车载压实度检测仪的软硬件系统设计与应用

1、 引言

压实度是指压实土的干密度与标准击实试验获得的干密度之比。在公路修筑中，路基、地基层、基层和面层都需要很好的压实，以达到一定的密实度，提高道路的承载能力，并防止沉陷、水分渗透等。而衡量路基压实质量的一个重要指标就是路基的压实度。通常，压实度每提高1％，基础承载能力就要提高10％。若是沥青混凝土路面，压实度每提高1％，承载能力和寿命可提高10～15％。压实工作的重要性显而易见。

目前施工或检测部门一直采用的是传统的人工抽样方法来保证压实质量，这种方法不仅费时费力，而且还将造成路基的破坏。随着交通运输量的迅速增大，公路建设进一步发展，施工部门对压实度的检测提出了更高的要求。传统的压实度测量方法已经不能适应现代的施工要求，因此，研制开发一种快速、无损、定量的压实度检测仪器迫在眉睫。

2、 车载压实度检测仪的硬件设计

随着振动压路机压实工作的进行，土的密实度和弹性模量不断增加，土与压实轮之间的相互作用力也不断增大，所以压实轮的加速度幅值也在不断增大，从而可以通过检测加速度幅值变化间接测出路基的压实状况。车载压实度检测仪是一台在线实时压实度检测计。它主要由以下几个部分组成：加速度传感器、电荷放大器、A／D转换、单片机、液晶显示器以及通过RS-232串行口与车载式压实度检测仪相连的外部PC机。系统硬件组成如图1所示。

2.1 单片机的选型

这里选用Atmel公司生产的AT89S52单片机，其CPU采用与MCS-51兼容的结构和指令系统。

AT89S52是一款带有8 kB可在线编程Flash存储器的低功耗、高性能8位CMOS微控制器。它采用Atmel的高密非易失存储制造技术并与工业标准的80C51指令集和引脚结构相兼容。片上的Flash存储器允许重复在线编程或通过传统的非易失编程器进行编程，省去了每次都要拔片烧片之烦。AT89S52还提供以下标准功能：8 KB的Flash存储器、256字节RAM、32根I／O引线、看门狗定时器、两个数据指针、3个16位定时器／计数器、一个六向量两级中断结构、一个全双工通讯端口、片内振荡器和时钟电路。上述这些功能可很好地满足系统硬件部分的设计要求。

2.2 A／D转换器的选择

ADC0809是8位A／D转换器。对于振动压路机来说，其振动频率在30 Hz～50 Hz，根据采样定理可知：若连续信号xa（t）是有限带宽，即fa是有界的，则采样频率fs＞2fa时的离散信号x（n）就确定了xa（t）。其中xa（t）的频率为fa，x（n）表示采样间隔为T的xa（t）的离散信号。参照实际工程应用系统的硬件资源，一般取fs=10fa。本系统振动压路机的振动频率范围在30 Hz～50 Hz，所以fa=500 Hz，即采样周期T=2 ms。而ADC0809完成转换大约需100μs，故能满足系统的要求。对于瞬时值响应的A／D转换器来说，所需的转换速率取决于所要求的转换和被转换信号的频率。在本系统中仅采集振动轮一路加速度信号，因此ADC0809可完全满足要求。

2.3 液晶显示模块

在FPD（Flat panel display）器件中，LCD以其轻、薄、小、耗电低等优点而一枝独秀。为LCD配置驱动电路，可构成液晶显示模块LCM（Liquid Crys-tal Module）。它的基本组成元件除LCD、驱动电路外，一般还有连接件、背光源等。液晶显示模块同系统中的其他电路一样，具有简单的接口，并提供丰富的控制显示的指令系统，为整机的开发节约了时间。

由于需要显示加速度变化曲线，故在此选择LCD点阵图形液晶显示模块。点阵式LCD的控制与驱动较复杂，随着大规模集成电路工艺的发展，现已有驱动电路芯片与控制电路芯片，还有的制作在液晶屏背面的线路板上，使LCD应用更方便。这里选用的是成都飞宇达实业有限公司提供的FYD12864-0402B液晶显示模块，其与AT89S52的接口电路如图2所示。

2.4 AT89S52与PC机串行接口

单片机输出为TTL电平，要与RS-232进行接口，应在单片机AT89S52与PC机的接口之间进行电平转换。一般采用相应的TTL电平转换器即可实现，常用的RS-232电平转换器件为MAXIM公司的MAX232。MAX232的电平转换电路如图3所示。其中，MAX232的11引脚和AT89S52的11引脚连接，MAX232的12引脚和AT89S52的10引脚连接，MAX2323的15引脚和AT89S52的20引脚连接。

3、 车载压实度检测仪的软件设计

3.1 数据采集及发送程序设计

系统中AT89S52串口控制器SCON设置为50H，SM0、SM1分别为0、1，即为串行工作方式1，REN为1，即允许串口接收。另外，还应使AT89S52的中断允许寄存器IE的开放或禁止所有中断位EA为1，开放或禁止串行通道中断位ES为1，即允许串行口中断。AT89S52的并行口P0和P2分别作为8位数据的输入和输出口。P3口的输出作为数据锁存器和A／D的禁止和允许。下位机数据采集及发送程序流程图如图4所示。

3.2 液晶显示程序设计

车载压实度检测仪最终通过液晶显示屏显示加速度变化曲线。FYD12864-0402B内置ST7920驱动控制模块。因此用户不必为编写复杂的驱动程序头疼，只需按照接口说明正确连接好电路，根据要求编写主程序就可以了。液晶显示程序流程图如图5所示。

4 、结束语

本仪器在实际工作前，首先要对振动加速度的大小进行标定。实验证明，车载式压实度检测仪具有传统压实度检测仪器无可比拟的优势。具体体现在以下几个方面：

（1） 快速性：车载压实度检测仪可以在线实时反映路基的压实状况，而传统压实度检测法往往是在采样之后进行人工分析，才能确定出当前路面的压实状况，往往造成工期延迟。

（2） 无破坏性：传统的压实度检测法需要挖坑取样，因此，不可避免对路

基造成破坏。

（3） 准确性：传统的压实度检测方法仅可以测得有限点上压实度的数值，且具有很大的随机性，不能很好地反映整个压实区域的压实状况。而车载式压实度检测法则可以显示整个压实区域的压实状况。

（4） 易操作性：传统的压实度检测法需要熟练的手工操作，包括挖坑、称重和测量含水量等，而车载压实度检测法则无须人工取样。

相信随着现代化高等级公路建设规模的不断扩大和对路基压实质量要求的提高，车载式压实度检测仪一定会在未来的公路建设中得到更加广泛深入的应用。