杜 鋒，范英龍

（淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

1 項目背景

振弦式傳感器是目前國內(nèi)外普遍重視和廣泛應(yīng)用的一種非電量電測的傳感器。由于振弦傳感器直接輸出振弦的自振頻率信號，因此，具有抗干擾能力強、受電參數(shù)影響小、零點飄移小、受溫度影響小、性能穩(wěn)定可靠、耐震動、壽命長等特點。與工程、科研中普遍應(yīng)用的電阻應(yīng)變計相比，有著突出的優(yōu)越性。振弦傳感器能直接以頻率信號輸出，因此，較電阻應(yīng)變計模擬量輸出能更為簡單方便地進行數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和存儲，實現(xiàn)高精度的自動測試。為此，振弦傳感器得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。在國外，德國的MAlHAK、法國的TE蘊EMA蘊、美國的SINCO等多家公司，都有振弦傳感器的系列產(chǎn)品。廣泛應(yīng)用于港口工程、土木建筑、道路橋梁、礦山冶金、機械船舶、水庫大壩、地基基礎(chǔ)等測試，已成為工程、科研中一種不可缺少的測試手段，顯示出了其廣闊應(yīng)用和發(fā)展的前景。

2 改進方案

諧振式壓力傳感器被更多的應(yīng)用在工程中。這種傳感器利用壓力的變化來改變諧振頻率，從而通過頻率的變化來間接的測量壓力。因為在工作時要產(chǎn)生振動，所以稱為振弦傳感器，現(xiàn)階段的振弦傳感器多以便攜式為主題，因此不便用于較大的工程進行實時的測量。

（1）所用振弦傳感器特點簡介。振弦傳感器輸出頻率信號，而頻率時能獲得很高測量精度的信號，并且適用于長距離傳輸也不會降低其精度。振子的阻尼小，諧振響應(yīng)曲線十分窄，振子振動時，它的結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有一定的阻尼，需要消耗能量，從而需要外部施加激勵。

（2）系統(tǒng)改進措施。振弦傳感器改進系統(tǒng)主要有以下4個方面：①振弦傳感器信號處理電路及數(shù)據(jù)采集電路。在惡劣的環(huán)境下工作，確保數(shù)據(jù)準確性；于軟、硬件補償外界對儀器的影響。主要是溫度的補償，振弦受溫度有一定的影響；③中央控制部分、人為調(diào)節(jié)部分和顯示部分；④GPRS通信模塊添加和開關(guān)電路的革新，GPRS模塊實現(xiàn)無線遠程的監(jiān)控，開關(guān)電路實現(xiàn)低功耗。

3 硬件設(shè)計

監(jiān)測儀器的硬件組成包括：模擬信號輸入部分、信號處理部分、通訊部分和人機交互部分。但每一部分的具體實現(xiàn)方法結(jié)合儀器所需完成的功能、成本及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與成熟程度等因素綜合考慮。此振弦傳感器讀數(shù)儀改進主要對所得數(shù)據(jù)進行在線監(jiān)測，實時傳輸，對監(jiān)測點進行全天候的監(jiān)測?？傮w模塊有振弦傳感器的激勵設(shè)計、信號處理、溫度補償電路、按鍵模塊、顯示模塊以及通訊模塊?？傮w設(shè)計如圖1所示。

圖1 振弦傳感器硬件設(shè)計

（1）信號調(diào)理電路設(shè)計。信號采集分為兩路：一路是溫度，另一路是頻率信號的采集。主要采用圖像識別法：①溫度補償電路是在傳感器中封裝一個熱敏電阻，通過恒流源向熱敏電阻提供恒定電流，在電阻兩端產(chǎn)生電壓降，此電壓經(jīng)過放大電路，緩沖電路進入A/D。經(jīng)測量電阻電路，求出熱敏電阻的實際阻值，再由熱敏電阻的溫度特性完成阻值到溫度的轉(zhuǎn)換；于要使振弦傳感器輸出頻率信號，首先通過激振電路對弦進行激勵。由MCU發(fā)送PWM脈沖，進過DC/DC倍壓電路升壓，產(chǎn)生好壓脈沖使之振動，當激振電壓升至5伏時可控硅觸發(fā)，當脈沖信號加至線圈時產(chǎn)生磁場，使振弦振動，被激勵的振弦通過感應(yīng)線圈振動轉(zhuǎn)換成衰減的正弦波信號輸出。檢測電路將振蕩信號進行放大、整形和濾波，得到標準的方波信號，將該信號送至MCU測取頻率。

（2）GPRS通信設(shè)計。首先編寫串行口驅(qū)動層。它實現(xiàn)打開串口、關(guān)閉串口、讀串口數(shù)據(jù)，寫串口數(shù)據(jù)等函數(shù)，然后在這些串口函數(shù)基礎(chǔ)上編寫GPRS模塊的驅(qū)動函數(shù)。單片機控制GPRS模塊進行撥號、設(shè)置等操作。打開GPRS的DTU模式，進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，把所測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測點，實現(xiàn)遠程監(jiān)測，監(jiān)測點給予命令開始儀器的開始或停止工作。

（3）軟、硬件協(xié)調(diào)工作的冷啟動控制電路。按鍵啟動，軟件實現(xiàn)開關(guān)自鎖，按鍵關(guān)機，軟件實現(xiàn)開關(guān)解鎖，實現(xiàn)系統(tǒng)電路完全斷電，降低系統(tǒng)功耗。

4 軟件設(shè)計

圖2 程序設(shè)計

系統(tǒng)程序設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計方法，這種設(shè)計有利于軟件的調(diào)試和維護。根據(jù)設(shè)計要求對數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)無線傳輸、數(shù)據(jù)顯示和按鍵開關(guān)進行系統(tǒng)設(shè)計，下位機主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸和按鍵開關(guān)。上位機則負責(zé)處理數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)和發(fā)送命令。使用STM32單片機作為MCU，對GPRS進行編寫通信協(xié)議，控制振弦傳感器的數(shù)據(jù)進行傳輸，因STM32單片機功耗低，處理速度快捷。主要的程序設(shè)計：首先對頻率信號進行讀取，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換讀取溫度值進行數(shù)據(jù)上的補償，通過PWM產(chǎn)生激勵脈沖。其次，開關(guān)按鍵的軟件設(shè)計，軟、硬件結(jié)合使用設(shè)置其為冷啟動。然后初始化GPRS模塊，打開通信協(xié)議，把監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)缴衔粰C。上位機進行監(jiān)測數(shù)據(jù)和發(fā)送命令。具體步驟如圖2所示。

5 結(jié)語

應(yīng)用單片機技術(shù)，設(shè)計的振弦傳感器的控制單元，實現(xiàn)脈沖觸發(fā)、數(shù)據(jù)采集、測量接收移動數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)振弦傳感器的工作原理，設(shè)計了信號調(diào)理電路，并利用了相關(guān)應(yīng)用做了測試。由于振弦傳感器的精度受溫度的影響，故而設(shè)計了溫度補償電路，提高了系統(tǒng)測量精度。人機交互友好，使監(jiān)測更具效率。GPRS數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠距離測控，增強實時性。開關(guān)作冷啟動設(shè)計，降低了系統(tǒng)功耗。綜上所述，振弦傳感器具有良好的應(yīng)用價值，便于多種情況下應(yīng)用，可以適用于惡劣的環(huán)境中，提高監(jiān)測的效率。

［1］ 張曉群，呂惠民.壓力傳感器的發(fā)展、現(xiàn)狀與未來［J］.半導(dǎo)體雜志，2000，（1）.

［2］ 錢占軍，李彤.振弦式壓力傳感器數(shù)據(jù)采集接口設(shè)計［J］.測井技術(shù)，1994，（6）.

［3］ 劉廣玉.傳感器的現(xiàn)狀和未來［J］.測控技術(shù)，1999，（3）.