邵俊飛 徐華東 徐偉通 周佳婧 王慧

摘要：傳統(tǒng)樹木胸徑測量主要采用胸徑圍尺和樹木胸徑卡尺來實現(xiàn)，這兩種工具都是人工讀數(shù)，存在人為誤差，耗時費力，效率較低。為了克服傳統(tǒng)樹木胸徑卡尺所存在的不足，本文對傳統(tǒng)胸徑卡尺進行再設(shè)計，利用傳感器技術(shù)、微計算機技術(shù)和集成電路技術(shù)，在傳統(tǒng)胸徑卡尺結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加了容柵傳感器、單片機和LED顯示器等數(shù)顯構(gòu)件，并通過設(shè)計不同功能的電路使各構(gòu)件有機結(jié)合，分析各關(guān)鍵構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、工作原理及功能實現(xiàn)方式，最終實現(xiàn)樹木胸徑卡尺的數(shù)顯功能。

關(guān)鍵詞：胸徑測量儀；容柵傳感器；單片機

中圖分類號：S758.7

文獻標識碼：A

文章編號：1001-O05X（2015）04-0098-03

在森林資源調(diào)查中，胸徑是一個重要的林分調(diào)查因子。它也是反映活立木質(zhì)量和生長量的最基本因子之一。胸徑的快速、準確測量，對林木資源調(diào)查以及合理經(jīng)營具有重要意義。當前用于測量胸徑的儀器主要包括：胸徑圍尺和樹木胸徑卡尺，這兩種儀器都是手工測量，不可避免存在人為誤差，且讀數(shù)耗時費力。因此，需要研究新型的樹木胸徑測量儀。

隨著科技的進步，工業(yè)檢測領(lǐng)域的軟件和硬件都在不斷地發(fā)生更新?lián)Q代，測試儀器的功能也逐漸向智能化、便捷化和精細化方向發(fā)展。容柵傳感器和單片機的出現(xiàn)與發(fā)展，對這一趨勢的推動，起到了重要作用。

近幾年，容柵傳感器和單片機陸續(xù)被應用到測距系統(tǒng)、數(shù)顯卡尺終端、變形檢測系統(tǒng)、車載油耗實時監(jiān)測系統(tǒng)和樹木根系檢測系統(tǒng)等領(lǐng)域，均取得了較好的效果。然而，在樹木胸徑檢測領(lǐng)域，仍以傳統(tǒng)測量為主，未引入這些智能化硬件設(shè)備，沒有實現(xiàn)測試儀器的智能數(shù)顯功能。

本文將對傳統(tǒng)胸徑卡尺進行改進，利用傳感器技術(shù)、微計算機技術(shù)和集成電路技術(shù)，實現(xiàn)樹木胸徑卡尺的數(shù)顯功能。數(shù)顯樹木胸徑測量儀將有效的解決傳統(tǒng)的胸徑測量的弊端，使測量更為快捷，讀數(shù)更為便利，提高野外測量的效率。

1 樹木胸徑測量儀結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

樹木胸徑測量儀由尺胚和數(shù)顯組件組成，如圖1所示。尺胚由動尺、定尺和尺爪組成。通過尺爪與被測物體相接觸，來實現(xiàn)位移測量。

1.2 組件功能

數(shù)顯組件由位移傳感器、單片機和顯示器組成。其中，位移傳感器用于采集位移量，并將位移信號轉(zhuǎn)換成單片機能夠識別的數(shù)字信號；單片機則用來采集位移傳感器接收到的數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)運算及處理，將被測樹木的胸徑尺寸顯示出來。

2 傳感器選定及功能實現(xiàn)

2.1 傳感器選擇

可用于數(shù)顯樹木胸徑測量儀實現(xiàn)樹木胸徑測量的傳感器種類有：磁柵式、光柵、容柵及感應同步器等多種類型。與其它類型大位移傳感器相比，容柵傳感器具有的優(yōu)點是：造價低、體積較?。尚酒瑑H1cm xlcm大?。?、結(jié)構(gòu)簡單、耗能少、安裝使用方便、環(huán)境適應能力強、分辨率高和動態(tài)范圍寬等。它是利用相位跟蹤原理來實現(xiàn)位移測量的傳感器。因此，本文設(shè)計的數(shù)顯樹木胸徑測量儀選擇容柵位移傳感器作為測量傳感器。

2.2 容柵傳感器特點及工作原理

容柵傳感器是一類變面積原理的電容傳感器，具有多對梳狀排列的電極。它的特點是：精度高、重復性好、對環(huán)境要求不苛刻、抗干擾能力強、能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化等。它即可用于小位移測量，又能實現(xiàn)大位移測量。

本文選擇直線形容柵傳感器，其工作原理為：由相對放置的2組條狀電極群組成，l組為動柵，另1組為定柵；通過靜電耦合來實現(xiàn)二者之間位移的測量。

2.3 傳感器安裝位置

由于動尺與定尺之間的距離隨所測活立木胸徑的不同而變化，想要將該距離測出，就需要將其轉(zhuǎn)化為容柵的動柵與定柵之間的靜電耦合，因而可以將定柵固定在尺身上、動柵裝在卡尺的動尺上，動柵正對定柵安裝。

2.4 容柵傳感器的功能實現(xiàn)

動柵的組成包括：相互連成一體的屏蔽電極與一系列相互隔離的傳送電極。它們的表面絕緣層用于防止工作時定柵與動柵短路。傳送電極在傳感器中起反射電極作用，通過它能把與傳送電極相對應的發(fā)射電極的激勵電壓耦合到吸收極中去。由于動柵與定柵正對安裝，動柵上的發(fā)射和接收電極便與定柵的傳送電極分別構(gòu)成2組平板電容。隨著動尺的移動，定柵與動柵的相對位置則會改變，進而形成位移信號。

3 傳感器與單片機的連接

容柵傳感器輸出的電容信號經(jīng)過容柵集成芯片中的集成電路處理可轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號輸出。由于容柵傳感器所采用的專用集成電路，通過非標準同步串行數(shù)據(jù)口輸出測量結(jié)果，其供電電壓為+1.5V，而單片機所采用普通的TTL芯片的供電電壓為+5V，所以單片機不能直接處理從傳感器集成電路中輸出的數(shù)據(jù)，要使二者可以相互通訊，必須要有電平轉(zhuǎn)化電路，如圖2所示。在電平轉(zhuǎn)換之后，單片機即可接收信號。然后利用單片機的集成電路，對測量數(shù)據(jù)進行計算，并向LED顯示器輸出測量結(jié)果。

4 單片機的選取及功能實現(xiàn)

4.1 單片機選擇

選取AT89C52單片機，它采用CHMOS工藝及高密度、非易失存儲技術(shù)制造，與80C51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。AT89C52單片機包含的功能部件有：8位CPU 1個；8kB PEROM；片內(nèi)振蕩器及時鐘電路各1個；寄存器21個；16位的定時/計數(shù)器3個；8位并行I/O口4個；可編程串行口1個；可編程I/O端線32條；中斷源8個。

4.2 單片機功能實現(xiàn)

單片機要準確地采集容柵傳感器的信號，再進行不同數(shù)制的轉(zhuǎn)換后顯示出來，這主要通過軟件設(shè)計來達到目的。軟件所包含主要模塊，如圖3所示。實際工作中，先對單片機編程，編寫處理數(shù)據(jù)的程序，程序存儲在存儲器之中，將從傳感器傳來的經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換的測量信號經(jīng)運算器運算處理，并將運算結(jié)果輸出。

各模塊的主要內(nèi)容和功能如下：①主程序模塊。主要包括始化程序，用于設(shè)置設(shè)置定時和中斷方式。②數(shù)據(jù)接收模塊。容柵傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)是24位，單片機接收數(shù)據(jù)為8位，因此必須依靠中斷方式分3次讀入串并行轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)接收時，這就要求接收程序要準確定位數(shù)據(jù)流的分界，迅速跟蹤數(shù)據(jù)流。同時，需要計算1個數(shù)據(jù)串是否接收完畢，在接收完1個數(shù)據(jù)串后，即將它轉(zhuǎn)至緩沖區(qū)準備進行下一步處理。③數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊的功能包括：二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成BCD碼的整數(shù)與小數(shù)；識別正負號標志。④顯示管理模塊。顯示管理程序首先對需要顯示的數(shù)據(jù)進行編碼轉(zhuǎn)換，然后由LED數(shù)碼管完成靜態(tài)顯示。

5 顯示部分的設(shè)計

顯示部分采用共陰極的LED，驅(qū)動電路為ICM7218B.顯示方式為動態(tài)掃描刷新模式。ICM7218B內(nèi)部構(gòu)件包含：8位CMOS LED驅(qū)動器；8x8位靜態(tài)RAM，用于存放顯示數(shù)據(jù)；具有BCD碼譯碼器和全16位制譯碼器；頻率250Hz的多位掃描電路。在顯示屏的面板上，利用若干發(fā)光二極管作為指示燈，在軟件中通過ICM7218B來控制發(fā)光二極管的發(fā)光和熄滅。

6 結(jié)束語

利用傳感器技術(shù)、微計算機技術(shù)和集成電路技術(shù)設(shè)計的可用于樹木胸徑測量的數(shù)顯卡尺，具有便攜、體積小、讀數(shù)方便、手持式測量等特點，適合于野外快速測量活立木胸徑數(shù)據(jù)。綜合利用直線形容柵傳感器、AT89C52單片機和LED顯示器，合理設(shè)置部件連接方式和控制電路，能夠較好地實現(xiàn)樹木胸徑卡尺的數(shù)顯功能。

在設(shè)計過程中，需要注意以下幾點。

（1）選擇直線形容柵傳感器作為位移傳感器，充分發(fā)揮其可動部分不需通電這一優(yōu)勢。

（2）由于容柵傳感器與單片機所采用的供電電壓不同，二者不能直接通訊，必須要有電平轉(zhuǎn)化電路進行過渡，才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

（3）單片機是數(shù)顯樹木胸徑測量儀的重要組成構(gòu)件之一。測試儀功能的實現(xiàn)，主要依靠單片機內(nèi)各個模塊的程序來完成，因此在設(shè)計過程中，要重視對單片機軟件功能的劃分與設(shè)計。