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打樁船自動測量系統(tǒng)中聲音控制計數(shù)器的設計

時間：2009-04-14 09:32:28

關鍵字：自動測量計數(shù)器控制測量系統(tǒng)

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[導讀]在打樁船上，環(huán)境噪聲交錯，要對打樁聲進行計數(shù)以保存打樁次數(shù)記錄是相對復雜的。文章結合模擬濾波放大處理與數(shù)字冗余濾波及微處理器的自適應識別控制提出了一種具體可行的設計方法，使得計數(shù)系統(tǒng)可靠性高，計數(shù)準確。

1 引言
在自動化技術高速發(fā)展與微處理器廣泛應用的今天，傳感器技術也越來越被重視。各傳感器產(chǎn)品相繼出現(xiàn)，并應用到各種控制領域及測量系統(tǒng)以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作。隨著我國海洋資源不斷開發(fā)及水上交通的飛速發(fā)展，近幾年來我國沿海各大城市都在大力發(fā)展港口的建設，各類傳感設備打破傳統(tǒng)的人工測量方法，在海上施工船舶的測量系統(tǒng)中也發(fā)揮著巨大的作用，例如一個船舶打樁自動測量系統(tǒng)中就集成了高精度GPS接收機、傾斜儀、激光測距儀、聲控計數(shù)系統(tǒng)等以采集打樁過程中各類數(shù)據(jù)，并對船舶姿態(tài)等進行實時矯正，以控制打樁精度，大大提高了施工質(zhì)量與工作效率。
本文的聲音控制計數(shù)器是該系統(tǒng)的一個組成部分，主要用來記錄打一根樁時氣錘打樁的次數(shù)，解決了以往人工記錄費時費力、準確度不高的缺點，并可自動輸送到計算機數(shù)據(jù)庫軟件進行記錄。

2 工作原理與系統(tǒng)結構
2．1 工作原理
聲音控制計數(shù)系統(tǒng)是通過駐極體電容傳聲器拾取打樁船氣錘敲擊樁柱時所發(fā)出的聲音，并經(jīng)放大濾波等處理消除掉船上發(fā)動機轉(zhuǎn)動聲、工人工作時敲擊聲等雜聲后，經(jīng)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號后送入單片機進行數(shù)字處理，根據(jù)敲擊的規(guī)律及波形分析再次排除各類干擾，進行準確記錄后通過串口輸送給上位機數(shù)據(jù)庫軟件進行記錄。
2．2 系統(tǒng)結構
聲音控制計數(shù)系統(tǒng)主要包括拾音頭、前置放大、濾波中放、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換、微處理器等五個部分，其系統(tǒng)框圖如圖l所示。

3 模擬部分設計
3．1 前置放大
前置放大處理原理見圖2。模擬電路具有可靠性高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，一旦電路參數(shù)確定，其性能也就確定下來。由于船上設備諸多，各種設備運轉(zhuǎn)時的噪聲覆蓋范圍大，有發(fā)動機轉(zhuǎn)動時的轟鳴聲，也有金屬相互撞擊的高頻聲，還有海浪撞擊船體的低頻聲，因此在如此復雜的環(huán)境中拾取打樁聲要經(jīng)過多次處理。由于拾音頭靈敏度較低，為提高接收靈敏度，把傳聲器接成惠登斯橋的一臂，并經(jīng)隔直電容隔直后送至反相放大器的反向端，而電橋的另一結點接放大器同相端。在實際應用過程中，環(huán)境噪聲會有相應的變化，且鋼樁與水泥樁的音質(zhì)及頻率不一樣，前置放大器可手動調(diào)整增益以達到最佳效果。其原理如圖2。

3．2 模一數(shù)接口
模擬—數(shù)字接口處理原理如圖3所示。聲音信號經(jīng)前置放大后再送入濾波與第二級放大、檢波等處理環(huán)節(jié)變成比較干凈、幅度可識別的模擬信號。為送入單片機做進一步的糾錯處理及作相應的控制處理，需要對輸出的模擬信號進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。這里分成兩路進行處理，其中一路進行緩沖驅(qū)動后送入單片機A／D采樣接口進行波形采樣；另一路送入單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進行去抖處理以防止噪聲引起的脈沖輸出而被誤計數(shù)。

4 控制部分設計
為了對打樁聲進行計數(shù)，并將該數(shù)據(jù)上傳到上位機數(shù)據(jù)庫管理軟件記錄下來，本計數(shù)器選擇了STl2C2052AD單片機作為系統(tǒng)控制器，這是一款具有A／D轉(zhuǎn)換接口、外部中斷請求輸入、增強型異步串口的8051型單片機，它具有體積小，價格低廉的優(yōu)點，同時資源非常適合本系統(tǒng)的應用。
計數(shù)控制流程如圖4所示。模擬信號經(jīng)過模數(shù)接口的處理，第一路經(jīng)過線性緩沖器驅(qū)動后送入單片機A／D采樣接口對聲音波形進行采樣以記錄波形的特性。由于打樁聲經(jīng)過模擬電路的處理后強度要比別的雜聲大，而且其持續(xù)時間要相對較長，因此可以根據(jù)這一特性對波形進行自適應識別。但是船上作業(yè)中會有臨時的金屬撞擊聲打破這種特性，因此單獨的波形識別是不能保證計數(shù)的高可靠性的。因此這里設計了兩路輸入，另一路經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)去抖濾波后轉(zhuǎn)換成數(shù)字計數(shù)脈沖輸入單片機中斷輸入請求端進行計數(shù)中斷請求。由于打樁時打樁聲在時間上具有一定的周期性，打擊間隔有規(guī)律，因此在處理器內(nèi)部啟動定時器對打樁周期進行記錄，從周期上來識別聲音的真假。這兩路輸入單獨處理都存在其局限性，但如果將兩路結合起來，其中一路對波形特性進行識別，另一路對周期進行識別，相輔相成，大大提高了計數(shù)的準確率。

5 結語
聲音控制、聲音傳感等技術發(fā)展到今天已有廣泛的應用，但隨著電子技術的飛速發(fā)展，各領域自動化程度的提高，要求也在提高。在實際應用中，可控制性、實現(xiàn)的高精度、高可靠性更成為當今的焦點，為了提高系統(tǒng)集成度，往往需要通用的接口與微機相連。本設計根據(jù)實際環(huán)境的特性，以模擬電路處理與數(shù)字電路處理及微機控制相結合，綜合三者的優(yōu)點，互補三者的缺點，并根據(jù)實際環(huán)境、樁的不同，手動調(diào)節(jié)固定參數(shù)，大大地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準確度。經(jīng)過實際應用，該計數(shù)系統(tǒng)準確度達到98％以上，且非常便于打樁系統(tǒng)的集成，是船舶打樁系統(tǒng)自動化控制與測量系統(tǒng)中的重要組成部分。