【正文】 橋梁安全狀態(tài)信息采集系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文目錄摘要Abstract第一章 緒論 1 橋梁檢測的內(nèi)容 11．2系統(tǒng)的設(shè)計背景 11．3課題研究現(xiàn)狀 21．3．1橋梁檢測技術(shù)現(xiàn)狀 21．3．2國外橋梁檢測技術(shù)發(fā)展動向 21．4系統(tǒng)的功能及優(yōu)勢 3 3 31．5設(shè)計任務 3第二章系統(tǒng)的總體設(shè)計方案及工作原理 52．1總體設(shè)計方案論證 5 5 方案二 5 方案三 7 7 8第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 9 9 9 鍵盤設(shè)計 15 16 傳感器 21 傳感器的選型 21 25 26 26 27 ADC0809 31 主要特性 31 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 31 外部特性（引腳功能） 32 ADC0809的工作過程 32 LCD1602液晶顯示 34 RS232串口 41 RS232串口通訊接口 41 MAX232電平轉(zhuǎn)換 43 存儲器 45 48第四章軟件設(shè)計 49 50 51 52 LCD1602子程序流程圖 53第五章 總結(jié) 55參考文獻 56外文資料 57中文翻譯 61致謝 64附錄 65蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計第一章 緒論 橋梁檢測的內(nèi)容需要進行檢測的橋梁原因多種多樣，需要檢測的橋梁類型也不盡相同。橋梁檢測的對象有很大部分是舊橋，許多舊橋難以適應新的使用要求，需要進行橋梁健康和使用安全性檢測；對于現(xiàn)行建造的橋梁，由于新工藝、新材料的使用，同時橋梁規(guī)模也越來越大，因此大部分新橋也要求做檢測工作。我國傳統(tǒng)的橋梁檢測內(nèi)容較多，主要是包括外觀檢查和動靜載試驗。其中外觀檢查按橋梁的構(gòu)件分為：橋面系的外觀檢查、橋梁上部結(jié)構(gòu)檢查、支座的檢查、墩臺的檢查、墩臺基礎(chǔ)的檢查；按檢測對象分為：裂縫的檢查、混凝土碳化深度的檢查、混凝土強度的檢查、鋼筋銹蝕的檢查、混凝土保護層厚度的檢查以及鋼筋的分布等。橋梁評估是利用特定信息，分析既有橋梁可靠性并為使橋梁保持一定水平的可靠性而做出相應工程決策的過程。在實際評估過程中，對中小橋梁與大型橋梁采取不同的評價方法，橋梁評估的方法大致可分為兩大類，一類是以承載能力評價為主的方法，一類是以狀態(tài)評價為主的綜合評價方法。在大型橋梁評估研究中經(jīng)常采用的一種方法是在橋上建立結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對反映橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特性參數(shù)進行部分或全面監(jiān)測，然后以監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用綜合評價的方法對大型橋梁的安全性做出科學的評價。中小橋梁由于數(shù)量多、分布廣，一般通過定期或不定期的檢測手段，對橋梁的承載能力做出評價。1．2系統(tǒng)的設(shè)計背景橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能及耐久年限,主要由設(shè)計、施工和所用材料的質(zhì)量等諸多因素共同確定。由于設(shè)計、施工和材料可能存在某些缺陷,而這些缺陷會使橋梁結(jié)構(gòu)先天存在著某些薄弱之處。此外,橋梁在營運使用中又會受到不可避免的人為損傷及各種大自然侵蝕,帶來后天病害。先天缺陷和后天病害的不利影響往往會結(jié)合在一起,如果再遇上荷載和外力的臨界組合,則很容易使橋梁發(fā)生不可預見的損壞。橋梁結(jié)構(gòu)中的一處或某幾處局部的損壞又可能產(chǎn)生連鎖反應,波及到更多的位置,發(fā)展成更大的損壞,乃至危及橋梁的安全。所以,確保建成的橋梁保持良好的運營狀態(tài)和正常的使用功能,當務之急是及時發(fā)現(xiàn)早期病害,在尚未出現(xiàn)更大的損傷之前采取維修養(yǎng)護措施,以控制病害發(fā)展或把病害清除，而要達到此目的就必須對橋梁進行檢查。橋梁結(jié)構(gòu)的檢查是保證橋梁正常使用、進行維修加固的重要依據(jù)。根據(jù)檢查的重要程度不同以及時間間隔的長短,橋梁檢查工作又可分為一般檢查和定期檢查。一般檢查也叫經(jīng)常性的檢查,可每個月或幾個月一次,屬于一般性的巡視檢查,在我國通常由養(yǎng)護道班來完成。定期檢查也叫詳細檢查,可幾年一次(一至三年),或周期更長一些(五至七年)一次。定期檢查一般檢查要較為詳細地檢查橋梁結(jié)構(gòu)各個部位的使用狀況,必須采取接觸檢查,就是對結(jié)構(gòu)損壞部位進行接觸量測、標記、安設(shè)檢測儀器的檢查,需要動用特殊的機械設(shè)備與測量儀器。對于橋梁的管理、評價或修復計劃來說,“一般檢查”所收集的信息太概括、太主觀、太定性。為了及時掌握橋梁的安全狀態(tài),有必要對橋梁結(jié)構(gòu)有關(guān)運行參數(shù)進行連續(xù)監(jiān)測。本設(shè)計采用電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)等，研究并設(shè)計橋梁安全狀態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為橋梁安全評判提供準確的橋梁運行數(shù)據(jù)，以便掌握橋梁運行狀態(tài)。1．3課題研究現(xiàn)狀1．3．1橋梁檢測技術(shù)現(xiàn)狀(1)橋梁無損傷檢測技術(shù)傳統(tǒng)的橋梁檢測方法主要依賴于動靜載試驗和檢測人員的現(xiàn)場目測，輔以混凝土硬度實驗、超聲波探測、腐蝕作用實驗等多種檢測手段。進入20世紀90年代，隨著現(xiàn)代傳感與通信技術(shù)的發(fā)展，無損檢測技術(shù)更是出現(xiàn)了前所未有的發(fā)展勢態(tài)，先后涌現(xiàn)出一大批新的檢測方法和檢測手段，使無損檢測技術(shù)向著智能化、快速化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展。近年來，致力于橋梁檢測的研究人員提出了許多成功的方法對橋梁進行非破壞性評估。一些新的方法被廣泛應用于橋梁檢測，如利用相干激光雷達測試橋梁下部結(jié)構(gòu)的撓度，利用全息干涉儀和激光斑紋測量橋體表面的變形狀態(tài)，利用雙波長遠紅外成像檢測橋梁混凝土層的損傷，利用磁漏攝動檢測鋼索、鋼梁和混凝土內(nèi)部的鋼筋等。隨著振動實驗模態(tài)分析技術(shù)的發(fā)展，運用振動測試數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)動力模型修正理論得到了充分的發(fā)展，為橋梁結(jié)構(gòu)的安全檢測開辟了新的途徑一?；谡駝幽B(tài)分析技術(shù)，人們研究發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的動力響應是整體狀態(tài)的一種度量，當結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和阻尼特性發(fā)生變化時，選用結(jié)構(gòu)振動模態(tài)作為權(quán)數(shù)，對結(jié)構(gòu)損傷前后的模態(tài)變化量進行加權(quán)處理，從而實現(xiàn)對單元損傷的識別和有效定位。響應是整體狀態(tài)的一種度量，當結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和阻尼特性發(fā)生變化時，選用結(jié)構(gòu)振動模態(tài)作為權(quán)數(shù)，對結(jié)構(gòu)損傷前后的模態(tài)變化量進行加權(quán)處理，從而實現(xiàn)對單元損傷的識別和有效定位。(2)橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)小波分析損傷識別法由于小波分析適合分析非平穩(wěn)信號，因此可作為損傷識別中信號處理的較理想的工具，用它來構(gòu)造損傷識別中所需要的特征因子，或直接提取對損傷有用的信息。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)損傷識別法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在損傷識別中的基本思路是：首先，用無損傷系統(tǒng)的振動測量數(shù)據(jù)來構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)，用適當?shù)膶W習方法確定網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)；然后，將系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)送入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)就有對應的輸出，如果輸入過程是成功的，當系統(tǒng)特性無變化時，系統(tǒng)的輸出和網(wǎng)絡(luò)的輸出應該吻合；相反，當系統(tǒng)有損傷時，系統(tǒng)的輸出和網(wǎng)絡(luò)的輸出就有一個差異，這個差異就是損傷的一種測度。1．3．2國外橋梁檢測技術(shù)發(fā)展動向(1)已啟動的研究程序先進的橋面板檢測系統(tǒng)包括雙帶遠紅外熱成像系統(tǒng)、地面滲透雷達等。先進的橋梁測試和健康監(jiān)測系統(tǒng)包括全橋監(jiān)測系統(tǒng)的無線電發(fā)送、精確的差分式全球定位系統(tǒng)測量橋梁變形、應用鋼傳感器對橋梁超載進行監(jiān)測。先進的疲勞裂紋探測和評估系統(tǒng)包括測橋梁裂紋的新型超聲波和磁分析儀系統(tǒng)、熱成像系統(tǒng)、便攜式聲發(fā)射系統(tǒng)、無線應變測量系統(tǒng)、微波探測和定量分析、無源疲勞荷載測量設(shè)備和電磁聲發(fā)射傳感器等。先進的銹蝕探測和評估技術(shù)包括磁漏探測技術(shù)、探測先張法壓漿空隙的沖擊一反射系統(tǒng)、埋入式銹蝕微傳感器以及以磁為基礎(chǔ)的測量系統(tǒng)。用強迫振動響應法定量評估橋梁下部結(jié)構(gòu)、用激光振動計測量斜拉索索力以及量化的無損檢測方法與橋梁管理系統(tǒng)結(jié)合的課題。(2)探索性的研究項目：聲發(fā)射技術(shù)的基礎(chǔ)性研究，發(fā)展一種改進的寬帶E探測器，它有能力產(chǎn)生(信號)并探測不同受力模式下的疲勞裂紋。磁力控制傳感器的研究。用微波技術(shù)對疲勞裂紋進行探測和定量分析。光纖和其他微傳感器1．4系統(tǒng)的功能及優(yōu)勢該系統(tǒng)利用AT89C51單片機，通過溫度，振動，應力傳感器，對橋梁的安全狀況信息進行采集，經(jīng)過放大電路對采集到的橋梁信息進行放大,傳送到ADC0809 A\D轉(zhuǎn)換電路進行數(shù)模轉(zhuǎn)換,然后通過LY625128存儲器擴展,記錄一段時間內(nèi)采集到的數(shù)據(jù),并顯示到LCD1608液晶顯示屏上,然后通過RS232通訊端口,對采集到的數(shù)據(jù)進行傳輸.1實現(xiàn)橋梁溫度參數(shù)實時采集；2實現(xiàn)橋梁振動參數(shù)實時采集；3實現(xiàn)橋梁應力參數(shù)實時采集；4實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)通信等。1．5設(shè)計任務掌握反映橋梁安全的物理參數(shù)、研究檢測方法和測量技術(shù)；根據(jù)測量參數(shù)要求，依據(jù)先進性、可靠性、經(jīng)濟性的設(shè)計原則，通過分析、方案比較，確定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；控制系統(tǒng)硬件設(shè)計： 1）檢測電路設(shè)計； 2）采集電路設(shè)計； 3）接口電路設(shè)計； 4）采集系統(tǒng)。采集系統(tǒng)軟件設(shè)計（數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)通信等）；撰寫設(shè)計說明書（畢業(yè)論文），繪制采集系統(tǒng)原理圖（1＃圖紙1張），檢測點分布圖（2＃圖紙1張），完成系統(tǒng)軟件流程圖1張；完成相關(guān)外文文獻閱讀和翻譯不少于5000字。第二章系統(tǒng)的總體設(shè)計方案及工作原理2．1總體設(shè)計方案論證1. 基于工控機的橋梁采集系統(tǒng)的設(shè)計工業(yè)控制計算機(以下簡稱工控機)是工業(yè)自動化設(shè)備和信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)備的核心。傳統(tǒng)意義上將用于工業(yè)生產(chǎn)過程的測量、控制和管理的計算機統(tǒng)稱為工業(yè)控制計算機，它包括計算機和過程輸入、輸出通道2部分。但今天的工控機的內(nèi)涵已經(jīng)遠不止這些，其應用范圍也已經(jīng)遠遠超出工業(yè)過程控制。因此，工控機是應用在國民經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)的各個領(lǐng)域、具有惡劣環(huán)境適應能力、能長期穩(wěn)定工作的加固計算機。 工控機（IPC）是一種具備特殊性能的計算機，能在惡劣的產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下,保證系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行,并能承受環(huán)境中的高（低）溫、沖擊、振動、電磁干擾、濕潤、粉塵等不利因素?？紤]到本系統(tǒng)的特殊性，我們選擇了使用方便的產(chǎn)業(yè)便攜機，型號為REPC815。工控機通俗的說就是專門為工業(yè)現(xiàn)場而設(shè)計的計算機，而工業(yè)現(xiàn)場一般具有強烈的震動，灰塵特別多，另有很高的電磁場力干擾等特點，且一般工廠均是連續(xù)作業(yè)即一年中一般沒有休息。因此，工控機與普通計算機相比必須具有以下特點： 　　1） 機箱采用鋼結(jié)構(gòu)，有較高的防磁、防塵、防沖擊的能力。 　　2） 機箱內(nèi)有專用底板，底板上有PCI和ISA插槽。 　　3） 機箱內(nèi)有專門電源，電源有較強的抗干擾能力。 　　4） 要求具有連續(xù)長時間工作能力。 　　5) 一般采用便于安裝的標準機箱（4U標準機箱較為常見） 　　注：除了以上的特點外，其余基本相同。另外，由于以上的專業(yè)特點，同層次的工控機在價格上要比普通計算機偏貴，但一般不會相差太多。 　　目前工控機的劣勢 ： 　　盡管工控機與普通的商用計算機機相比，具有得天獨厚的優(yōu)勢，但其劣勢也是非常明顯的數(shù)據(jù)處理能力差，具體如下： 　　1) 配置硬盤容量??； 　　2) 數(shù)據(jù)安全性低； 　　3) 存儲選擇性小。 　　4）價格較高 方案二可編程邏輯控制器實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機， 其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，基本構(gòu)成為： （1）、電源 　　可編程邏輯控制器的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此，可編程邏輯控制器的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去 （2）、中央處理單元(CPU) 　　中央處理單元(CPU)是可編程邏輯控制器的控制中樞。它按照可編程邏輯控制器系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當可編程邏輯控制器投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。 　　為了進一步提高可編程邏輯控制器的可靠性，近年來對大型可編程邏輯控制器還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 （3）、存儲器 　　存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 　　存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 （4）、輸入輸出接口電路 　　1．現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是可編程邏輯控制器與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道。 2．現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用可編程邏輯控制器通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應的控制信號。 （5）、功能模塊 　　如計數(shù)、定位等功能模塊。 （6）、通信模塊 系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備的功能劃分為3 個層次:數(shù)據(jù)采集層、PLC 控制與顯示層 、數(shù)據(jù)傳輸層。1) 數(shù)據(jù)采集層涉及溫度、振動、應力傳感器,通過在PLC 通信控制設(shè)備中嵌入式編程,實現(xiàn)對各傳感器的數(shù)據(jù)采集,傳感器等待PLC 設(shè)備的數(shù)據(jù)垂詢命令并做出響應。2) PLC 控制與顯示層涉及PLC 控制設(shè)備ADAM25510E/ TCP 和顯示屏,ADAM25510E/ TCP通過ADAM25510 Series Utility 軟件平臺與工作主機通信,實現(xiàn)嵌入式編程。采用串口1 接口與顯示屏連接,通過ADAM 輸入/ 輸出模塊和串口2 控制各傳感器,采用RJ245 網(wǎng)絡(luò)口與上位機通信并存儲數(shù)據(jù)信息。3) 數(shù)據(jù)傳輸層通過RJ245 接口,采用UDP/ IP通信協(xié)議,將PLC 采集的數(shù)據(jù)信息實時傳輸?shù)缴衔粰C數(shù)據(jù)庫服務器中。 方案三單片機具有體積小、控制功能強、功耗低、環(huán)境適應能力強、擴展靈活和使用方便等優(yōu)點，用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號檢測系統(tǒng)、無線感知系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、機器人等應用控制系統(tǒng)。2單片機具有的特點（1）、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，實現(xiàn)模塊化；