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摘 要

在水库大坝、隧道、矿山、桥梁等工程前期中应用了很多振弦式传感器，由于工程前期尚未建立完整的数据采集系统。对于这些传感器数据的采集，只有通过人工去测量传感器的数据。老式的读数仪需要测量人员随身带笔和纸，用来记录传感器需要测量的数据，然后将测量得到的数据带入公式，用笔计算出所需要测量的数据。不过这样做的话，读数仪在使用的时候是很不方便的。既浪费了时间，而且得到的精度也很低。针对这一缺点，在这次的设计中，振弦式传感器读数仪的控制芯片使用的是STM32芯片。该读数仪具有电路结构简单、容易起振、激振的频率方便控制、输出的信号灵敏度较高等优点，大大缩短了对振弦式传感器的现场测量与计算时间，减少了人工测量的时间，同时也提高了对传感器测量的精度。

关键词：振弦式传感器； STM32； 激振； 数据采集；

Vibration string sensor intelligent reader based on STM32F103 (hardware design)

Abstract

Reservoir dams, tunnels, mines, bridges and other projects in the early application of a lot of vibrating wire sensors, due to the pre-construction has not yet set up a complete data acquisition system for these sensors collect data only through artificial manual to measure the sensor. Old-Meter reader needs surveyors carry a pen and paper to record the sensor data to be measured, and then the data measured into the formula, by a pen calculate the required measurement data. But to do so, reader when in use is inconvenient. It is a waste of time, and the accuracy is also very low. In response to this shortcoming, In this design, the controller of the vibrating wire sensor reader uses the STM32.The instrument has the advantages of simple circuit structure, easy to start, easy to control, high signal sensitivity of output, The field measurement and calculation time of vibrating wire sensor is greatly shortened, Reduce the artificial measurement time, at the same time, also raised on the sensor measurement accuracy.

Key words：Vibrating wire sensor；STM32； Excitation； Data acquisition；

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 引 言 1

1.2 国内外的研究现状 1

1.3 本课题研究的目的 1

1.4 本课题主要工作 2

第二章 振弦式传感器概述 3

2.1振弦式传感器的工作方式 3

2.2振弦式传感器工作原理 3

2.3 单线圈传感器的工作过程 4

第三章 系统硬件电路设计 5

3.1 系统硬件结构 5

3.2 测量电路 7

3.2.1 激振电路 7

3.2.2 检测电路 8

3.3 数据传输电路 9

3.4 数据存储电路 10

3.5 显示电路 11

3.6 其他电路 12

3.6.1 DS18B20电路 12

3.6.2 按键电路 12

3.7 电源电路 13

第四章 系统的软件设计 15

4.1 编程环境 15

4.2 软件编程流程 15

第五章 电路调试 17

5.1 硬件调试 17

5.2 软件调试 18

5.2.1 按键调试 18

5.2.2 LCD调试 18

总结 20

致谢 21

参考文献 22

第一章 绪 论

1.1 引 言

随着国家经济建设事业的迅速发展，各种大坝、隧道、矿山、桥梁等工程建设的规模也越来越大，对国家快速发展的经济起到了至关重要的作用。为了避免隧道、矿山、大坝、桥梁等岩土工程发生安全事故，国家对于这方面的安全监测力度不断加大，而且为此投入了大量的人力、物力、财力。为了检测大坝、矿山等岩土工程存在的安全隐患，在岩土工程前期建设中投入了海量的传感器。振弦式传感器就是其中应用最多的传感器之一。因为振弦式传感器的稳定性比较好，输出的又是频率信号，可以接长电缆，特别适用于远程监测；可直接用微机检测，分辨力高、精确度较高，具有抗干扰能力强等特点。 “所以，振弦传感器从问世以后，其很快成为了长期埋设在岩土工程中用于检测安全隐患使用的最多的传感器。由于其优良的性能，很快在其它的行业中也获得了广泛应用。^[1]”

1.2 国内外的研究现状

传感器经常用来检测信号，是一种非常实用的信号检测装置。它能够将检测到的信号通过处理后转换为其他的形式，然后再输出。传感器有很多种类，也分别适用于各种场合。而对于岩土工程来说，使用最多的还是振弦式传感器。在目前看来，振弦式传感器在国内外的使用非常广泛，其是一种非电量电测的传感器，由于其输出是振弦振动时的频率，因此振弦传感器的抗干扰能力非常好，而且耐振动，能够使用的时间也长。

由于其具有上文中所提到的种种优点，因此振弦传感器的使用得到了迅速的发展。在国外，美国、德国、英国、法国以及挪威等多家公司，都拥有振弦式传感器的产品。 “而在国内，从60年代开始，国内的多家公司先后发明了用于不同场合的振弦式传感器的产品，比如测压力的有振弦式压力计、反力计、土压力计、位移计、应变计等等。它们被广泛的应用在土木建筑、道路桥梁、地基基础、机械船舶、水库大坝、矿山冶金等工程上。以如今振弦式传感器的应用范围来看，其已经成为岩土工程中不可或缺的一种用于检测安全隐患的传感器，显示出了其广阔的应用范围和迅速发展的前景。^[2] ”

1.3 本课题研究的目的

振弦式传感器的检测时间很长，一般都是用于长期检测，检测时间有时候会是数年，应用的一些工程现场环境也比较差，比如说隧道、深山等。这样就提高了对传感器的可靠性、稳定性、测量精度等要求。为了了解岩土工程是否存在安全隐患，须对振弦式传感器的数据进行分析。而在岩土工程前期建设中，并没有建立起完整的数据采集系统，这时便需要人工的对振弦式传感器进行数据的采集。因此本文设计了一种基于STM32F103的振弦式传感器智能读数仪，主要用来测量振弦式传感器的频率和温度。由检测电路测量得到的数据经过单片机处理后送到显示屏显示，并且将测得的数据保存在储存器内。通过数据接口电路将存储的数据上传到电脑中。

1.4 本课题主要工作

1.研究振弦式传感器的激振方法，选择合适的激振方案。用Altium Designer绘图软件绘制激振电路。

2.根据激振方案设计合适的检测电路，并绘制出电路图。

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