基于直线位移传感器的直径生长记录仪设计（可编辑）

基于直线位移传感器的直径生长记录仪设计（可编辑） 一 ?一? 一 ’一: : ::.. ’, ,.. ,独创性声明 本人声明,所呈交的学位,在指导教师指导下,通过我的努力取得的成果,并且是自己 撰写的。尽我所知,除了文中作了标注和致谢中已经作了答谢的地方外,论文中不包含其他人发 表或撰写过的研究成果,也不包含在浙江农林大学或其他教育机构获得学位或证书而使用过的材 料。与我一同对本研究做出贡献的同志,都在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如被查有严 重侵犯他人知识产权的行为,由本人承担应有的责任。 学位论文作者亲笔签名:高午潮期:?毛哔 论文使用授权的说明 本人完全了解浙江农林大学有关保留、使用学位论文的规定,即学校有权送 交论文的复印件, 允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 保密,在??年后解密可适用本授权书。口 口 不保密, 本学位论文属于不保密。 请在方框内打“?” 学位论文作者亲笔签名:骅酶邋日期:坦丝 学位论文作者亲笔签名:凇日期:兰型垒 指导教师亲笔签名: 日期:逊摘要 摘要 胸径是描述树木生长的关键指标,一般用围尺、卷尺或卡尺等手工测量工具获得。 由于森林资源调查成本高,调查周期一般为年以上,基于手工操作的方法无法获得 在时间上较为精密的森林生长信息。近年来,传感器技术、计算机技术的高速发展, 为自动测量和记录树木直径生长变化提供了可能。本文基于直线位移传感器和单片机 设计了一个对树木直径生长量进行采集、存储和传输的记录仪,实现了自动化、低功 耗和通用性的设计目标,为降低森林调查成本、获得直径生长数据提供了方法。 本系统以公司的单片机作为控制器的核心器件,以? 公司的碳膜尺为数据采集器,采用模块化、开放性设计,运用了最小功耗设计理念, 设计了一款以电池供电、具有长期记录功能的树木直径生长记录仪。系统包括树木生 长量采集及/转换模块、数据存储、卡通信等模块。直线位移传感器得到的直 径生长数据以模拟量传输到,经过程序实现/转换,并与处理过的时 钟信号一并由存储模块存入中。系统设计了方便森林调查员用卡采集数据 的接口。当卡插入记录仪时,单片机感知后自动从向卡复制数据。复制 完成,并检查无误后删除中的备份。系统通过合理设置定时器的方法,最大限 度地节省功耗,实现节.伏电池连续工作个月。硬件部分包括传感器检测电路、 复位保护电路、电源电路、卡存储电路以及外围支架的设计。 关键词:记录仪;低功耗;直径生长量;直线位移传感器;卡;了 . , . , ,. , . . , , . , . ’ .’/. , , , / . , .. , ., . , . . . , , , . ; ; ; :;; ?目录 目 录 摘要?... 目录 引言.. .研究背景及意义?.. .国内外测树仪器研究现状.本文的主要内容?.. 直线位移传感器. .传感器技术现状?.. .位移传感器简介?.. ..位移传感器分类??.. ..几种常见的位移传感器.. .线性电位器式位移传感器原理. 系统硬件设计.. .硬件总体设计.底层检测端硬件设计 .. 单片机介绍?. .. 的结构??.. .. 转换模块. ..传感器检测电路设计? ..复位保护电路设计?.. ..电源电路设计 .存储硬件设计.. 卡介绍? .. 与卡连接电路?. .外围硬件设计.原理图和设计.. .本章小结. 系统软件设计.. .软件总体规划.树木直径生长量采集程序的设计??.. .内部读写程序设计?.. . 卡程序设计?.. .本章小结. 系统调试.调试的整体步骤?. .数据采集的调试?. . 卡存储的调试? .本章小结 结论与讨论?. 目录 参考文献..附录部分核心源代码 个人简介..导师简介..致谢?.引言 引言 .研究背景及意义 北京林业大学的冯仲科教授受到精准农业和三维工业测量的启发,萌发了林业精 准监测的想法,在年发表的一篇论文中,他第次提出了“精准林业”概念, 强调“采用现代高科技技术对土地类型进行分析,建立森林生态模拟环境,对树木的 育种、施肥、生长、病虫害防治和火灾事故预防实行监测。同时,以全站仪、个 人数位助理、数码相机对单株木的树干直径、材积、树心坐标、树冠表面积和体积 等因子进行实时、自动、精准、定量监测。”【冯仲科教授认为,精准林业的技术核 心是对森林生长实现精确的计测和监测,研究森林生长的空间结构性和空间差异性, 采取优化的森林空间结构调整理论和方法,消除和减少这些差异,从而实现森林的健 康和可持续经营。 年北京市精准林业示范基地建设启动,填补了我国精准林业领域的空白。 国家计划批准了精准林业课立项,标志着对精准林业的研究由零散、个别的研 究进入了系统集成与平台建立阶段。专家预言,随着一些经济较发达地区精 准林业示 范基地的建立,我国的精准林业将由实验转向生产,由技术形成产业【?。 生长量就是指一定间隔期内树木各种调查因子所发生的变化的量,它可以作为评 定立地条件好坏以及经营措施效果的指标羽。通过树木的生长量可以研究立地条件、 旋肥、修枝、病虫害等对树木生长的影响,正确地分析研究并掌握林木的生长规律, 采用相应的经营管理措施,从而找出树木最适合的抚育方法】。可以改善树木的生 长状况,提高生长量,从而达到速生、优质、高产的目的。所以,对树木的生长量, 尤其是对直径的生长量进行测量对于指导林业生产和科学研究具有十分重要的意义。 但是,目前常规森林测量工具,如皮尺、光学罗盘仪、测高器和围尺等,最大的缺点 是在测量过程中不能自动记录,显然难以满足精准林业的要求。 近年来, 国内外在测量仪器的研究方面取得了较大进展。超声波、激光等高新 技术都应用在了对数据的测量和处理这些具有较高自动性的测量仪器上。但是将这些 高科技技术应用在树木直径的测量仪器上, 目前国内尚处于研究的初期阶 段。由于 国外进口产品的价格较高,售后服务跟不上,在我国森林资源调查中不具有较好的经 济性。针对目前国内在进行单株树径测量作业时使用工具简单、自动化水平不高等情 况, 开发出一种科技含量高、造价低、操作简单、携带方便的单株树木直径测量仪 器尤为必要。 本文设计了一种基于单片机的直径生长记录仪,该仪器操作方便、 低功耗、低成本,能长期连续测量树木直径生长量,且具有数据自动测量、自动存储、 自动识别卡、自动写入卡的功能。基于直线位移传感器的测树仪设计 本研究不仅满足了精准林业的要求,而且还节省了大量的资源,在森林监测方面 具有十分重大的意义。设计的直径生长记录仪能够对森林资源进行实时实地的精准的 测量,观察出森林的具体生长变化状况,为中国森林资源的经营管理和林业可持续发 展提供重要的科学依据。 .国内外测树仪器研究现状 一 测树仪器是指对林木或林分的某一特征或多个特征进行度量的仪器或工具, 广泛 用于林业、生态学研究和森林资源清查。传统的测树仪器结构比较简单,主要靠手工 操作,如卷尺、围尺、测高器、角规等。随着森林资源管理水平的提高和森林资源清 查的工作量急剧增加,这些工具已经不能满足应用的需求。近年来,测树仪器的研究 有了较大发展。 林业上测定水平距或斜距常用工具有皮尺和测绳等。为满足精准林业的需要,超 声波、激光、红外线测距仪先后问世,激光、超声波测距仪种类繁多,主要有加拿大 激光测距望远镜/激光测距仪乇/?怔激光测距仪、美国 超声波测距仪激光指示型、日本激光测距仪、英柏斯 无棱镜激光测距仪、系列手持式激光测距仪、长距离高精度激光测 距仪等,但是这些先进的测量仪器都不是基于森林环境研制的,所以在阴暗复杂的森 林环境中的适宜性差,难以推广。全站型电子速测仪简称全站仪可以进行距离斜距、 水平距测量和数据处理,在森林测量中发挥了重要作用。 树高一般用测高器测定。测高器是一种测定树木全高、冠长、枝下 高和一定粗度处的干高或商品材高的测树工具。目前测量树高的仪器是以离 树木的既 定距离测量指定点的仰角的原理为基础设计的,多数测高器需用皮尺或光学视距装置 测出水平距离【】。常见的测高器主要有布鲁莱斯测高器、圆筒测高器、克里斯屯测高 器、阿布尼水准器、桑托测斜器与.型桑托测高器、.型测高器、. 型任意点测高仪、.型直读式测高器,但其测高原理主要有相似三角形和三角 函数种,原理相对简单,并且测量精度不高。 用于测量树干与木材直径的工具种类很多且结构差别大。在春秋战国时代,人们 就采用“拱把”和“围的办法测量树木粗度。多年前中国发明了用黑色油漆刻 划的篾直径卷尺竹篾尺。目前常用的测径工具主要有轮尺、直径卷尺围尺和检径 尺钩尺等。轮尺是应用最广的一种测径工具,它不仅可以测定单株立木的直径,还 可作为森林调查中测定大量立木直径的工具,但其两根臂的长度必须比尺身最大刻度 的长度的一半略长,这样才能测定与尺身最大刻度等粗的树木直径。轮尺有许多变形 和改进,如两臂可以折叠,只保留固定臂或把固定臂改为弧形臂而去掉滑动臂,甚至 只有特殊尺身而无一臂等。吉林省林科院赵彤堂发明了测径靠尺,这种测径靠尺不用 围、不用卡,通过三点靠至树干便可测量出树径大小?。自动记录直径的自记轮尺有, ,. ~舞 疹 黪 潜 龟 肇 姆 曩 嘲 引言 效的改进了测径工具,其中以能使测量胸径分类计数结果直接输入电子计算机的最为 先进。直径卷尺的原理是通过测量树干的圆周长,换算成直径。围尺比轮尺携带方便 且测量值比较稳定。使用时,围尺要拉紧并与树干保持垂直,但用围尺量测的树干直 径换算的断面积,一般稍偏大。检径尺是用来测定堆积原木小头直径的工具。角规 以水平点抽样或水平线抽样估计株数,也可分别获得几何平均直径与算术平均直径的 估计值【。年关强等采用条码阅读器设计了一种光电式直径测量仪,能自动读取、 保存直径信息【】。年鄢前飞根据自动分臂三切点法,设计了一种数字测径仪, 解决了森林直径计测中数字式读数、非触式测量、大树测量等问题【。 传统测树仪器或工具的用途大多比较单一,如测距、测高、测径等。近年来, 具有多用途的综合测树仪的研制取得了较大的进展。目前国内外已经设计和生产了部 分多功能测树仪器,其共同特点是一机多能,使用方便,能测定树高、立木任意部位 直径、水平距离、坡度和林木每公顷胸高断面积总和等项或项以上因子,在林业 生产和科研教学工作中发挥了重要作用。常见的有型和.型林分速测镜、 型光学测树仪、.型光学测树仪、型望远测树仪、电子角规测树 仪、巴尔斯.特劳测树仪型、.型光学测树仪、型罗盘仪、. 无标尺森林罗盘仪、数字式测高测距仪等【】。林分速测镜是综合性的袖珍光学测树仪, 是奥地利林学家毕特利希首创,我国华网坤等于年仿造设计投产,定名为. 型,仪器主要功能有水平距离测定、树高测定、立木上部直径的测定【】。年 辽宁铁岭地区林科所张绍良等在林分速测镜的基础上研制出林分望远速测镜 .型望远测树镜,由长春第四光学仪器厂仿制生产,它与国外先进的“雷拉远距离 测树仪的原理、性能、精度及使用方法基本相同,尚能够测定树干上部直径、每公 顷胸高断面积、树高、水平距离、坡度等多项因子【。年北京林业大学冯仲科等 研制出电子角规测树仪【 。电子角规测树仪是由光学角规与数码相机结合而成的,通 过角规测树软件可以实现量测、判断、计算全面自动化,使得内外业同步完成,这样 不仅大大提高工作效率,还降低劳动强度,特别是无需测定林分的平均高便可获得林 分蓄积,克服了林内树冠重叠,通视较差的困难,提高了角规测树的实用性【临”】。 森林测树仪器不仅包括测距、测高、测径等常用仪器,还有测断面积、年龄等仪 器,这些方面都有相关仪器问世,如生长锥、速测镜、光学测树仪等,但由于 种种原因推广应用不佳。 世纪年代后,虽然国内外测树技术突飞猛进,新产品不断涌现,但是实践 证明仍然无法胜任在复杂的森林环境下测量。目前国内外在单株立木直径测量时,仍 以围尺或轮尺等需要手动操作、人工读取记录测量数据的树径测量工具为主, 数据采 集仪器比较陈旧、效率低下、费用昂贵,严重妨碍了森林资源调查工作的进度,加之 调查准确度要求日益提高,因此,迫切需要先进的测树仪器来适应当前森林资源信息 采集技术的发展。基于直线位移传感器的测树仪设计 .本文的主要内容 本文基于直线位移传感器,设计出了具备生长量数据的自动采集、自动存储、自 动识别卡、自动写入卡的功能的测树系统,具有较高的实际意义和应用价值。 处理器选择系统的型号,控制树木生长量的采集、处理、存储和传输。 在硬件的设计和软件的设计的两个方面进行了深入的研究,解决了测量过程中手动操 作、不能自动记录、不能自动读取的缺点。 论文的各个章节安排如下: 第一章,引言部分,介绍论文研究的背景和意义,国内外测树仪器的研究现状和 存在的问题,及其选取课题的意义。 第二章,主要介绍了传感器技术的国内外现状以及发展趋势,并对直线位移传感 器做了简要介绍,并有针对性的介绍了电位器式直线位移传感器。 第三章,系统的硬件设计部分,提出了和卡的数据采集系统的 硬件设计整体和各个模块的工作原理,并对几个重要的外围模块做了比较详尽的 介绍。 第四章,系统软件的设计,包括下位机数据采集程序的编写,/转换程序的编 写,存储程序的编写,卡检测读写程序的编写,并给出了程序的设计流程 图和程序的源代码。 第五章,直径生长记录仪的调试主要介绍调试中应该注意的事项和调试过程中所 出现的问题及其解决的方法。 第六章,总结了基于直线位移传感器的直径生长记录仪的设计方案,指出了记录 仪器中存在的不足和有待改进的地方。直线位移传感器 直线位移传感器 .传感器技术现状 世纪是信息电子化的时代,随着人类探知领域和空间的拓展,使得人们需要 获得的电子信息种类日益增加,这就需要更高的数据采集技术??传感器技术。传感 技术是综合技术,它综合了物理、化学、生物、材料、电子和微电子、实验测量、 许 微细加工和精密机械等方面的知识和技术。传感器技术是现代科技的前沿技术, 多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的位置, 称之为信息 技术的三大支柱之一,它将是世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。 目前敏感元器件与传感器在工业部门的应用普及率已被国际社会作为衡量一个国家 数字化、智能化、网络化的重要标志拇】。因此, 传感器技术作为一种与现代科学 密切相关的新兴学科正得到空前迅速的发展, 并且在更多领域被广泛的利用。 在国外,传感器技术已经是各发达国家发展高科技技术的关键。从世纪 年代起日本就将传感器技术列为应优先发展的十大技术之首,美国等西方国家也将此 技术列为国家国防技术和科学技术发展的重点【捌。上世纪年代末,我国也将传感 器技术列入国家高新技术发展的重点,近些年来的投入不仅使我国在此方面得到飞速 的发展,同时带动了测试与控制等多学科领域的发展,缩小了我国与发达国家在此方 面的差距,并为我国跟上世界现代技术发展的大潮,进入信息化时代提供了必要的基 础。随着现代科学技术的高速发展,人们生活水平的迅速提高,传感器技术越 来越受 到普遍的重视,它的应用已渗透到国民经济的各个领域。目前传感器技术在工业生产 过程的测量与控制方面、现代医学领域、智能汽车制造、环境监测、家用电器、基础 学科研究、智能建筑领域等方面都有很重要的应用。例如家用电冰箱就是由温控器来 控制压缩机的开关而达到温度控制的目的。 传感器技术涉及传感器机理研究与分析,设计与研制、性能评估与应用等,是一 门多学科交叉的现代科学技术。随着生产自动化程度的不断提高,人们的生活水平的 不断提高,对传感器的需求也不断增加。科学技术的发展和市场的需求共同决定了现 代传感器技术的发展趋势。 向高精度发展 随着自动化生产程度的不断提高,对传感器的要求也在不断提高,必须研制出具 有高精度、高灵敏度、响应速度快、互动性好的传感器以确保自动化系统的可靠性。 目前能生产精度优于万分之一的传感器厂家为数不多,其产量也远远不能满足需求。 向微型化发展 自动化设备的功能越来越强大,要求传感器本身的体积也越小越好,这就要求展 新的材料和加工技术。目前,利用硅材料、石英晶体材料和陶瓷材料,使用光刻、沉基于直线位移传感器的测树仪设计 淀、腐蚀、键合和封装等工艺以及各种微细加工技术制成的微结构传感器,其体积非 常小,动态特性好,可靠性与互换性都较好。 向微功耗及无源化发展 传感器多为非电量向电量的转化,工作时离不开电源,在野外现场或者远离电网 的地方,往往需要电池供电或者使用太阳能供电。研制微功耗的传感器和无源的传感 器是必然的发展方向,这样既可以节省能源,又可以提高系统寿命。 向多传感器融合与智能化发展 从世纪年代初,多传感器的集成与融合技术就已经成为智能机器与系统领 域的一个重要研究方向。以军事领域的研究为开端,多种传感器的集成与融合技术迅 速扩展到军事和非军事的各个应用领域,如遥感、机器人、自动目标识别、自主车辆 导航、生产过程监控、医疗领域等。 向高可靠性发展 传感器的可靠性非常重要,它直接影响到自动化系统的工作性能。研制高可靠性、 宽温度范围的传感器是永恒的主题。提高温度使用范围历来是传感器的工作重点,大 部分传感器的工作温度都在一~。之间,军用系统中要求基本的工作温度在.~ ?之间,一些特殊场合对传感器的工作温度要求更高。因此,发展新兴材料如陶瓷 的传感器尤为重要。 向传感器网络技术发展 无线传感器网络是由大量无处不在的、有无线通信与计算能力的微小传感器节点 构成的自组织分布式网络系统,能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统。它是 涉及微传感器与微机械、自动控制、人工智能、通讯等多学科的综合技术,大量传感 器通过网络构成分布式、智能化信息处理系统,以协同的方式工作,能够从多种视角, 以多种感知模式对事件、现象和环境进行观察和分析,获得丰富的、高分辨率的信息, 极大地增加了传感器的探测能力,是近几年新的发展方向。随着传感器技术、通讯技 术和嵌入式计算技术的飞速发展和日益成熟,无线传感器网络更是得到了快 速发展, 引起人们极大关注。由于传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下 获取大量详实和可靠地信息,因此,这种网络系统可以被广泛的应用于国防军事、国 家安全、交通管理、环境监测、医疗卫生、制造业以及反恐抗灾等领域【】。 .位移传感器简介 ..位移传感器分类 位移传感器就是把机械位移量转换成可以计量、记录或传送的电信号的传感器, 又称为线性传感器。位移传感器在位置、位移、速度等的测量中具有广泛的应用,如 测量运动距离,连续感应位置或相对位置,指示程度,用于记录位移相对时间、圆周 速度、随机/周期事件的数量等诸多领域。? ;麟麟?黪誉篱瓤 .:纛瓣骥娥簿囊 直线位移传感器 按照测量原理,位移传感器可以分为电感式位移传感器、电容式位移传感器、光 电式位移传感器、超声波式位移传感器、霍尔式位移传感器等。若按照输出型式划分, 可以分为数字式和模拟式传感器两大类。 ..几种常见的位移传感器 位移传感器的发展经历了经典位移传感器和半导体位移传感器两个阶段。世 纪年代以前,人们以经典电磁学和物理定律为工作原理研制了经典位移传感器, 例如电阻式、电感式、电容式位移传感器等。经过多年发展,位移检测技术已经相当 成熟,多种位移传感器相继出现在人们的视野里。目前人们常用的位移传感器有电容 式、电感式、磁敏式、光电式、超声波、电阻式等。 电容式位移传感器 电容式位移传感器是根据被测物体的位移变换转换为电容器电容变化的一种传 感器,一般用于高频振动微小位移的测量。因为其具有功率小、阻抗高、动态特性好、 可进行非接触测量等优点,所以应用比较广泛。但是也有一些缺点,为克服寄生电容 的影响,降低内阻抗,必须要求对传感器及输出导线采取屏蔽措施和采用较高的电源 频率。电容式位移传感器根据工作原理可分为变间隙式、变面积式和变介电系数时三 种,按极板的形状不同,可分为平板形和圆柱形两种。一般我们较多使用变间 隙式电 容式位移传感器和变面积电容式位移传感器。 电感式位移传感器 电感式位移传感器是把被测位移量转换为线圈的自感或互感的变化,然后输出的 电感变化量经电桥及放大电路得到电压、电流或频率变化的电信号,从而实现位移测 量。具有结构简单可靠、灵敏度高、分辨率大、输出功率大、测量范围宽等优点,能 测出.?甚至更小的线性位移变化,精度与电容式位移传感器差不多,但是由于灵 敏度、线性度和测量范围相互制约,它的频率响应较低,不宜用于高频动态测量。 电感式位移传感器种类繁多,常用的有变问隙式、变面积式和螺管型三种,一般 都包含线圈、铁心和活动衔铁三部分。如果将两只完全相同的单个线圈的电感传感器 合用一个活动衔铁,即按差动方式联结起来,便构成了差动式电感传感器,它在目前 实际应用中应用比较广泛。 电涡流位移传感器 电涡流位移传感器是利用电涡流效应,将位移量转换为阻抗的变化,是一种 非接 触的线性化传感器,主要用于机械运动中旋转或其他旋转体的位移和振动的测量。线 圈是它的敏感元件,其工作原理是通过一个高频信号源产生高频电压,将这个高频电 压施加在电涡流传感器探头内的电感线圈上,这样电感线圈就会产生高频磁场,如果 在这个交变的高频磁场范围内有被测导体存在,当被测导体靠近这一磁场,则在此导 体表面产生感应电流,与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交 变磁场,由于其反作用,使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变线圈的有效阻基于直线位移传感器的测树仪设计 抗,这一变化与导体磁导率、电导率、电流频率、线圈的几何形状和几何尺寸以及 头部线圈到导体表面的距离等参数有关【】。如果想要对表面为金属导体的物体进行多 种物理量的非接触测量,只要改变上述参数中一个就可以了。这种传感器与其他传感 器相比,具有结构简单、灵敏度高、频率响应宽、响应速度快、抗干扰能力强、不受 油污等介质的影响、体积小等的优点。除测位移外,电涡流位移传感器还可 用于测量 物体表面光洁度、测量厚度尺寸、无损探伤等。目前已经得到了广泛应用,尤其在大 型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中,是一种很有发展前途的传感器。 磁敏式位移传感器 磁敏式位移传感器有种:霍尔、磁栅式、磁致伸缩扭转波和感应同步器。霍尔 位移传感器最为常见。 霍尔位移传感器是基于霍尔效应将被测位移量转换成电动势输出的一种传感器, 霍尔片是它的敏感元件,一般是锗材料。霍尔位移传感器主要由两个半环形磁钢组成 的梯度磁场和位于磁场中心的半导体霍尔片构成。此外,还包括测量电路及显示部分。 假如保持控制电流恒定,而使霍尔元件在一个均匀的梯度磁场中沿方向移动,则输 出的霍尔电动势为觑,其中代表位移传感器的灵敏度。磁场梯度越大,灵敏 度越高;梯度越均匀,霍尔电势与位移的线性关系越好。这种传感器可用来测量 ?.的小位移,特别适用于微位移、机械振动等测量。 光电式位移传感器 光电式位移传感器主要有光纤位移传感器、光栅式位移传感器和激光位移传 感器 种。目前应用较多的是激光位移传感器。 激光位移传感器是年代发展起来的一种新技术,是一种非接触式的精密激光 测量装置。它是根据激光三角原理设计和制造的。首先由半导体激光机发出一定波长 的激光光束,经过发射光学系统后会聚在被测物体表面,形成漫反射,然后该漫反射 像经过光学系统后成像在上,并被转换成电信号。当被测面相对传感器移动时, 在光敏面上的成像也必将跟着移动,这样就输出不同的电信号。由于激光在单 色性、光强等方面的巨大优越性,大幅度的提高了测量的灵敏度和精度,并使整个测 量系统的稳定性得以加强,适用于检测各种回转体、箱体零件的尺寸和形位误差。如 果结合快速的反馈跟踪系统,将能够准确快速地测出物体表面的形状和轮廓。但由于 成本比较高,前主要应用在对灵敏度和精度要求比较高的非接触测量与校准领域, 我国对激光传感器的研究尚处于实验阶段。 超声波位移传感器 超声波位移传感器是利用超声波在两种介质分界面上的反射特性而制作的。 按封 装方式的不同可分为敞开型和密封性两大类。敞开型超声波传感器由压电晶片组成, 既可以发送超声波,也可以接收超声波。其发送部件和接收部件的内部结构如图.。.,;粼豁黪辚瓣。 ,鬻一粥孥雾鬻骖鸯 直线位移传感器 ????????????????????????????????????????一 在发送部件上装有锥形共振盘,可提高发射效率;在接受部件上装有匹配器,可以用 来提高接收效率【矧。 羧数豁镎 《黧发落辫撵 《 图.超声波传感器的发送部件和接收部件 . 当有的脉冲电信号从它的两引脚输入时,激励换能器会将其转换成机械 振动能,其频率约在以上,由此形成超声波,该超声波信号经锥形“辐射口” 向外部空间发射出去。当发射出去的信号遇到障碍物时,将立即被反射回来。接收机 接收到反射回来的超声波信号,通过内部转换,将超声波变成微弱的电震荡,并将信 号放大,这样就得到所需要的控制信号。该传感器操作简单,价格低廉,在恶 劣环境 下也能保持较高的精度,安装和维护方便,但易受温度的影响。 电阻式位移传感器 电阻式位移传感器是把被测位移量转换为电阻变化,通过测量电阻值变化达到测 量目的的一种传感器,常用的有电位器式和电阻应变式两种。 电阻应变式位移传感器是以电阻应变片作为转换元件,主要是依据导体或半导体 材料在外力作用下产生机械变形,使得其阻值发生变化。其中以悬梁臂.弹簧组合式 位移传感器较常见。它由悬臂梁和弹簧串联作为弹性元件,在矩形界面悬臂梁根部正 反两面贴片应变片,组成全桥电路,拉伸弹簧一端与测量杆连接,当测量杆随试件 产生位移时,带动弹簧,使悬臂梁根部产生弯曲,由梁弯曲所产生的应变与测量杆的 位移成线性关系【】。应变式传感器主要用于测量工程试验中的静态直线位移以及跟位 移有关的物理量,具有线性好、分辨率较高、结构简单和使用方便等优点,还可以实 现电气远距离测量和自动化测量,但是位移测量范围较小,在.,.之间, 线性度为.%~.%,测量精度小于%。 位移检测系统的好坏往往影响着整个系统的性能,虽然位移检测在不同情况下检基于直线位移传感器的测树仪设计 测要求侧重点有所不同,但其基本要求都希望快速、准确、可靠而又经济地实现位移 测量。每种位移传感器在结构、分辨率、精度、灵敏度、测量范围、抗干扰能力等方 面都有其特点表.。但是面对众多的位移检测传感器,人们通常难以决定选用哪 种,这就要求我们能够掌握各种位移传感器的原理、应用及其优缺点, 在综合考虑 各方面因素后再选择最合适的传感器。 表.各类传感器工作性能比较表 . .线性电位器式位移传感器原理 在仪器仪表、传感器中,电位器是一种将机械位移转换为电阻阻值变化的变换元 件。其基本结构非常简单,它主要包括电阻元件和电刷滑动触点。电阻元件通常 由极细的绝缘导体按照一定规律整齐地绕在一个绝缘骨架上形成。在它与电刷接触的 部分,去掉绝缘导体表面的绝缘层并抛光,形成一个电刷可在其上滑动的光滑而平整 的接触道。电刷通常由具有一定弹性的耐磨金属薄片或金属丝制成,接触端处弯曲成 弧形。要求电刷与电阻元件之间保持一定的接触压力,使接触端在电阻元件上滑动时 始终可靠地接触,良好的导电。电阻元件除了由极细的绝缘导体绕;,还可以采用 具有较高电阻率的薄膜制成。电位器主要有结构简单,参数设计灵活,输出特性稳定 的优点。可以实现线性和较为复杂的特性,受环境因素影响小,输出信号强,一般不 ‖’‘。拳一鼍蔓簪二:争墨簿 ’ 。? .一 ‰ 、鞠蚵够塞舔鹣硅’ 直线位移传感器 需要放大就可以直接输出,且成本低,测量范围爿矧。 电位器式位移传感器按结构形式可分为直线位移型、角位移型;按特性不同可分 为线性和非线性;按工艺特点可分为线绕式和非线绕式。绕线电位器式位移传感器一 般由电阻系数很高并且极细的绝缘电阻丝烧制在绝缘骨架上,由电刷引出与滑动点电 阻对应的输入变化。当被测轴运动时,带动电刷移动,输出与位移成正比的电阻或电 压的变化。线绕电位器虽然具有结构简单,使用方便等优点,但也存在摩擦和磨损, 有分辨率低、阶梯误差、寿命短等缺点,正逐渐被非线绕式电位器位移传感器所替代。 非线绕式电位器位移传感器是在绝缘基座上制成各种薄膜元件,目前常用的有合成膜 式电位器、金属膜式电位器、导电塑料电位器和导电玻璃釉电位器等。与线绕式电位 器相比,具有更高的分辨率,并且耐磨、寿命长、易校准。 本研究采用型直线位移传感器,它是一种非线绕电位器式传感器,它也是 一种线性电位器式传感器,其电阻是在绝缘骨架表面喷涂一层均匀的电阻液,经烘干 聚合后而制成的。电阻液有石墨、碳墨、树脂材料配制而成。这种传感器电路两端之 间的空间主要采用密封胶固定结构,这样就能把器件密封起来以免受潮或灰尘进入等 环境因素的影响。这种传感器具有分辨率高、耐磨性较好、工艺简单、成本较低、线 性度较好等优点。线性电位器式位移传感器的特性稳定,制造精度容易保证, 其精 度可以达到级,完全能够满足我们测树精度的要求。其结构相当简单,结构图 如 下: 一 一 一 一 一 州 纛 鞲 ? ;; 、《 ~ 二蘧 ; ~。 鸹斡幸?× 罐 一;潆二 舔一 ~瓤 豢麓法 尹口‰. ; 嚏× ,;,?一囊 篡繇一鼯一 ,?纵 一纛一麓 露溅 一缓毒?哪 警搽耩’ 瓣一鑫鬈 《 图. 型直线位移传感器结构图 . 其原理相当简单,类似于滑动变阻器,图为原理图。如果把它作为变阻器使 用, 假定全长为的电位器总电阻为缸,电阻沿长度均匀分布,当滑臂由向移 动后,点到电刷间的阻值为: . 亡尺一 若把它当做分压器使用,假定加在电位器,之间的电压为缸,则空载输出 ;叫一。?黪基于直线位移传感器的测树仪设计 电压为: . 。。 电位器的输出端不接负载或负载为无穷大时的输出电压为空载输出电压,由式 .可以看出,线性电位器的理想空载特性具有严格的线性关系【韧。 图.线性电位器式传感器的原理图 一电阻丝;一骨架;一滑臂 . ;;系统硬件设计 系统硬件设计 .硬件总体设计 系统总体目标是基于直线位移传感器与单片机,设计和开发自动存储不同时间点 上树木直径信息,并能智能化导出的测树仪器。功能要求主要有通过传感器定 期读取直径生长数据,与时间等信息一起保存在记录仪中;读取和记录数据的时 间间隔在日、周、月之间可调;通过插入卡,自动获取记录仪中的数据。其 他要求与限制包括电池供电、连续工作时间个月以上。 该直径生长记录仪总体上包括以下几个部分::主控制部分、电源电路、直径信 号接收放大电路、卡存储电路以及时钟电路等。直径信号接收放大电路主要是接 收模拟信号,/转换使用单片机内部的/,配合一定精度的传感器,可以满足测 量精度要求;传感器应用的是型直线位移传感器,精度可达到.,独立线 性度.%;板上平时采用.的干电池充电,简化了电路;板上有实时时钟,提 供时间信息和周期性的中断信号;本研究采用单片机内部存储生长量数据, 经过一定时间后,可通过卡将数据读取。设计方案的系统框架图如图.所示。 图.系统框架图 .由于是进行数据的长期测量,该仪器在使用时要体现低功耗的特点,所以选用的 控制器必须是低功耗单片机,在不使用时其耗电要极低,并且能关断其他模块电源。 在所有低功耗单片机里,系列的单片机表现出色,它已有十多年历史,技术 成熟。它提供种休眠模式,每种休眠模式可以关断不同外围模块,耗电都很低,并 且在休眠时可以中断唤醒,唤醒时间极短,小于。这里采用单片机 作为控制芯片,它有丰富的内外部资源,其内部具有 的存储器, 由于树木生长缓慢,没有必要实时采集数据,因此完全能够满足树木生长量数据存储 的需求。 将传感器固定于树干的胸径处,利用直线位移传感器将树木直径信号转换为 电阻基于直线位移传感器的测树仪设计 信号输出,由内部集成的转换器完成直径的生长量测量、计算, 并将日期和所测数据保存到内部中。 经过长时间的数据记录 后,只要插入卡,系统便自动识别并自动读取数据到卡。 .底层检测端硬件设计 .. 单片机介绍 芯片是公司在年推出的混合型号的单片机。已经经历了个系 列,随着市场和科技的发展,还会有更新的系列呈现在大家面前。虽然系列 推出的时间不长,但是由于在各个方面卓越的性能表现,在短短的时间里发 展迅速, 已成为许多工程师在做设计时的首选。 单片机主要有以下几个特点: 超低功耗 ~. 单片机在. 的电压下工作,数据在需要保存的情况下 耗电只需要.肛。对处理器而言,活动模式时的功耗也是需要考察的,片面的 注重 性能却忽略了功耗是不合理的。的每百万条指令每秒用电也只是吮,相 对于传统的系列的每百万指令每秒?的功耗,这个功耗己经很低了 【捌。作为一个系统的功耗,除了处理器的功耗,端口的漏电流也是需要考虑 的。相对 于其他系列的单片机?毗的功耗,系列单片机输入输出口的漏电流最大 仅为,还是具有明显优势的。 系列的单片机具有独特的时钟设计。它有两个时钟系统:基本时钟系统和 锁频环时钟系统或者数字振荡器时钟系统。这些时钟系统都可以软件控制, 可 以根据功能的需要通过软件命令控制其启动或者关闭,从而实现了对系统功 耗的一个 优化控制,并且系列的单片机还具有不同功耗的工作模式。具有活动模式 模式和个低功耗的模式~模式。总体而言,系列的单片 机可以堪称目前世界上功耗最低的单片机。在基于设计的系统应用一枚电池 的情况下,甚至可以正常工作年。 强大的处理能力 系列的单片机具有位的处理器,采用精简指令集,结构,相对 于系列执行一条指令需要个时钟周期,系列的单片机可以在一个时钟 周期中,执行一条指令。当其工作在的竞争频率的情况下,相对位处理器处理 速度要高远不止两倍。同时,系列的单片机中的一些系列,采用的是 采用的位的硬件乘法器、等体系结构,大大增强了对数据的处理能力,这都 是其他型号的单片机无法比拟的。 高性能模拟技术及其丰富的外围模块 在模拟技术方面,具有处在世界的领先地位。根据型号的不同,可以组合具 尊黪黪攀羚一谚燕赣瓣肇 毒 ?‘礴 》?删搿毛身?晦? 系统硬件设计 有多种功能的模块,这些模块包括:看门狗,位的定时器,模拟比较器,串口, 液晶驱动器,,,总线,,口,基本定时器。其中在程序失效 时,看门狗可以迅速的复位保证系统的正常运行;配合定时器等器件,可以设 计出高 精度的转换器驱动;模块可以驱动液晶达到段;硬件的串行总线可以 扩展接口器件;可以降低的负担,起到提高数据传输速率的作用。 丰富的外设是非常突出的,为工程师解决各种问题提供了方便的选择【。 系统稳定性高 当上电复位的时候,如果晶振因各方面的原因出现损坏而失去作用时,则 会自动启动,为系统提供工作时钟频率,‘以保证工作在正常模式情况下。这 种工作模 式,其他系列的单片机是绝无仅有的。同时的工作温度为.~摄氏度, 运行稳定可靠性高,这使其能够应用在各种工业场合。 开发环境方便 在系列单片机中有型、型、型和型四种。国 内被广泛使用的是型。因其具有接口,在可擦写的存储器的配合下, 开发调试十分的方便。工程师可以通过下载线下载到中,之后通过 控制程序的运行,读取的状态,这些都可以再一个软件的集成环境下进行,开 发语言支持语言和汇编语言。开发工具一般使用公司的 。近年来,,针对某些特殊领域推出了专用单片机,用于水表、气表、热 表以及用于人体医学仪器领域。同时根据市场需要,耵将开发出更加适合手 持式设 备、智能传感器的处理器芯片例。 .. 的结构 本研究应用的是系列的型号,其为位结构,外设和内存 统一编址,寻址范围可达,还可以外扩展存储器,具有统一的中断管理,丰富 的 外围模块。其内部结构图如图.。从图中可以看出其片内有精密硬件乘法器、 通 道位/转换器、两个位定时器、片内电压比较器、一个内部振荡器、 ~. 两个外部时钟、通信接口和通信接口等资源。其工作电压范围小,为. , ,等待方式的工作电流是.. ,关闭方式的工作电流更低至. 。它有 正常工作下的电流消耗也很低,最大为 的内部和 。这些资源使它无论在工业领域还是在研究领域都具有相当广泛的应用 【】。 盖供 赫 孵 图. 内部结构图【 .】 、. ., 、 .湖? / ./ 潲 .鹅嬲 副 ., ./ .玎 .留粥 .册 .,丁 .玎 玎 ? .搿 .丹 .,? .狂 .不 , 捌: .扎了 .嚣 ./ 图. 的引脚排列【 . 】 由的引 脚排列图图.可以看 出,单片机一共 有个引脚,共有个位/ ,?口,口和 使用个控制寄存器, 系统硬件设计 而,,和 只用其中个控制寄存器,最大限度提供了输入/输出的灵活 性: 所有单独的/口都能够单独编程; 允许任意组合输入、输出和中断条件: 和口的所有个位全部可以做外中断处理; 可以使用所有指令和所有寄存器进行读写。 有三种时钟:主时钟,活动,子系统。是专门为 运行提供的时钟。配置的越高,执行速度就越快。但大部分应用中只有 少数时间需要运算。因此在超低功耗系统中都通过间歇开启的方式来降低 功耗。一般是由.晶体直接产生的低频时钟,在单片机运行过程中一 般不关闭,用于产生节拍时基,或和定时器配合间歇唤醒。也称辅助时钟, 是为需要高速工作的设备提供时钟源,并且是独立于的。、和 分别对应单片机的.、.和。 。单片机其它常用引脚及功能如下表所示: 表. 单片机常用引脚介绍 ... 转换模块 单片机本身集成了位的/模块,这样就可以不用外接 转换模块,直接实现对模拟量的测量。通过图.可以看出,主要由部分 组成: 内核 能够把转换得到的结果放在转换结果寄存器中。该内核可以使用软件设 基于直线位移传感器的测树仪设计 定参考电压,有两个电压可以选择,以此来定义转换的最大值和最小值。当输入的电 压高于设定的时,输出,当输入电压小于等于的时候, 输出。当满足输入时,输出遵循以下转换: 木?一/. 在高速的转换模式中,可能出现在还没有转换完当前结果,而采样值已 经改变的的情况。所以为了保证转换的准确性,还具有采样保持的功能,当 采集的信号变化较快时,通过保持,也能工作在正常的状态。同时内 核在转换信号来到时开始转换,在没有模拟信号需要处理的情况下,可以用软件关闭 内核。 内部参考电压发生器 所有的模式转换都需要一个基准信号,内部参考电压发生器负责提供这个电压来 作为电压基准,它可以选择内部基准,也可以选择外部基准。内置了电压基 准的参考电压。可以通过软件编程的方式来选择种参考电压。在参考电压的选择上, 使用十分的灵活,其中控制位控制参考电压的关闭与否,这样也在 一定程度上起到了节能的作用;通过控制位 来选择内部参考电压。 转换及其采样的时序控制电路 采样和转换过程中的各种控制信号都有这部分产生。这些信号包括:采样触发源 控制、采样周期控制、采样及转换信号、转换时钟、 内核时钟源选择、分频系数等。在时序控制电路的有序控制 下,才能够协调工作。 模拟多路器 因为只有一个转换内核,为了多路的模拟信号进行采样后能正常的进行转 换,需要分时的接通模拟信号,达到每次只有一路信号接通的目的,这些都是由模拟 多路器来完成的。的共有路的输入通道,其中路通道是外部的 通道路的通道是内部的通道,这样可以使用路的外部通道来对外部模拟信号进行 转换,而内部通道则可以将内部的电压和片内的温度传感器的输出作为模拟信号源。 同时这些通道也是可以同时测量和控制的。这样就满足了对数据的实时控制和处理的 要求。其中通道连接的温度传感器,在进行转换后可以达到测温的目的。这 样既可以测量芯片的温度,在温度超过芯片的可承受温度后可以告警,在精度要求不 高的情况下,也可以测量室温。 转换结果的缓存寄存器 当在个通道进行模数转换完毕后,就需要将转换结果进行存储,转换 结果会暂时存储到转换结果存储寄存器。转换结果是自动对应到 寄存器中的,作为控制寄存器可以对对应的 寄存器进行控制。系统硬件设计 图. 结构图【 .】 ..传感器检测电路设计 由电位器式直线位移传感器工作原理可知,需要将传感器输出的电阻信号转换为 电压,便于后级电路测量。为简化电路,采用电阻并联分流法测量传感器输出电阻, 电路如图.所示。当树木生长时,传感器将把树木直径的生长量通过电阻的变化转 换为电压信号输入给单片机内部的转换器。 基于直线位移传感器的测树仪设计 图.直线位移传感器测量电路 . ..复位保护电路设计 许多种情况都会影响到单片机的稳定性。一般可以分为内因和外因。内 因一般为复位电路的可靠性和振荡器的稳定性;外因一般为射频干扰和电源内部或者 电源内部产生的干扰。在内部的程序设计时,上电清除和上电复位组成了 系统的复位信号。以下情况影响上电清除和上电复位这两种信号的产生:种 情况来自,种来自单片机的复位管脚,种来自当写键值时出现 的错误信号。 信号会在/引脚接受到外部的低电平信号和当单片机上 电先复位的情况下发生。在以下情况下会发生:信号的产生。看门狗 有效时,程序出错跑飞,看门狗定时器溢出。当看门狗定时器的安全键值发生 了 错误。写存储器时候出现的安全键值错误。和两者还有着紧密 的关系,弄清两者关系能够更好的解决程序设计中出现的问题。当信号的产 生 时会导致系统复位,同时产生信号,而信号的产生不会影响信号的 产生【。 当信号和信号任意一个产生时,都会使单片机从地址 处开始读取复位中断向量,同时程序也将在中断向量所指位置开始执行。触 发信号的条件中,除了产生信号触发信号外,其他的都可以通过读 取相应的中断向量来判断是何种原因引起的。在系统复位后的状态为: 外围模块被初始化,其初始值为相关说明文档上的默认值。 所有管脚初始化为输入方向。 /引脚初始化为复位功能。 状态寄存器自动复位。 看门狗被激活,立即进入工作模式。 程序计数器载入处的地址,微处理器从此地址开始执行程序四。 系统硬件设计 为了使本系统在稳定的状态下运行,本系统设计的复位电路为低电平复位电路: . 图.复位电路. ..电源电路设计 ,. 一般情况下, 单片机所需要的电压为. ,而电源一般都是 或者更高的电压,这就需要层层降压,来满足单片机正常工作所需要的电压。例 如在外部电压是的情况下,就需要用芯片..产生.的电压。设计中 。. 直接用节.干电池供电,这样就能满足单片机. 的工作电压,既满 足了低功耗的需求,还简化了电路。电路中用了两个电容和来进行滤波,使 得输出的电压更加稳定。电路中还加入了来指示电源的开关。电路图如下: 图.电源电路 .由于该系统需要进行长期的数据采集,因此对其功耗有较高的要求。系统整体 耗电极低,实际功耗难以测试,下面按系统中各部件生产厂商提供的数据手册中的参 数进行功耗估算,结果如表.所示,其中各数据都是在 测试条件下的参数典型 基于直线位移传感器的测树仪设计 值。其中,卡只有在人为操作时才处于活动模式,其他时间都处于待机模式, 所 以计算时间时仅使用其待机电流【】。设定系统每 记录一次数据,每次记录数据耗 时 ,且不可能所有器件 实际上远小于 内同时处于活跃或操作状态,则可得 小时耗电为: . .鼽? 以普通干电池 ?容量计,则可以供系统正常工作: /...】】 表.系统功耗分析 .以上估计中,“其他包括其他/口的电流损耗等。“其他电流值根据 已经做了最大估算,所以该系统在 ?电池供电情况下正常待机个月没有 问题。实际测试时设定为每秒记录,系统运行了小时,大于估算的小时,这可 能是由于电池电压跌落导致工作电流变小有关,也符合了“其他”电流值偏 大的设想。 .存储硬件设计 .. 卡介绍 卡 ,是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备,由日本松下、东芝及美国 公司于年月共同开发研制。卡 能够在小体积上实现大容量的、非易失性的、可重写的存储。卡被广泛地