基于AVR和振弦式渗压计的大坝监测系统设计

摘要：设计了一种基于AVR和振弦式渗压计的大坝监测系统，简要介绍了振弦式渗压计的原理、数学模型以及ATmega128单片机的特性，运用单片机的输入捕捉和ADC功能并结合软件设计对系统的激振和测频方法进行了改进，同时提出了一种简单易行的防雷击电路。本洲频系统具有硬件电路简单、信号灵敏度高等特点，提高了测量计算准确度，对大坝安全性监测提供了帮助。
关键词：振弦式渗压计；ATmega128；防雷击电路；输入捕捉；ADC

    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。