摘要：設計了一種基于AVR和振弦式滲壓計的大壩監測系統，簡要介紹了振弦式滲壓計的原理、數學模型以及ATmega128單片機的特性，運用單片機的輸入捕捉和ADC功能并結合軟件設計對系統的激振和測頻方法進行了改進，同時提出了一種簡單易行的防雷擊電路。本洲頻系統具有硬件電路簡單、信號靈敏度高等特點，提高了測量計算準確度，對大壩安全性監測提供了幫助。
關鍵詞：振弦式滲壓計；ATmega128；防雷擊電路；輸入捕捉；ADC

    滲流監測是大壩安全監測中的重要項目之一，為了全面地分析大壩在運行期間的安全性，必須進行滲流量的觀測，同時還應觀測滲水的溫度。由于振弦式滲壓計具有分辨率高、不受降雨干擾、無淤堵等優點，所以近年來在大壩滲壓監測中得到了廣泛的應用。文中提出了以AVR單片機為核心的簡單有效的大壩滲壓監測系統，并對其中部分模塊進行了改進。

1 振弦式滲壓計
1．1 振弦式滲壓計結構與原理
    本文采用的是VWP型振弦式滲壓計，它由透水板、感應膜、密封殼體、振弦及激振電磁圈等組成。儀器中有一個靈敏的不銹鋼膜片，在它上面連接振弦，如圖1所示。當被測水壓作用膜片上時，將引起彈性膜板的變形，其變形帶動振弦轉變成振弦應力的變化，從而改變振弦的振動頻率。使用時，通過對電磁線圈加載適當的電流實現激振過程，激振完成后，切斷對線圈的供電，同時將線圈接入測量電路中，通過拾取線圈中的感生電動勢來獲得振弦的固有頻率，頻率信號經電纜傳輸至讀數設備，即可測出水荷載的壓力值，同時可測出埋設點的溫度值。

1．2 振弦式滲壓計的數學模型
    對于圖1所示的振弦式滲壓計，當振弦受張力T作用時，其等效剛度發生變化，振弦的諧振頻率f為：
   
    式中，p-振弦的線密度(tex，ltex=g／km)；l-振弦的有效振動長度(m)。
    本文采用的是單根振弦的滲壓計，根據其輸出特性，計算公式如下：
   
    式中，Pm為滲透壓力；k為滲壓計的測量靈敏度；fo為基準頻率值；f實測頻率值；b為溫度修正系數；T為實時測量的溫度值；T0為溫度的基準值；Q為大氣壓修正系數，對于密封腔與大氣壓溝通的儀器，Q恒為0。
    假設不考慮大氣壓力影響，當外界溫度恒定時，滲透壓力與頻率平方差成正比；當滲壓增量恒定時，滲透壓力與頻率平方差成正比，這個輸出量僅僅是由溫度變化而造成的，與溫度增量成線性關系，即，于是溫度修正系數，如果不考慮溫度增量的影響，這個輸出的變化就是溫度變化引起的系統誤差。本系統中采用的滲壓計k=0．1105，b=0．3042。

2 ATmega128微處理器
    ATmega128作為數據端的控制核心，是基于增強的AVRRISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega128的數據吞吐率高達1 MIPS／MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。該芯片采用5 V供電，其最高工作頻率可達16 MHz；4 K字節的SRAM、4 K字節的EZPROM(其壽命可達100 000次寫／擦除周期)；4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器／計數器(T／C)。支持外部存儲器擴展，為編寫和運行程序提供了強力的保證。
    特別的，T／C的輸入捕捉單元可用來捕獲外部事件，并為其賦予時間標記，以說明此時間的發生時刻。外部事件發生的觸發信號由引腳ICPn輸入，也可以通過模擬比較器單元來實現。本文采用通過模擬比較器單元觸發方式，可以將放大濾波后的模擬信號直接轉換為數字信號并被單片機檢測。模擬比較器的框圖如圖2所示。

    其中，ACIC置位后允許通過模擬比較器來觸發T／C1的輸入捕捉功能。此時比較器的輸出被直接連接到輸入捕捉的前端邏輯，從而使得比較器可以利用T／C1輸入捕捉中斷邏輯的噪聲抑制器及觸發沿選擇功能。ACIC為“0”時模擬比較器及輸入捕捉功能之間沒有任何聯系。為了使比較器可以觸發T／C1的輸入捕捉中斷，定時器中斷屏蔽寄存器TIMSK的TICIE1必須置位。

    ATmega128有一個10位的逐次逼近型ADC。ADC包括一個采樣保持電路，以確保在轉換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。ADC通過逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉換成一個10位的數字量。最小值代表GND，最大值代表AREF引腳上的電壓再減去1LSB。通過寫ADMUX寄存器的REFn位可以把AVCC或內部2．56 V的參考電壓連接到AREF腳。在AREF上外加電容可以對片內參考電壓進行解耦，以提高噪聲抑制性能。如果使用單端通道，則繞過增益放大器。因此電路在設計時，將激振輸出的信號進行放大并濾除直流信號，進而進行ADC轉換。轉換結束后(ADIF為高)，轉換結果被存入ADC結果寄存器(ADCL、ADCH)。單次轉換的結果如下：
   
    式中，VIN為被選中引腳的輸入電壓(PF0)，VREF為參考電壓。0x000代表模擬地電平，0x3FF代表所選參考電壓的數值減去1LSB。

3 系統設計與實現
    根據上述基本原理，設計的監測系統的整體框圖如圖3所示。主要由防雷擊電路、激振電路、檢測電路、單片機控制電路等幾部分組成。工作過程是由單片機產生PWM信號完成對滲壓計的激振，線圈中產生的感應電動勢經放大濾波電路送給單片機，運用其模擬比較器進行數據捕捉處理，在人工采集數據時直接送顯示電路顯示。但在遠程監控時，可通過Zigbee通信模塊進行無線傳輸，從而完成對數據的采集處理。

3．1 防雷擊電路
    雷擊是影響大壩安全檢測系統正常運行的重要因素之一，因此必須提高檢測系統的防雷性能。本文將介紹一個簡便易行有效的防雷擊電路，如圖4所示。

    防雷擊電路由玻璃放電管(防雷管)、雙向瞬變二極管和熱敏電阻組成。當強電流(高于玻璃放電管的放電電壓)來時，放電管兩端會產生弧光放電，氣體電離放電后，兩端電壓以10-9秒量級的速度迅速降低，從而保護電路。在有可能出現續流的地方，為防止玻璃放電管擊穿后長時間導通而損壞，電路中串聯熱敏電阻。雙向TVS(導通電壓定位6 V>5 V)，在這里起到備用通路的作用。它可在正反兩個方向將其工作阻抗立即降至很低的導通值，并將電壓鉗制到預定水平，從而提高了防雷電路的可靠性。
3．2 激振檢測電路
    作為整個系統的主體部分，首先給出總的電路圖，如圖5所示。

3．2．1 激振電路
    目前，振弦式傳感器激勵方式主要有高壓撥弦和低壓掃頻激振兩種。由于系統運行在低壓狀態，故采用低壓掃頻激振。根據傳感器的固有頻率選擇合適的頻率段，對傳感器施加頻率逐漸變大的掃頻脈沖串信號，當激振信號的頻率和鋼弦的固有頻率相近時，鋼弦能快速達到共振狀態，此時產生感應電動勢且振幅最大，傳感器輸出的頻率信號信噪比較高且便于測量。
    本系統選用的傳感器振弦的固有頻率為450～5 000 Hz，故可以充分利用AVR微處理器。運用軟件設計，設置ATmega128單片機的引腳PB44輸出PWM信號進行激振，激振輸出的信號經過光電隔離放大整形電路，進入單片機的ADC接口(PF0)，完成對感應電動勢的采集。通過程序設計，將最大感應電壓信號對應的頻率保存在片內存儲器中，從而完成對滲壓計的激振。對于以后的激振將一直采用此頻率，從而確保系統能獲得高精度的測量結果，流程圖如6所示。

3．2．2 信號調理檢測電路
    對傳感器進行掃頻激勵后，傳感器將返回幅度不斷衰減的正弦信號，由于信號幅度較小，在1 mV左右，因此需要對信號進行放大。本系統選用INA326精密儀表放大器，其適用于單電源、低功耗和精密測量的應用場合，并可保持良好的線性。如圖5，INA326的增益它的增益可通過與輸入信號隔離的外部增益電阻來設置，而且工作性能穩定。電路中分別由R1、R2、R5、R6設置，增益G1=2R2／R1，G2=2 R6／R5。外接電阻除與增益有關外，也直接影響到穩定性及溫度漂移，因此要求精度高時要采用低溫度系數的精密電阻。為盡量減少在腳1與腳8的雜散電容量，而且將腳4與腳7直接用電容相連接。
    由于振弦的共振頻率范圍為450～5 000 Hz，此頻率信號的穩定持續時間是有限的，必須在共振信號衰減到不至于影響測頻前完成測量任務。ATmega128的兩個16位定時／計數器(T／C1、T／C3)具有輸入捕捉功能，它是AVR定時／計數器的又一個顯著的特點。本文將使用ATmega-128的1個定時／計數器，再配合其輸入捕捉功能來測量脈沖的寬度，實現程序流程圖7所示。

    在T／C1的捕捉中斷中，首先比較PE2(AIN0)和PE3(AIN1)的電壓值，得出AC0的實際狀態，并清空溢出計數器。當檢測器證實ACO為高電平，輸入捕捉即被激發，16位的TCNTn數據被復制到輸入捕捉寄存器ICRn，同時輸入捕捉標志位ICFn被置位。通過讀取ICRn寄存器，得到上升沿出現的時間T1；重復上面的過程，記錄第二次上升沿出現的時間T2。將兩次記錄的時間相減，便求得脈沖的周期。如此重復測量多次，求得平均值，從而完成信號的檢測。
    可以看到，由于使用定時／計數器以及配合它的捕捉功能測量兩次上升沿之間的時間，不僅節省系統的硬件資源，編寫程序簡單，而且精度也高。
3．3 通道選擇電路
    本系統所使用的傳感器為白、綠、紅、黑四線接頭，其中白線與綠線代表所測熱敏電阻接線端，紅線與黑線代表振弦的兩端。通過八通道模擬開關HCF4051以及單片機控制，通道選擇模塊把8路傳感器分時測量。由單片機的引腳發出控制信號選通滲壓計，然后進行激振并輸出頻率信號，最后以總線的形式接入到單片機測量電路。
3．4 測溫電路
    在振弦傳感器激振線圈旁設置有能測量溫度的熱敏電阻，這樣就能測出溫度對振弦頻率的影響，從而對測量誤差提出修正。
    在通常情況下，其溫度與電阻的關系在一定溫度范圍內可表示為：
   
    式中，T為溫度，℃；g(R)為電阻R的函數關系式。所以，要測出溫度，只要測量出溫度傳感器等效電阻即可。

4 結束語
    本測頻系統具有簡單有效的防雷擊電路，以及簡便的系統電路，使得整個系統的穩定性得到很大的提高。同時充分利用AVR單片機的強大特性，使得信號采集和檢測的精度得到提高，為測量結果的后期處理與大壩安全監測帶來了極大的便利。