桥梁安全状态信息采集系统设计毕业论文.docx
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桥梁安全状态信息采集系统设计毕业论文
桥梁安全状态信息采集系统设计毕业论文
摘要
Abstract
第一章绪论1
1.1桥梁检测的容1
1．2系统的设计背景1
1．3课题研究现状2
1．3．1桥梁检测技术现状2
1．3．2国外桥梁检测技术发展动向2
1．4系统的功能及优势3
1.4.1系统的功能3
1.4.2系统的优势3
1．5设计任务3
第二章系统的总体设计方案及工作原理5
2．1总体设计方案论证5
2.1.1方案一5
2.1.2方案二5
2.1.3方案三7
2.2确定系统的总体设计方案7
2.3设计思路8
第三章系统的硬件设计9
3.1单片机模块9
3.1.1单片机的选型9
3.1.2键盘设计15
3.1.3晶振16
3.2传感器21
3.2.1传感器的选型21
3.2.2温度传感器25
3.2.3振动传感器26
3.2.4应力传感器26
3.3放大电路27
3.4ADC080931
3.4.1主要特性31
3.4.2部结构31
3.4.3外部特性（引脚功能）32
3.4.4ADC0809的工作过程32
3.5LCD1602液晶显示34
3.6RS232串口41
3.6.1RS232串口通讯接口41
3.6.2MAX232电平转换43
3.7存储器45
3.8电源模块48
第四章软件设计49
4.1主程序流程图50
4.2数据读取中断流程图51
4.3中断采样子程序流程图52
4.4LCD1602子程序流程图53
第五章总结55
参考文献56
外文资料57
中文翻译61
致谢64
附录65
第一章绪论
1.1桥梁检测的容
需要进行检测的桥梁原因多种多样，需要检测的桥梁类型也不尽相同。
桥梁检测的对象有很大部分是旧桥，许多旧桥难以适应新的使用要求，需要进行桥梁健康和使用安全性检测；对于现行建造的桥梁，由于新工艺、新材料的使用，同时桥梁规模也越来越大，因此大部分新桥也要求做检测工作。
我国传统的桥梁检测容较多，主要是包括外观检查和动静载试验。
其中外观检查按桥梁的构件分为：
桥面系的外观检查、桥梁上部结构检查、支座的检查、墩台的检查、墩台基础的检查；按检测对象分为：
裂缝的检查、混凝土碳化深度的检查、混凝土强度的检查、钢筋锈蚀的检查、混凝土保护层厚度的检查以及钢筋的分布等。
桥梁评估是利用特定信息，分析既有桥梁可靠性并为使桥梁保持一定水平的可靠性而做出相应工程决策的过程。
在实际评估过程中，对中小桥梁与大型桥梁采取不同的评价方法，桥梁评估的方法大致可分为两大类，一类是以承载能力评价为主的方法，一类是以状态评价为主的综合评价方法。
在大型桥梁评估研究中经常采用的一种方法是在桥上建立结构状态监测系统，对反映桥梁结构状态的特性参数进行部分或全面监测，然后以监测数据与人工检测数据为基础，采用综合评价的方法对大型桥梁的安全性做出科学的评价。
中小桥梁由于数量多、分布广，一般通过定期或不定期的检测手段，对桥梁的承载能力做出评价。
1．2系统的设计背景
桥梁结构的使用性能及耐久年限,主要由设计、施工和所用材料的质量等诸多因素共同确定。
由于设计、施工和材料可能存在某些缺陷,而这些缺陷会使桥梁结构先天存在着某些薄弱之处。
此外,桥梁在营运使用中又会受到不可避免的人为损伤及各种大自然侵蚀,带来后天病害。
先天缺陷和后天病害的不利影响往往会结合在一起,如果再遇上荷载和外力的临界组合,则很容易使桥梁发生不可预见的损坏。
桥梁结构中的一处或某几处局部的损坏又可能产生连锁反应,波及到更多的位置,发展成更大的损坏,乃至危及桥梁的安全。
所以,确保建成的桥梁保持良好的运营状态和正常的使用功能,当务之急是及时发现早期病害,在尚未出现更大的损伤之前采取维修养护措施,以控制病害发展或把病害清除，而要达到此目的就必须对桥梁进行检查。
桥梁结构的检查是保证桥梁正常使用、进行维修加固的重要依据。
根据检查的重要程度不同以及时间间隔的长短,桥梁检查工作又可分为一般检查和定期检查。
一般检查也叫经常性的检查,可每个月或几个月一次,属于一般性的巡视检查,在我国通常由养护道班来完成。
定期检查也叫详细检查,可几年一次（一至三年）,或周期更长一些（五至七年）一次。
定期检查一般检查要较为详细地检查桥梁结构各个部位的使用状况,必须采取接触检查,就是对结构损坏部位进行接触量测、标记、安设检测仪器的检查,需要动用特殊的机械设备与测量仪器。
对于桥梁的管理、评价或修复计划来说,“一般检查”所收集的信息太概括、太主观、太定性。
为了及时掌握桥梁的安全状态,有必要对桥梁结构有关运行参数进行连续监测。
本设计采用电子技术、传感器技术、计算机技术、信息技术等，研究并设计桥梁安全状态数据采集系统，为桥梁安全评判提供准确的桥梁运行数据，以便掌握桥梁运行状态。
1．3课题研究现状
1．3．1桥梁检测技术现状
（1）桥梁无损伤检测技术
传统的桥梁检测方法主要依赖于动静载试验和检测人员的现场目测，辅以混凝土硬度实验、超声波探测、腐蚀作用实验等多种检测手段。
进入20世纪90年代，随着现代传感与通信技术的发展，无损检测技术更是出现了前所未有的发展势态，先后涌现出一大批新的检测方法和检测手段，使无损检测技术向着智能化、快速化、系统化的方向发展。
近年来，致力于桥梁检测的研究人员提出了许多成功的方法对桥梁进行非破坏性评估。
一些新的方法被广泛应用于桥梁检测，如利用相干激光雷达测试桥梁下部结构的挠度，利用全息干涉仪和激光斑纹测量桥体表面的变形状态，利用双波长远红外成像检测桥梁混凝土层的损伤，利用磁漏摄
动检测钢索、钢梁和混凝土部的钢筋等。
随着振动实验模态分析技术的发展，运用振动测试数据进行结构动力模型修正理论得到了充分的发展，为桥梁结构的安全检测开辟了新的途径一。
基于振动模态分析技术，人们研究发现结构的动力响应是整体状态的一种度量，当结构的质量、刚度和阻尼特性发生变化时，选用结构振动模态作为权数，对结构损伤前后的模态变化量进行加权处理，从而实现对单元损伤的识别和有效定位。
响应是整体状态的一种度量，当结构的质量、刚度和阻尼特性发生变化时，选用结构振动模态作为权数，对结构损伤前后的模态变化量进行加权处理，从而实现对单元损伤的识别和有效定位。
（2）桥梁结构损伤识别技术
小波分析损伤识别法由于小波分析适合分析非平稳信号，因此可作为损伤识别中信号处理的较理想的工具，用它来构造损伤识别中所需要的特征因子，或直接提取对损伤有用的信息。
神经网络损伤识别法神经网络在损伤识别中的基本思路是：
首先，用无损伤系统的振动测量数据来构造网络，用适当的学习方法确定网络的参数；然后，将系统的输入数据送入网络，网络就有对应的输出，如果输入过程是成功的，当系统特性无变化时，系统的输出和网络的输出应该吻合；相反，当系统有损伤时，系统的输出和网络的输出就有一个差异，这个差异就是损伤的一种测度。
1．3．2国外桥梁检测技术发展动向
（1）已启动的研究程序
先进的桥面板检测系统包括双带远红外热成像系统、地面渗透雷达等。
先进的桥梁测试和健康监测系统包括全桥监测系统的无线电发送、精确的差分式全球定位系统测量桥梁变形、应用钢传感器对桥梁超载进行监测。
先进的疲劳裂纹探测和评估系统包括测桥梁裂纹的新型超声波和磁分析仪系统、热成像系统、便携式声发射系统、无线应变测量系统、微波探测和定量分析、无源疲劳荷载测量设备和电磁声发射传感器等。
先进的锈蚀探测和评估技术包括磁漏探测技术、探测先法压浆空隙的冲击一反射系统、埋入式锈蚀微传感器以及以磁为基础的测量系统。
用强迫振动响应法定量评估桥梁下部结构、用激光振动计测量斜拉索索力以及量化的无损检测方法与桥梁管理系统结合的课题。
（2）探索性的研究项目：
声发射技术的基础性研究，发展一种改进的宽带E探测器，它有能力产生
（信号）并探测不同受力模式下的疲劳裂纹。
磁力控制传感器的研究。
用微波技术对疲劳裂纹进行探测和定量分析。
光纤和其他微传感器
1．4系统的功能及优势
该系统利用AT89C51单片机，通过温度，振动，应力传感器，对桥梁的安全状况信息进行采集，经过放大电路对采集到的桥梁信息进行放大,传送到ADC0809A\D转换电路进行数模转换,然后通过LY625128存储器扩展,记录一段时间采集到的数据,并显示到LCD1608液晶显示屏上,然后通过RS232通讯端口,对采集到的数据进行传输.
1.4.1系统的功能
1实现桥梁温度参数实时采集；
2实现桥梁振动参数实时采集；
3实现桥梁应力参数实时采集；
4实现数据采集、数据滤波、数据处理、数据存储，数据通信等。
1.4.2系统的优势
1.系统能对采集到的数据进行存储
2.对采集到的数据能够进行显示
3.工作人员可以对数据通过端口定时传输
1．5设计任务
1、掌握反映桥梁安全的物理参数、研究检测方法和测量技术；
2、根据测量参数要求，依据先进性、可靠性、经济性的设计原则，通过分析、方案比较，确定数据采集系统；
3、控制系统硬件设计：
1）检测电路设计；
2）采集电路设计；
3）接口电路设计；
4）采集系统。
4、采集系统软件设计（数据采集、数据滤波、数据处理、数据存储，数据通信等）；
5、撰写设计说明书（毕业论文），绘制采集系统原理图（1＃图纸1），检测点分布图（2＃图纸1），完成系统软件流程图1；
6、完成相关外文文献阅读和翻译不少于5000字。
第二章系统的总体设计方案及工作原理
2．1总体设计方案论证
2.1.1方案一
1.基于工控机的桥梁采集系统的设计
工业控制计算机（以下简称工控机）是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。
传统意义上将用于工业生产过程的测量、控制和管理的计算机统称为工业控制计算机，它包括计算机和过程输入、输出通道2部分。
但今天的工控机的涵已经远不止这些，其应用围也已经远远超出工业过程控制。
因此，工控机是应用在国民经济发展和国防建设的各个领域、具有恶劣环境适应能力、能长期稳定工作的加固计算机。
工控机（IPC）是一种具备特殊性能的计算机，能在恶劣的产业生产环境下,保证系统的连续稳定运行,并能承受环境中的高（低）温、冲击、振动、电磁干扰、湿润、粉尘等不利因素。
考虑到本系统的特殊性，我们选择了使用方便的产业便携机，型号为REPC-815。
2、工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。
因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点：
1）机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。
2）机箱有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽。
3）机箱有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。
4）要求具有连续长时间工作能力。
5）一般采用便于安装的标准机箱（4U标准机箱较为常见）
注：
除了以上的特点外，其余基本相同。
另外，由于以上的专业特点，同层次的工控机在价格上要比普通计算机偏贵，但一般不会相差太多。
目前工控机的劣势：
尽管工控机与普通的商用计算机机相比，具有得天独厚的优势，但其劣势也是非常明显的--数据处理能力差，具体如下：
1）配置硬盘容量小；
2）数据安全性低；
3）存储选择性小。
4）价格较高
2.1.2方案二
1.基于PLC的桥梁安全状况采集系统
可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
（1）、电源
可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）围，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
（2）、中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是可编程逻辑控制器的控制中枢。
它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
（3）、存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
（4）、输入输出接口电路
1．现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。
2．现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
（5）、功能模块
如计数、定位等功能模块。
（6）、通信模块
2、系统根据设备的功能划分为3个层次:
数据采集层、PLC控制与显示层、数据传输层。
1）数据采集层涉及温度、振动、应力传感器,通过在PLC通信控制设备中嵌入式编程,实现对各传感器的数据采集,传感器等待PLC设备的数据垂询命令并做出响应。
2）PLC控制与显示层涉及PLC控制设备ADAM25510E/TCP和显示屏,ADAM25510E/TCP通过ADAM25510SeriesUtility软件平台与工作主机通信,实现嵌入式编程。
采用串口1接口与显示屏连接,通过ADAM输入/输出模块和串口2控制各传感器,采用RJ245网络口与上位机通信并存储
数据信息。
3）数据传输层通过RJ245接口,采用UDP/IP通信协议,将PLC采集的数据信息实时传输到上位机数据库服务器中。
2.1.3方案三
1.基于单片机AT89C51的桥梁安全状况采集系统
单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方便等优点，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。
2单片机具有的特点
（1）、系统结构简单，使用方便，实现模块化；
（2）、单片机可靠性高，可工作到10^6~10^7小时无故障；
（3）、处理功能强，速度快。
（4）、低电压，低功耗，便于生产便携式产品
（5）、控制功能强
（6）、环境适应能力强
3.系统结构框图
LY625128存储器
图2.5系统结构框图
2.2确定系统的总体设计方案
方案一采用工控机，具有在恶劣条件下工作的优点，但其缺点是数据处理能力差，具体如下：
1）配置硬盘容量小；
2）数据安全性低；
3）存储选择性小。
4）价格较高
方案二采用PLC方式，具有系统构成灵活，使用方便，编程简单，能适应各种恶劣的运行环境但其缺点是存储能力差，方案三采用单片机，具有经济，简单，易维护等特点，根据设计任务要求，方案一和方案二在控制成本，设计标准方面不符合任务要求，在此，我们选择方案三
2.3设计思路
本设计的基本思路是：
根据设计指标，首先从整体上规划好整个系统的功能和性能，然后再对系统进行划分，将比较复杂的系统分解为多个相对独立的子系统，特别注意对各个子系统与系统、子系统与子系统之间的接口关系进行精心设计以及技术指标的合理分解。
然后再由子系统到部件、部件到具体元器件的选择和调试。
各部件或子系统各自完成后再进行系统联调，直到完成总体目标。
第三章系统的硬件设计
本系统主要由单片机、传感器、模数转换器、LCD显示、键盘、存储器等几部分组成。
下面将具体介绍各个主要组成部分的功能、选型以及具体连接方式。
3.1单片机模块
3.1.1单片机的选型
单片机（SCM）是单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）的简称。
它是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时/计数器以及输入输出适配器都集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机。
它的最大优点是体积小，可放在仪表部。
但存储量小，输入输出适配器简单，功能较低。
目前，单片机在民用和工业测控领域得到最广泛的应用，早已深深地融入人们的生活中。
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：
CPU、存、部和外部总线系统。
单片机是将中央处理器，随机存储器。
只读存储器，定时器芯片和I/O接口电路集成于一个芯片上的微控制器。
单片机也被称为微控制器（Microcontroler），是因为它最早被用在工业控制领域。
单片机由芯片仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
早期的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。
随着INTELI960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。
目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。
而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
单片机是靠程序的，并且可以修改。
通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。
一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板，但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。
只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。
单片机的设计目标主要是增强控制能力，满足实时控制（就是快速反应）方面的需要。
它在硬件结构、指令系统、I/O端口、功率消耗及可靠性等方面均有其独特之处，其最显著的特长之一就是具有非常有效地控制功能。
因此，又常常被业界称为微控制器。
单片机控制系统和工业对象组成，如图3-1所示。
单片机系统由硬件和软件两部分组成。
硬件是指单片机本身及外围设备实体，软件是指单片机的程序以及过程控制的应用程序。
工业对象包括被控对象、测量变送、执行机构和电器开关等装置。
图3.1单片机控制系统的组成
51单片机是对目前所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。
该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。
目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间将占有大量市场。
51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。
51单片机的主要功能：
1、8位CPU·4kbytes程序存储器（ROM）（52为8K）;2、256bytes的数据存储器（RAM）（52有384bytes的RAM）;3、32条I/O口线，111条指令，大部分为单字节指令;4、21个专用寄存器;5、2个可编程定时/计数器，5个中断源，2个优先级（52有6个）;6、一个全双工串行通信口7、外部数据存储器寻址空间为64kB;8、外部程序存储器寻址空间为64kB;9、逻辑操作位寻址功能，双列直插40PinDIP封装;10、单一+5V电源供电;
CPU：
由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器;
RAM：
用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据;
ROM：
用以存放程序、一些原始数据和表格;
I/O口：
四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出;
T/C：
两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式;
五个中断源的中断控制系统;
一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或51单片机与微机之间的串行通信;
片振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。
最高振荡频率为12M。
51单片机具有如下的一些特点：
1）集成度高;
2）系统结构简单;
3）系统扩展方便;
4）可靠性高;
5）处理功能强、速度高;
6）容易产品化。
由于“51系列单片机”有许多的优点，并且在课堂上也学习过“51系列单片机”，故对其由很好的认识和了解，可以在设计系统中能准确的使用。
故综合考虑本系统决定采用Atmel公司所生产的MCS—51系列中的AT89C51单片机。
AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机带有4K字节的可反复擦写的程序存储器（PENROM）。
和128字节的存取数据存储器（RAM），这种器件采用ATMEL公司的高密度、不容易丢失存储技术生产，并且能够与MCS-51系列的单片机兼容。
片含有8位中央处理器和闪烁存储单元，有较强的功能的AT89C51单片机能够被应用到控制领域中。
单片机AT89C51的功能特性
AT89C51提供以下的功能标准：
4K字节闪烁存储器，128字节随机存取数据存储器，32个I/O口，2个16位定时/计数器，1个5向量两级中断结构，1个串行通信口，片震荡器和时钟电路。
另外，AT89C51还可以进行0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式。
闲散方式停止中央处理器的工作，能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存随机存取数据存储器中的容，但震荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。
引脚描述
VCC：
电源电压
GND：
地
P0口：
P0口是一组8位漏极开路双向I/O口，即地址/数据总线复用口。
作为输出口时，每一个管脚都能够驱动8个TTL电路。
当“1”被写入P0口时，每个管脚都能够作为高阻抗输入端。
P0口还能够在访问外部数据存储器或程序存储器时，转换地址和数据总线复用，并在这时激活部的上拉电阻。
P0口在闪烁编程时，P0口接收指令，在程序校验时，输出指令，需要接电阻。
图3.2AT89C51引脚图
P1口：
P1口一个带部上拉电
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