无线测量系统设计论文范文

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1系统硬件设计

系统主要由数据测量终端和远程监控终端构成。数据测量终端主要负责数据的采集和存储及发送，其主要由传感器激振驱动电路、拾振电路，GPRS通信模块电路、NANDflash存储模块、太阳能充电控制电路、MCU电路等组成。远程监控终端主要由GPRS通信模块组成，相当于一个主控制点，它通过地址来识别各个数据测量终端，给各个测量终端发送控制命令并从测量终端回收数据以实现对所有数据测量终端的管理和控制。系统硬件电路结构图如图2。

1．1传感器激振驱动电路因为电磁线圈电阻很小，流过线圈的电流能达到200～400mA，STM32的I/O口不能承受，所以，选择P-MOS(AO3401)来驱动，其电路图如图3所示。图3中，JZ-Contro0是单片机的一个GPIO口，这个GPIO口控制MOS管DS的截止和导通，导通时，MOS管D端输出一个高电平，截止时，MOS管D端输出一个低电平输。这样，通过调节MOS管导通截止的频率，就可以得到一个方波去激励振弦传感器。

1．2拾振电路由于振弦式传感器输出的感应电动势非常微弱，一般情况下输出信号的幅度在300μV～1mV之间，所有需要通过调理后才能被STM32的I/O口捕获。图4是拾振电路原理图，感应电动势经过仪表放大器AD8231的放大后，用一个运放组成的二阶有源低通滤波电路对其进行低通滤波以去除其高频杂波，滤波通过运放组成的二级放大电路对其进行放大，二级放大后对其进行二次滤波，最后通过迟滞比较器把传感器输出的正弦信号转换成方波信号，并将这个方波信号通过一个多路开关送入STM32的定时器获得阵弦的固有频率。

1．3太阳能充电管理电路因为系统需要全天候不间断监测，所以，系统采用太阳能结合可充电锂电池的供电方案。如图5所示，太阳能面板将供电给充电管理电路，充电管理电路再给锂电池充电。该充电管理电路是一个基于UC2843的Boost变换电路，UC2843是一个单端输出型的PWM控制集成电路［6］，只需要在其外围配置很少的元器件，就可以实现一个高效率的Boost变换器。

1．4数据存储电路在系统工作中，每个测量单元可接16只传感器，要存储振弦传感器的频率数据和传感器的温度信息，本系统要用于长期监测，所以，有大量数据需要存储在系统的存储单元中。本系统选择NANDflash作为数据的存储介质，其电路如图6。

2系统软件设计

系统的软件主要有激振程序、拾振程序、数据存储程序和无线收发程序等组成。设计的难点是激振程序。在本系统中采用间歇反馈激振法，结合扫频激振法来设计系统的激振程序。如图7，间歇反馈激振法，就是先根据传感器的固有频率初始值，设定第一次扫频激振的频率上限fmax1和下限fmin1，第一次激振后，对传感器的输出信号进行处理并测量其频率f1。如果第一次拾得的方波个数小于n1，则根据f1来设定第二次扫频激振的频率上限fmax2和下限fmin2，然后测得第二次激振后传感器的输出频率f2。以此类推，当STM32拾得的方波个数大于等于n1，则停止激振，此时测得的传感器输出频率就是传感器的固有频率，记录这个频率，用作下次测量的初始激振频率。如果扫频激振n2次后，STM32拾得的方波个数依然小于n1，则报错。所谓扫频激振，就是从扫频频率下限fmin开始，由STM32的I/O口输N个脉冲，后增加δf，直到输出频率大于等率扫频上限fmax。由这4个参数决定的扫频程序框图如图8所示。

3系统测试

系统的测试在某长江大桥下塔柱施工中进行，监测数据如图9所示。

4结束语

本测量系统已经实际应用于很多桥梁的施工监测中，通过实际应用和测试数据证明:该测量系统可以对混凝土应变和温度进行准确的测量，实现了对土木工程结构应变和温度的长期自动监测。同时，拓展了GPRS无线网络在土木工程监测中的应用，实现了系统远程控制和数据的无线传输，具有较好的使用价值。

作者：邓霏颜运强张谊单位：中国工程物理研究院计算机应用研究所