框图如图3所示。主要由防雷击电路、激振电路、检测电路、单片机控制电路等几部分组成。工作过程是由单片机产生PWM信号完成对渗压计的激振,线圈中产生的感应电动势经放大滤波电路送给单片机,运用其模拟比较器进行数据捕捉处理,在人工采集数据时直接送显示电路显示。但在远程监控时,可通过Zigbee通信模块进行无线传输,从而完成对数据的采集处理。


3.1 防雷击电路

雷击是影响大坝安全检测系统正常运行的重要因素之一,因此必须提高检测系统的防雷性能。本文将介绍一个简便易行有效的防雷击电路,如图4所示。

防雷击电路由玻璃放电管(防雷管)、双向瞬变二极管和热敏电阻组成。当强电流(高于玻璃放电管的放电电压)来时,放电管两端会产生弧光放电,气体电离放电后,两端电压以10-9秒量级的速度迅速降低,从而保护电路。在有可能出现续流的地方,为防止玻璃放电管击穿后长时间导通而损坏,电路中串联热敏电阻。双向TVS(导通电压定位6 V>5 V),在这里起到备用通路的作用。它可在正反两个方向将其工作阻抗立即降至很低的导通值,并将电压钳制到预定水平,从而提高了防雷电路的可靠性。

3.2 激振检测电路

作为整个系统的主体部分,首先给出总的电路图,如图5所示。


3.2.1 激振电路

目前,振弦式传感器激励方式主要有高压拨弦和低压扫频激振两种。由于系统运行在低压状态,故采用低压扫频激振。根据传感器的固有频率选择合适的频率段,对传感器施加频率逐渐变大的扫频脉冲串信号,当激振信号的频率和钢弦的固有频率相近时,钢弦能快速达到共振状态,此时产生感应电动势且振幅最大,传感器输出的频率信号信噪比较高且便于测量。
本系统选用的传感器振弦的固有频率为450~5 000 Hz,故可以充分利用AVR微处理器。运用软件设计,设置ATmega128单片机的引脚PB44输出PWM信号进行激振,激振输出的信号经过光电隔离放大整形电路,进入单片机的ADC接口(PF0),完成对感应电动势的采集。通过程序设计,将最大感应电压信号对应的频率保存在片内存储器中,从而完成对渗压计的激振。对于以后的激振将一直采用此频率,从而确保系统能获得高精度的测量结果,流程图如6所示。


3.2.2 信号调理检测电路

对传感器进行扫频激励后,传感器将返回幅度不断衰减的正弦信号,由于信号幅度较小,在1 mV左右,因此需要对信号进行放大。本系统选用INA326精密仪表放大器,其适用于单电源、低功耗和精密测量的应用场合,并可保持良好的线性。如图5,INA326的增益它的增益可通过与输入信号隔离的外部增益电阻来设置,而且工作性能稳定。电路中分别由R1、R2、R5、R6设置,增益G1=2R2/R1,G2=2 R6/R5。外接电阻除与增益有关外,也直接影响到稳定性及温度漂移,因此要求精度高时要采用低温度系数的精密电阻。为尽量减少在脚1与脚8的杂散电容量,而且将脚4与脚7直接用电容相连接。

由于振弦的共振频率范围为450~5 000 Hz,此频率信号的稳定持续时间是有限的,必须在共振信号衰减到不至于影响测频前完成测量任务。ATmega128的两个16位定时/计数器(T/C1、T/C3)具有输入捕捉功能,它是AVR定时/计数器的又一个显著的特点。本文将使用ATmega-128的1个定时/计数器,再配合其输入捕捉功能来测量脉冲的宽度,实现程序流程图7所示。

在T/C1的捕捉中断中,首先比较PE2(AIN0)和PE3(AIN1)的电压值,得出AC0的实际状态,并清空溢出计数器。当检测器证实ACO为高电平,输入捕捉即被激发,16位的TCNTn数据被复制到输入捕捉寄存器ICRn,同时输入捕捉标志位ICFn被置位。通过读取ICRn寄存器,得到上升沿出现的时间T1;重复上面的过程,记录第二次上升沿出现的时间T2。将两次记录的时间相减,便求得脉冲的周期。如此重复测量多次,求得平均值,从而完成信号的检测。

可以看到,由于使用定时/计数器以及配合它的捕捉功能测量两次上升沿之间的时间,不仅节省系统的硬件资源,编写程序简单,而且精度也高。

3.3 通道选择电路

本系统所使用的传感器为白、绿、红、黑四线接头,其中白线与绿线代表所测热敏电阻接线端,红线与黑线代表振弦的两端。通过八通道模拟开关HCF4051以及单片机控制,通道选择模块把8路传感器分时测量。由单片机的引脚发出控制信号选通渗压计,然后进行激振并输出频率信号,最后以总线的形式接入到单片机测量电路。

3.4 测温电路

在振弦传感器激振线圈旁设置有能测量温度的热敏电阻,这样就能测出温度对振弦频率的影响,从而对测量误差提出修正。

在通常情况下,其温度与电阻的关系在一定温度范围内可表示为:

式中,T为温度,℃;g(R)为电阻R的函数关系式。所以,要测出温度,只要测量出温度传感器等效电阻即可。

4 结束语

本测频系统具有简单有效的防雷击电路,以及简便的系统电路,使得整个系统的稳定性得到很大的提高。同时充分利用AVR单片机的强大特性,使得信号采集和检测的精度得到提高,为测量结果的后期处理与大坝安全监测带来了极大的便利。

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