基于LabVIEW的道路硬度檢測系統設計

徐晶晶，楊世鳳，何 靜，郭 淳

(天津科技大學電子信息與自動化學院，天津 300222)

基于LabVIEW的道路硬度檢測系統設計

徐晶晶，楊世鳳，何 靜，郭 淳

(天津科技大學電子信息與自動化學院，天津 300222)

針對混凝土試塊構件的強度測量實驗，設計了基于LabVIEW虛擬儀器技術和單片機技術的道路硬度檢測系統．系統主要由壓力傳感器、信號調理電路、單片機及計算機組成．實驗表明：系統具有實時數據采集和處理功能，且測試可靠，可為道路硬度數據分析提供有效參考．

道路硬度；單片機；LabVIEW；參數采集

道路硬度作為道路檢測系統的重要性能參數，成為道路檢測系統的關鍵環節和評價指標[1]．工程設計行業認為，硬度是變形應力的度量，同時強度也作為道路承載力的有效因素[2]，二者存在一定的線性相關性．常用的結構或構件混凝土抗壓強度的檢測方法主要有回彈法、超聲波法和鉆芯法．其中，回彈法使用方便、無破損，適用于勻質性檢測，但誤差較大且受混凝土表層質量的影響，因而難以精確推定混凝土的內部強度；鉆芯法的精度較高，但代表性差[3]；而超聲回彈綜合法實驗復雜度高，且對道路硬度檢測不具有模擬性．本文按照國家標準規定，采取立方體水泥混凝土試件的抗壓和抗彎拉的實驗方法，具有普遍性和廣泛性，并且能夠最大程度模擬試樣受力過程．

目前的道路檢測設備功能單一，系統造價昂貴，實時性與可靠性較差，并且對數據的分析與處理往往需借助三方軟件，限制了系統的功能．本文將LabVIEW虛擬儀器技術、AVR單片機技術與傳感技術相結合，實現了道路硬度檢測過程中不同參數的采集處理與分析顯示，在提高工作效率的同時，優化了系統成本．

1 系統工作原理

水泥及水泥混凝土實驗中采集試件要嚴格按照道路施工標準[4]，本實驗從總體樣本中抽取部分樣本試件(150 mm× 150 mm× 150 mm )進行強度測定．在溫度為(20±2),℃，相對濕度大于50%的情況下，按照一定的混凝土原材料混配比養護試件，成型后將試件編號，在1、2、3、7、28,d不同的齡期內，對試件進行強度實驗．

測量系統結構如圖1所示．動力機構通過電動機驅動壓力傳動機構，從而帶動檢測裝置運動，采用傳感器等速加壓測試原理，由連接在道路硬度加載裝置上的拉壓力傳感器把對待測試件的作用力轉換為電信號，通過16位AD7705模數轉換芯片轉換為數字信號，通過C語言編程控制ATmega16單片機對所得信號進行分析處理，通過液晶模塊進行顯示，進而通過鍵盤輸入完成對不同要求的功能控制．

圖1 道路硬度檢測系統整體結構Fig.1 Integral structure of the road rigidity detection system

上位機通過RS–232串口與ATmega16單片機系統連接，采集的壓力數據通過串口傳輸到上位機．上位機采用LabVIEW虛擬儀器平臺開發，可以進行數據的讀寫、顯示和曲線分析，從而求出被測道路硬度曲線和峰值．借助虛擬儀器軟件框架(VISA)驅動向導，實現上位機與下位機之間的交互和管理，可以保存多次實驗的數據，便于數據的分析和處理．

2 硬件設計

硬件系統組成框圖如圖2所示．通過加壓裝置和拉壓式傳感器進行壓力、時間、位移等參數的測量．系統硬件主要包括單片機、信號調理、鍵盤、液晶顯示、通信、存儲及供電等模塊．

圖4 A/D轉換電路原理圖Fig.4 Diagram of A/D conversion circuit

圖2 硬件系統組成框圖Fig.2 Block diagram of hardware system

2.1 加載裝置與傳感器

加載裝置與傳感器如圖3所示．驅動裝置可采用自動與手動兩種不同方式，按照設定的速率加載．傳感器采用LTR–1型拉壓力傳感器，其為高精度的箔式應變計，靈敏度和分辨率高，承載能力和測量范圍大．

圖3 加載裝置與傳感器Fig.3 Load devices and sensors

2.2 調理與控制模塊

采用16位∑?ΔA/D轉換器AD7705對壓力信號進行A/D轉換，將轉換后的數值送入單片機ATmega16中．控制程序根據設定和鍵盤輸入執行相應操作，將采集的數據通過液晶進行顯示，通過2I C總線傳輸到存儲芯片，通過串口發送到上位機，進行波形顯示和曲線分析．圖4為AD轉換電路原理圖．

3 軟件設計

系統軟件設計主要包括：下位機單片機系統軟件設計及上位機基于虛擬儀器平臺的軟件設計．

3.1 下位機軟件設計

下位機采用C語言對單片機進行編程[5]，實現的功能主要有數據采集、A/D轉換、液晶顯示、按鍵控制、數據傳輸及數據存儲等．開發環境選擇ICCAVR編程平臺．單片機主程序流程見圖5．

圖5 單片機主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart of MCU

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件設計采用LabVIEW8.6虛擬儀器軟件開發環境，用戶只需設計有關的應用軟件就可以實現相應的測試分析功能，方便地組建和設計自己專用的虛擬儀器．在本系統中，上位機軟件設計是關鍵，主要負責接收單片機發送來的數據和數據處理，并對數據進行顯示、存儲操作和相關的數據分析．

3.2.1 數據通信

此部分的程序主要用于接收單片機通過串口傳輸的數據，并將其顯示到窗口中．串口通信采用NI公司開發的用來與各種儀器總線進行通信的高級應用編程接口——NI–VISA[6]．

VISA是虛擬儀器系統的I/O接口軟件，不受平臺、總線和環境的限制，可用來對USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太網系統進行配置、編程和調試．基于自底向上結構模型的VISA創造了一個統一形式的I/O控制函數集，在應用形式上簡單方便，又提供了非常強大的儀器控制與資源管理功能．

3.2.2 人機交互

人機交互主要包括：系統設置模塊，起到和下位機進行串口通信和握手的作用，并對串口通信進行參數設置；數據顯示模塊，將讀寫的數據通過對話框及壓力表顯示；數據存儲模塊，存儲讀取數據及管理歷史數據，生成文件報表等．

人機交互主要通過圖6所示檢測監控界面實現．一方面，操作人員通過界面對串口通信進行參數設置，包括流通量控制、延時、波特率、數據位、奇偶校驗、停止位的設置等，向計算機發出命令進行數據傳輸；另一方面，計算機通過串口上傳采集到的數據，并在窗口中進行顯示．

圖6 檢測監控界面Fig.6 Interface of inspection and monitoring

3.2.3 軟件設計實現

系統對采集的數據進行顯示、存儲和曲線分析．具體程序流程為：先初始化，再設置波特率、數據位等參數，然后程序判斷是否接收到操作開關的指示，如果采集開關關閉，則對上一次緩存中的數據進行處理；如果采集開關打開則接收數據并進行讀取，進行數據顯示和存儲．

4 實 驗

4.1 實驗原理

根據國家標準對公路工程水泥及水泥混凝土實驗的規定，要對同一溫度、濕度條件下，各個不同齡期的試件進行實驗，分別測得混凝土立方體試件的抗壓強度，以及更換接觸面板后測得混凝土試件抗彎拉強度兩種不同類型的強度值，通過回歸分析二者之間的關系，從不同角度綜合評定混凝土的強度值．

從試件接近破壞而開始迅速變形時，直至試件破壞，記下破壞極限荷載F，有

式中：Pcu為混凝土試件抗壓強度，N/mm2；F為極限荷載，N；A為上壓板面積，mm2．

更換接觸面后(兩個加載點)，當斷面發生在兩個加載點之間時有

式中：fP為抗彎拉強度，MPa；F為極限荷載，N；L為支座間距離，mm；b為試件寬度，mm；h為試件高度，mm．

當系統運行后，傳感器通過調理電路采集到的信號，經過A/D轉換進入單片機，再通過串口將數據傳送給PC機．取同一齡期的多個試件的算術平均值為測定值，結果精確到0.01 MPa．通過虛擬儀器監控界面獲取數據并實時顯示．

在混凝土強度的對比檢測試驗中，為了將混凝土試件的抗壓強度換算為抗彎拉強度，則需要找出兩種實驗數據變量之間是否相關，即進行回歸分析[7]．采用最小二乘法準則，使因變量觀測值與其曲線上的對應值的離差之平方和最小，從而得到對給定類型函數的最佳擬合曲線，故存在函數：

4.2 回歸分析結果

抗壓強度與抗彎拉強度的回歸分析曲線如圖7所示．

圖7 抗壓強度與抗彎拉強度的回歸分析曲線Fig.7 Regression analysis curve of compressive strength and Fig.7 flexural strength

根據實驗結果對道路質量的兩個重要參數抗彎拉強度與抗壓強度進行相關分析，采取冪函數與余弦函數的組合y=a0+a1x2+a2x+a3cos x進行回歸計算，曲線擬合的效果最好．經過軟件編程求得回歸系數，a0＝19.43，a1＝12.23，a2＝-36.02，a3＝-14.43．通過回歸計算，可得到混凝土道路系統的不同強度參數的相關換算，從而可為道路建設工程和道路管理系統提供評價依據．

5 結 語

本系統利用以LabVIEW為圖形化編程語言的虛擬儀器技術及單片機技術設計道路硬度檢測系統，實現了數據實時采集、操作軟件控制、串口通信、數據處理、數據動態顯示、特征值分析、數據文件存儲等功能，現已投入實際使用，運行情況穩定．

該設計有效縮短了開發周期、提高了檢測的效率，在功能完備、測量準確的基礎上降低功耗、節約成本，成為對道路硬度分析的有益嘗試．

［1］吳建波. 淺談高速公路路面工程監理要點[J]. 山西建筑，2007(34)：293–294.

［2］郭蘭英. 車輛超載對路基路面強度和剛度的影響分析[J]. 路基工程，2006(1)：8–10.

［3］田瑞華. 某工程中混凝土強度檢測方法的探討與應用[J]. 四川建筑科學研究，2009(35)：96–97.

［4］交通部公路科學研究所. JTG E30—2005公路工程水泥及混凝土試驗規程[S]. 北京：人民交通出版社，2005.

［5］張軍. AVR單片機應用系統開發典型實例[M]. 北京：中國電力出版社，2005.

［6］劉君華，賈惠芹，丁暉，等，虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程[M]. 北京：電子工業出版社，2001：141.

［7］鄧和平，黃躍北. 數學回歸方法在混凝土路面的強度試驗中的應用[J]. 公路，1999(9)：31.

Design of the Road Rigidity Detecting System Based on LabVIEW

XU Jing-jing，YANG Shi-feng，HE Jing，GUO Chun
(College of Electronic Information and Automation，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)

On the basis of the strength measuring experiment of concrete block，the rigidity of roads detecting system was exploited with LabVIEW which combined with the computer system integration and single chip technology. The system was based on the pressure sensor，signal conditioning circuit，MCU and computer. Results show that the system test has the function of real-time data acquisition and processing. Simultaneously it is reliable which provide an effective reference to data analysis of the road rigidity.

road rigidity；MCU；LabVIEW；parameters acquisition

TP274

：A

：1672-6510(2010)05-0060-04

2010-04-01；

2010-07-07

徐晶晶（1985—），女，吉林人，碩士研究生；通信作者：楊世鳳，教授，yangsf@tust.edu.cn.