基于單片機的橋梁荷載力測試實驗?zāi)Ｐ碗娐吩O(shè)計

王立紅

【摘要】目前對橋梁荷載力的測試一般分為靜態(tài)和動態(tài)兩種測量方式，本設(shè)計通過測量橋梁的承載力，來控制橋梁過往車輛的通行。靜態(tài)測量，主要是測量在特殊環(huán)境下，橋梁承載的最大值。動態(tài)測量，對來往車輛的載重力進(jìn)行實時的監(jiān)控，并對車輛和行人發(fā)出警報信號。橋身承載力部分由壓力傳感器及A/D轉(zhuǎn)換器組成，加上顯示單元，此設(shè)備具備了安裝簡單、性能穩(wěn)定，價格比高、功耗低、系統(tǒng)設(shè)計簡單、使用方便直觀、速度快、測量準(zhǔn)確、對橋梁無損害等特點。本系統(tǒng)以STC89C52單片機為主控芯片，外圍附以荷載力采集電路、顯示電路、報警電路、鍵盤電路等構(gòu)成智能荷載力監(jiān)測系統(tǒng)電路板，從而實現(xiàn)即時對橋梁荷載力監(jiān)測系統(tǒng)的各種控制。

【關(guān)鍵詞】STC89C52；壓力傳感器；A/D轉(zhuǎn)換器；橋梁荷載力

1.引言

國際上許多國家，在貨物公路運輸過程中，普遍存在超載現(xiàn)象。超限的車輛會造成道路損壞嚴(yán)重，也造成交通事故頻頻發(fā)生。為了實現(xiàn)對橋梁的實時檢測，有必要依靠嵌入式技術(shù)發(fā)展成果應(yīng)用到橋梁建造上，來徹底杜絕道路嚴(yán)重?fù)p壞及交通事故的頻繁發(fā)生。設(shè)計基于單片機的橋梁荷載力測試實驗?zāi)Ｐ碗娐罚冒惭b在橋梁下面的應(yīng)變傳感器測量車輛經(jīng)過橋面引起的橋梁應(yīng)變張力，通過積分運算消除車輛振動對計算結(jié)果的影響，得到橋梁的荷載值。理論和試驗室結(jié)果證明該方法可以較準(zhǔn)確的進(jìn)行高速動態(tài)超重車輛的檢測。由于利用該方法的動態(tài)稱重測量系統(tǒng)不要進(jìn)行地面開挖，建造成本較低，具有很強的可移動性，能實現(xiàn)24小時不間斷檢測，具有很好的實用前景。

2.理論推導(dǎo)

（1）橋梁荷載測試裝置的工作原理

當(dāng)被稱物體放置在模擬橋梁上時，其重量便通過橋墩傳遞到壓力傳感器，傳感器隨之產(chǎn)生力-電效應(yīng)，將物體的重量轉(zhuǎn)換成與被稱物體重量成一定函數(shù)關(guān)系（一般成正比關(guān)系）的電信號（電壓或電流等）。此信號由放大電路進(jìn)行放大、經(jīng)濾波后再由模/數(shù)（A/D）器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號再送到微處器的CPU處理，CPU不斷掃描鍵盤和各種功能開關(guān)，根據(jù)鍵盤輸入內(nèi)容和各種功能開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行必要的判斷、分析、由儀表的軟件來控制各種運算。運算結(jié)果送到內(nèi)存貯器，需要顯示時，CPU發(fā)出指令，從內(nèi)存貯器中讀出送到顯示器顯示。

（2）荷載測量方法

經(jīng)過實際調(diào)查，本設(shè)計方案將采用簡支梁作為橋梁模型。車輛通過橋面時，簡化為間距為Ls的兩個點力以速度c勻速通過橋面，F(xiàn)表示前軸，R表示后軸，如圖1所示。

此處： 是橋上x點處在t時刻的橋梁位移；ρ是單位橋梁密度；C是粘性衰減系數(shù)；E橋梁材料的楊氏系數(shù)；I是橋梁橫截面的慣性矩；L是橋梁的長度； 代表車輛通過時前后軸對橋面產(chǎn)生的壓力；c是車輛通過橋面的速度； 是單位沖激函數(shù)。

基于模型假設(shè)，動態(tài)位移， 可以被描述為：

此處：i是模態(tài)數(shù)， 是第i模態(tài)形狀函數(shù)； 是第 i 模態(tài)的幅值函數(shù)。把式（2）代入式（1）：

對方程（3）左右兩邊都乘以模態(tài)形狀函數(shù) π，并 在區(qū)間[0，L]上對方程中變量 x 進(jìn)行積分，得：

（4）

此處： 是第 n 模態(tài)的頻率； 是第n模態(tài)的衰減比率；Mn是第n模態(tài)的模態(tài)質(zhì)量。基于橋梁假設(shè)，橋梁的模型參數(shù)可以通過下面式子計算：

式中：S——傳感器及其測量電路的靈敏度（即被測量X轉(zhuǎn)換成電壓U的轉(zhuǎn)換系數(shù)）

K——放大器的放大倍數(shù)

——A/D轉(zhuǎn)換器滿量程輸入電壓

——A/D轉(zhuǎn)換器滿量程輸出數(shù)字

而被測量X總是以其測量數(shù)字N和測量單位x1表示

就可以使A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果D與被測量x的數(shù)值N相等，即D=N，在這種情況下將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果作為被測量的數(shù)值傳送到顯示器顯示出來。

3.電路設(shè)計

本系統(tǒng)由、數(shù)據(jù)采集部分、聲光報警部分、數(shù)據(jù)顯示部分、鍵盤部分和電源等部分，其中，控制器部分采用STC89C52實現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集部分由壓力傳感器、信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，系統(tǒng)設(shè)計原理如圖2示。

（1）數(shù)據(jù)采集部分電路設(shè)計

數(shù)據(jù)采集部分電路由傳感器、信號放大電路和A/D轉(zhuǎn)換器組成。A/D轉(zhuǎn)換器采用24位HX711芯片。HX711與單片機的接口電路接線圖如圖3示。

（2）顯示電路與STC89C52單片機接口電路設(shè)計

顯示電路采用LCD12864。LCD12864與單片機的接口電路設(shè)計如圖4示。

4.軟件設(shè)計

本設(shè)計采用C語言編程，編譯環(huán)境為keil UV4。根據(jù)系統(tǒng)的控制任務(wù)，軟件設(shè)計主要由主程序、初始化程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)采集子程序和延時程序等組成。

在芯片上電后，初始化程序?qū)纹瑱C中程序存儲器單元清零，P3.0引腳置成低電平，防止錯誤報警。主程序設(shè)計流程圖如圖5所示。

5.結(jié)論

橋梁荷載力試驗是一門直接服務(wù)于工程實踐的技術(shù)學(xué)科，涉及到橋梁的設(shè)計計算理論、試驗測試技術(shù)、儀器儀表性能、數(shù)理統(tǒng)計分析、現(xiàn)場試驗組織等方面，具有較強的綜合性、應(yīng)用性和復(fù)雜性。同時，橋梁荷載力實驗對于推動橋梁建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，為確保橋梁安全運營、進(jìn)行科學(xué)養(yǎng)護(hù)又發(fā)揮著重要的作用。隨著微控制器技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展和計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，設(shè)計實現(xiàn)智能化的橋梁荷載力測試電路，以應(yīng)變傳感器作為現(xiàn)場敏感器件，測量行駛輛引起的橋梁應(yīng)變，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行積分運算消除振動項對結(jié)果的影響，進(jìn)而獲得動態(tài)車輛的載重值，與車型識別結(jié)果查詢數(shù)據(jù)庫得到標(biāo)準(zhǔn)載重比較來判斷是否超重，具有一定的實用價值。