论文总字数：22650字

摘 要

改革开放以来，随着我国经济迅速发展，全国各地兴建了桥梁、大坝、隧道等许多大型土木工程项目。但是随着项目的增多，由于缺乏必要的安全检测系统和报警装置，许多安全事故频繁发生。安全监测系统需要检测工程项目中的众多指标例如：振动、位移、压力、温度以及沉降等，而在众多指标中，压力是一个十分重要的参数，许多工程事故的发生都与工程结构体中的压力变化有着直接联系，例如煤矿顶部、隧道、桥梁所受的压力超过其自身的承受能力，这些工程项目就会直接崩塌。所以对于各类工程项目来说，设计有效的压力检测系统是非常重要的。

本文正是针对压力的测量需求而设计的一款压力检测系统，系统总体可以分为传感器、激振模块、拾振模块、测振模块、电源模块、显示模块、以及微控制单元模块，并由此设计了软硬件内容。其中，硬件电路包含电源模块、单片机最小系统模块、激振信号处理模块、拾振信号处理模块和显示模块，其中拾振信号的处理模块是整个系统的重点，影响到最终测量结果的精度，它可以分为前置放大器、带通滤波器、中间级放大、施密特触发器和光耦隔离。结合设计的硬件电路针对各个模块完成了软件的编写，最终完成了软硬件的联调。

调试结果表明，系统最终能够顺利地使传感器起振、拾振和测振并显示，而且测量精度较高，系统稳定，满足设计需求。

关键词：振弦式传感器，STM32，压力检测，激振

Abstract

Since the reform and opening up, with the rapid development of China's economy, many large-scale civil engineering projects such as bridges, dams and tunnels have been built. However, as the number of projects increases, many safety accidents occur frequently due to the lack of necessary safety detection systems and alarm devices. The safety monitoring system needs to detect many indicators in the project such as vibration, displacement, pressure, temperature and settlement. Among many indicators, pressure is a very important parameter. Many engineering accidents happen in the engineering structure. Pressure changes have a direct connection. For example, the pressure on the top of coal mines, tunnels and bridges exceeds their own capacity, and these projects will directly collapse. Therefore, designing an effective pressure detection system is very important for all types of projects.

This paper is a pressure detection system designed for the pressure measurement needs. The system can be divided into sensors, excitation module, vibration pick-up module, vibration measurement module, power supply module, display module and micro-control unit module. And thus designed the hardware and software content. The hardware circuit includes a power supply module, a minimum single-chip system module, an excitation signal processing module, a pick-up signal processing module and a display module.Combined with the design of the hardware circuit for each module to complete the preparation of the software, and ultimately completed the joint adjustment of hardware and software.

The debugging results show that the system can successfully start, pick up and measure the vibration and display the sensor, and the measurement accuracy is high, the system is stable and meets the design requirements.

KEY WORDS: vibrating wire sensor,STM32,pressure detection,excitation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 压力检测系统的研究意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文所做的工作 2

第二章 压力检测系统总体设计 3

2.1 系统总体方案 3

2.2 传感器 3

2.3 电源模块 5

2.4 激振模块 5

2.4.1 高压拨弦激振 5

2.4.2 低压扫频激振 5

2.5 拾振模块 6

2.6 测振模块 6

2.7 微控制器模块 6

2.8 显示模块 7

2.9 本章小结 7

第三章 系统硬件设计 8

3.1 微控制器选型 8

3.2 微控制单元模块硬件电路设计 8

3.3 激振模块硬件电路设计 9

3.4 拾振模块硬件电路设计 10

3.4.1 前置放大电路设计 11

3.4.2 带通滤波电路设计 12

3.4.3 中间放大电路设计 17

3.4.4 施密特触发器电路设计 19

3.4.5 光耦隔离电路设计 22

3.5 显示模块硬件电路设计 23

3.6 电源模块硬件电路设计 23

3.7 本章小结 24

第四章 系统软件设计 25

4.1 系统软件总体设计 25

4.2 激振模块软件设计 26

4.3 测振模块软件设计 27

4.4 显示模块软件设计 27

4.5 本章小结 28

第五章 结果与分析 29

5.1 仿真结果 30

5.1.1 带通滤波器的仿真 30

5.1.2 放大电路的仿真 31

5.2 结果展示 32

5.2.1 激振信号 32

5.2.2 经过放大后的拾振信号 32

5.2.3 波形转换后的信号 33

5.2.4 显示界面 33

5.3 分析 33

5.4 本章小结 34

总结与展望 35

致 谢 36

参考文献 37

绪论

压力检测系统的研究意义

改革开放以来，我国经济迅速发展，全国各地兴建了桥梁、大坝、隧道等许多大型土木工程项目。但是随着项目的增多，由于缺乏必要的安全检测系统和报警装置，许多安全事故频繁发生。1975年8月河南省石漫滩和板桥两座大型水库垮坝导致数万人丧生；1999年1月,重庆纂江彩虹桥突然整体垮塌夺走了40人的生命，其中包括18名武警战士；2008年11月杭州地铁施工地段发生坍塌造成8人死亡，13人失踪，11辆汽车陷落，生命财产遭到重大损失。^[1]所以，设计有效的安全监测系统是十分有必要的，检测系统对工程项目内部的各项参数指标进行实时检测，在检测出指标超出安全范围时或有要超出安全范围的趋势时便能即使采取应对的安全防范措施，从而避免安全事故的发生。

安全监测系统需要检测的工程项目中的安全指标众多，例如：振动、位移、压力、温度以及沉降等，而在众多的安全指标中，压力是一个十分重要的指标，许多工程事故的发生都与工程结构体中的压力变化有着直接联系，例如煤矿顶部、隧道、桥梁所受的压力超过其自身的承受能力，这些工程项目就会直接崩塌。所以对于各类工程项目来说，设计有效的压力检测系统是非常重要的。一个完整压力检测系统不仅能实现对各个测试点的压力进行实时检测，还能对当前和过去的压力变化进行智能分析，在压力达到危险值或即将要达到危险值时做出报警，以便人们即使采取安全防范措施，避免发生各种安全事故。

国内外研究现状

早在20世纪年代时，人们就开始对压力进行测量，并设计出相应的压力传感器。后来，随着科学技术的不断发展和生产需要，随之产生的压力传感器的种类也越来越多，再加上计算机的兴起与自动控制理论的不断发展，检测系统的自动化程度也不断提高，数字化压力检测系统也随之产生。但是当时的压力检测技术还尚未成熟，存在着诸多的缺点。如：结构简单、体型笨重、响应灵敏度低、精度低，稳定性差，在条件恶劣的环境下难以工作。在计算机和单片机技术还未发展之前，早期的检测系统大多数是以模拟量传递信号的模拟系统，传感器的输出信号经过模拟电路的处理最终得到检测结果，但是用模拟信号作为数据传递容易受到外界干扰，不仅能够传递的距离短，而且很容易造成信号失真，因此此时的检测系统的精度都很低，稳定性也差。后来随着计算机技术和通信技术的发展，信息的传递和处理更多地采用数字量的形式，不仅传输距离得到大大的加强，而且数据的稳定性和可靠性也得到极大的提升。到了80年代，由于集成电路与单片机技术的不断发展，人们开始将单片机应用于检测系统中，使得检测系统有了大脑，因此检测系统不再仅限于对数据进行检测，而是开始具有数据分析与自动报警等各种强大的功能，检测系统也开始进入全新的智能化时代。

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