基于STM32的路基压实度测量装置设计与实现

万建均，肖卫初，贺建权，刘志明，杨同松

基于STM32的路基压实度测量装置设计与实现

万建均，肖卫初，贺建权，刘志明，杨同松

(湖南城市学院信息科学与工程学院，湖南益阳413000)

针对传统路基压实度测量设备存在操作复杂、破坏性检测和测量时间长的缺点，研制了一种由STM32单片机控制的操作简单、对路基无损伤且快速测量压实度的测量装置.该装置通过图形操作界面触摸选择不同的路基，单片机控制电机带动落锤提升到固定位置作自由落体运动，落锤产生固定冲击力将导杆打入地下，同时超声波模块采用时差法测量导杆下降的位移量，经单片机将位移量转换为压实度并传输给LCD显示.测试结果表明，该装置实现了对不同路基压实度的测量，平均误差为0.54.

STM32;ucGUI;超声波;带触摸LCD

随着近几年我国经济的腾飞，基础设施建设的快速发展，公路的通车里程快速增加，为确保工程质量，减少工程隐患，为人民的人身安全和财产安全提供保障，同时加快工程进度，给工程施工及监理等提出了更高的要求.而压实度作为路基路面施工质量检测的关键指标之一，传统检测方法采用灌砂法，该方法原理简单，但存在劳动强度大、操作不好掌握、容易引起较大误差且对路基破坏性大，因此，有必要寻找一种准确、简便、快速、无损地检测路基压实度的方法.

近年来，随着公路建设的快速发展，公路质量问题日益凸显，国内外对路基压实度测量的研究十分重视.文献[1]提出了一种基于激光图像测量土的压实度，该方法采用激光照射土体，激光与土的内部组织颗粒发生相互作用，且被土组织颗粒多次散射和吸收，收集散射出来的激光形成激光图像，分析并提取相关特征来评定压实度.该方法操作难度大，实施困难，测量结果不稳定.为了使操作更加简单，文献[2]提出了一种利用瞬态冲击法来检测路基压实度，该方法将一定质量的重锤从选定高度自由落下，土体受到瞬态冲击作用产生振动，然后，在与冲击点一定距离的土体中测取振动加速度信号，通过对该信号的处理与分析，确定路基压实度与信号的特征参数之间的函数关系，从而得出路基的压实度，该方法操作简单，但是，选取与冲击点不同距离的振动加速度信号测取点，会极大的影响测量结果的准确性.为提高测量的准确性，文献[3]提出了一种瞬态瑞雷面波法检测路基压实度，其原理是通过在介质表面施加一个瞬态激振力，收集路基瞬态瑞雷面波的频散曲线，再根据瑞雷波速不随频率的变化而改变的特性，以及在水平分层介质中瑞雷波相速度与各层介质的物理力学参数的相关性反求各层的参数，得出路基压实度.该方法具备省时、效率高、测量准确等优点，但易受直达波、折射波和反射波的干扰，且对这些干扰波的处理方法不完善.

综上所述，对路基压实度测量装置的研究重点是操作简单、快速检测和测量准确.针对这些问题，受文献[4]的启发，研制了一种基于STM32的路基压实度测量装置，该装置通过移植ucGUI在LCD上设计一个图形操作界面，通过触摸方式在该界面上选择不同的路基，单片机控制电机带动落锤提升到固定位置作自由落体运动，落锤产生固定冲击力将导杆打入地下，同时超声波模块采用时差法测量导杆下降的位移量，测量的精度能够达到毫米级，并通过I2C总线将位移量传输给单片机，单片机将位移量经位移压实度转换处理后传输给LCD显示压实度.测试结果表明，该装置操作简单，只需根据测量的土质在图形界面上选择路基种类；过程实现自动化，减少劳动量，大量缩短测量时间；实现不同路基的压实度的测量，平均误差为0.54.

1 系统总体设计

路基压实度装置总体设计方框如图1所示，该装置由控制部分、测量部分、显示部分和机械部分组成.控制部分是单片机根据测量指令和碰撞检测模块的反馈信息，来控制电机带动落锤的起降；测量部分由超声波发射器、超声波接收器两部分构成，通过时差法测量导杆下降的位移量，并通过I2C总线与单片机进行数据传递；显示部分是通过移植ucGUI在LCD上设计一个图形菜单界面，界面上可通过触摸选择不同的路基，同时可显示超声波测量的位移量和该路基的压实度；机械部分由落锤、导杆、三脚架、挡板组成.该系统工作流程：在LCD的图形菜单界面上选择路基，单片机控制步进电机带动落锤上升，当落锤触碰到碰撞检测装置后，碰撞检测装置反馈数据给单片机，单片机接收到反馈数据控制步进电机释放落锤，落锤通过自由落体运动将导杆打入地下，此时超声波对打入地下的位移量进行实时测量并将测量数据传输给单片机，经单片机数据处理后转换成压实度，并将位移量和压实度传输到LCD上显示.

图1 系统总体框图

2 系统硬件设计

2.1控制电路

该系统控制如图2所示.单片机通过内置FSMC接口控制带触摸LCD、通过I2C总线与超声波模块进行数据传递、通过电机驱动模块和碰撞检测模块对步进电机进行自动控制[5].PB6、PB7为I2C总线的SCL、SDA接口，实现超声波模块与单片机数据传递；PB14连接碰撞检测模块的信号输出端口；PA4连接驱动模块的CW端口控制电机的转动方向，PA5连接驱动模块的EN端口控制电机的使能，PA7连接驱动模块的CLK端口即时钟信号；采用FSMC控制带触摸LCD，其中FSMC_A[16:23]为地址线，FSMC_D[0:15]为双向数据线，FSMC_NCE2为片选，FSMC_CLK为时钟信号线，FSMC_NOE为输出使能，FSMC_WE为写使能，FSMC_NWAIT为NOR闪存要求FSMC等待的信号.

图2 控制电路

2.2带触摸的LCD电路

带触摸的LCD电路包括LCD显示电路和触摸屏电路，电路图如图3所示.LCD的分辨率为(240 320)，使用ILI9341芯片驱动LCD，芯片的GRAM(Graphics RAM)中每个存储单元都对应着液晶面板的一个像素点，与芯片内部的其他模块共同作用把GRAM存储单元的数据转化成液晶面板的控制信号，使像素点呈现特定颜色，而像素点组合起来则成为一幅完整的图像；通过TSC2046芯片控制触摸屏，单片机通过SPI（串行外设接口）向它写入控制字，由它检测X、Y方向的触点电压并返回给单片机，单片机读取该电压并进行软件转换，即得X、Y方向的坐标[6]. ILI9341的通讯接口时序是8080时序，虽然STM32可以采用普通的I/O来模拟8080通讯接口时序，但这样效率低下，极大的影响LCD的刷屏效果.为了提高显示效率，该系统通过STM32内置的FSMC接口，采用NORPSRAM工作模式控制LCD，提高传输效率.

图3 带触摸的LCD电路

2.3测量电路

测量电路包括超声波发射电路与接收电路，电路如图4所示.通过超声波模块采用时差法进行位移量的测量，其原理是超声波发射器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后被超声波接收器接收，从而测量出超声波脉冲从发射到接收在空气中传播的时间，在已知超声波在空气中传播速度的情况下，可由公式(1)计算.

式中，L为测量的距离长度；C为超声波在空气中传播速度；T为测量距离传播的时间差.根据式(2.1)可知，测距的误差是由超声波传播速度的误差和超声波传播时间的误差引起.

(1)时间误差

当要求测距误差小于1 mm时，假设已知超声波速度C=344m/s(20℃室温)，忽略声速的传播误差，测距误差(0.001/344)»0.000002907s 即2.907us.在超声波的传播速度准确的情况下，只要传播时间差值精度只要达到微秒级，就能保证测量距离小于1mm的误差.单片机机器周期通过公式(2)计算.

式中为时钟频率，STM32采用8MHz晶振频率，最高可倍频到72MHz，因此可计算出机器周期Tcy≈0.167us ，处于微秒级，因此采用STM32定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内.

(2)超声波传播速度误差

超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高传播速度越快，而空气的密度又与温度有密切的联系.

式中，T:摄氏温度；V：在该温度时的音速.该系统采用DS18b20温度传感器采集温度，对超声波进行温度补偿.

3 系统软件设计

3.1系统主程序设计

当系统上电时，先对系统进行初始化处理，系统初始化包括触摸屏初始化、GUI初始化、串口初始化[7].触摸屏的初始化即模拟SPI初始化，首先开启APB2下GPIOE、GPIOD的时钟使能，配置PE0和PD13端口为通用推挽输出、带宽为10MHz，PE3端口为上拉输入、带宽为10MHz；

图4 超声波电路

GUI的页面初始化，设置背景颜色为白色、清屏、设置编码格式为UTF8、设置文本显示的位置及内容、设置字体颜色为红色、设置字体大小为华文行楷33；串口初始化，开启APB2下USART1和GPIOA的时钟使能，配置PA9为复用推挽输出，带宽为50MHz，PA10为浮空输入，USART1配置波特率为115200、字长为8位、一个停止位、无奇偶校验位、无硬件数据流控制、收发模式、使能串口，系统主程序流程图如图5所示.

3.2ucGUI的移植

ucGUI是一种嵌入式图形软件，可以制作操作界面、图像等等，用于在显示设备上显示[8].要在嵌入式设备中应用就必须要进行移植.在MDK472a编译环境下，进行ucGUI3.90源代码的移植，其步骤如下：

第一步：写好液晶显示屏的底层驱动，既在裸机下，可以正常显示.

第二步：加入ucGUI程序包.

第三步：配置接口函数，即配置LCDConf.h、GUIConf.h、GUITouchConf.h文件.

第四步：修改LCD_Driver，使GUI能够找到LCD驱动.

3.3超声波数据的处理

超声波测量的是导杆下降的位移量，通过公式(3)可转化为贯入率[9].

当路基的土质为高液限粉土，即程序中的数据处理2可通过公式(5)进行计算[10].

当路基的土质为砂砾土，即程序中的数据处理3可通过公式(6)进行计算.

公式(4)、(5)和(6)中K为压实度；W为路基土质含水量；DN为贯入率.

4 结果与分析

本实验选择粘土、高液限粉土和砂砾土三种土质做为实验对象进行压实度测量，采用卷尺对超声波测量精度进行测量.

4.1压实度的测试

进入图形菜单界面，分别选择粘土、高液限粉土和砂砾土选项，系统分别按照数据处理1、数据处理2和数据处理3进行处理，贯入深度按上路床厚度分别取30 cm、23 cm和30 cm，粘土的测试数据如表1所示，高液限粉土的测试数据如表2所示，砂砾土的测试数据如表3所示.表中，实际压实度通过灌砂法测量得出、含水率通过酒精燃烧法测量得出，灌入率和测量压实度通过该路基压实度测量装置获得.由表1可知，粘土的测量压实度与实际压实度的平均误差为0.47；由表2可知，高液限粉土的测量压实度与实际压实度的平均误差为0.45；由表3可知，砂砾土的测量压实度与实际压实度的平均误差为0.7.

图5 系统主程序流程图

表1 粘土测测试

表2 高液限粉土测试

表3 砂砾土的测试

4.2超声波精度测试

通过调节导杆，改变超声波模块与挡板间的距离，并分别通过卷尺和超声波模块进行测量，测试数据如表4所示.由表4可知，测量精度平均误差为2.0mm.

表4 测量精度测试

5 结论

与传统的路基压实度测量装置比较，该路基压实度测量装置操作简单、测试时间短、测量结果准确，无需进行繁琐的操作和计算，只需根据测量的土质在图形菜单界面上触摸选择相应的路基，单片机控制电机带动落锤提升到固定位置作自由落体运动，落锤产生固定冲击力将导杆打入地下，同时超声波模块采用时差法测量导杆下降的位移量，经单片机对位移量进行压实度转换处理并传输给LCD显示相应土质的压实度，测量压实度的平均误差在0.54，测量精度的平均误差2.0mm.该装置下一步的研究方向是进一步提高测量精度、增强机械抗振能力和添加更多的土质.

[1]李细荣.基于激光图像土的压实度检测方法的研究[D].西安:长安大学,2013.

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[3]李嘉,董海文.瞬态瑞.雷面波法在路基压实度检测中的应用[J].中南公路工程,2006,31(03):8-10.

[4]陶向华.长杆贯入仪检测路基压实度应用研究[J].公路交通科技:应用技术版,2011(03):43-46.

[5]王莹.高精度超声波测距仪的研究设计[D].北京:华北电力大学,2006.

[6]刘军,张洋,严汉宇.原子教你玩STM32[M].北京:航空航天大学出版社,2010.

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(责任编校：库文珍)

Design and Realization of the Sub-grade Compaction Measuring Equipment Based on STM32

WAN Jian-jun,XIAO Wei-chu,HE Jian-quan,LIU Zhi-ming,YANG Tong-song
(College of Communication and Electronic Engineering,Hunan City University,Yiyang，Hunan,413002,China)

For the problems of complex operation,the destructive testing and long-time measurement existing in the traditional sub-grade compaction measuring equipment,the equipment of measuring degree of compaction quickly with a simple operation and no damage to the roadbed was developed.It selected different roadbeds by touching a graphical user interface.The motor controlled by MCU drove the drop hammer and the drop hammer was raised to a fixed position,then it freefell.the drop hammer produced the fixed impact which made the guide rod into the ground.At the same time,the Ultrasonic module measured the dropped displacement of the guide rod by using the time difference method.MCU converted the displacement into degree of compaction and transmit it to LED for display.The test results showed that this equipment implemented the measurement of degree of compaction for different roadbeds with the average error of 0.54.

STM32;ucGUI;ultrasonic wave;degree of compaction compacting intensity

TN911.73-34；TP368.1

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2015.01.015

1672–7304(2015)01–0059–06

2015-02-19

国家级大学生创新创业训练计划项目(教高司函[2013]102号，项目编号：201311527005)

万建均(1993-)，男，湖南衡阳，2011级电子科学与技术专业学生，主要从事智能电子系统设计方面的研究．