基于单片机的桥梁荷载力测试实验模型电路设计

王立红

【摘要】目前对桥梁荷载力的测试一般分为静态和动态两种测量方式，本设计通过测量桥梁的承载力，来控制桥梁过往车辆的通行。静态测量，主要是测量在特殊环境下，桥梁承载的最大值。动态测量，对来往车辆的载重力进行实时的监控，并对车辆和行人发出警报信号。桥身承载力部分由压力传感器及A/D转换器组成，加上显示单元，此设备具备了安装简单、性能稳定，价格比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、速度快、测量准确、对桥梁无损害等特点。本系统以STC89C52单片机为主控芯片，外围附以荷载力采集电路、显示电路、报警电路、键盘电路等构成智能荷载力监测系统电路板，从而实现即时对桥梁荷载力监测系统的各种控制。

【关键词】STC89C52；压力传感器；A/D转换器；桥梁荷载力

1.引言

国际上许多国家，在货物公路运输过程中，普遍存在超载现象。超限的车辆会造成道路损坏严重，也造成交通事故频频发生。为了实现对桥梁的实时检测，有必要依靠嵌入式技术发展成果应用到桥梁建造上，来彻底杜绝道路严重损坏及交通事故的频繁发生。设计基于单片机的桥梁荷载力测试实验模型电路，利用安装在桥梁下面的应变传感器测量车辆经过桥面引起的桥梁应变张力，通过积分运算消除车辆振动对计算结果的影响，得到桥梁的荷载值。理论和试验室结果证明该方法可以较准确的进行高速动态超重车辆的检测。由于利用该方法的动态称重测量系统不要进行地面开挖，建造成本较低，具有很强的可移动性，能实现24小时不间断检测，具有很好的实用前景。

2.理论推导

（1）桥梁荷载测试装置的工作原理

当被称物体放置在模拟桥梁上时，其重量便通过桥墩传递到压力传感器，传感器随之产生力-电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系（一般成正比关系）的电信号（电压或电流等）。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数（A/D）器进行转换，数字信号再送到微处器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示。

（2）荷载测量方法

经过实际调查，本设计方案将采用简支梁作为桥梁模型。车辆通过桥面时，简化为间距为Ls的两个点力以速度c匀速通过桥面，F表示前轴，R表示后轴，如图1所示。

此处： 是桥上x点处在t时刻的桥梁位移；ρ是单位桥梁密度；C是粘性衰减系数；E桥梁材料的杨氏系数；I是桥梁横截面的惯性矩；L是桥梁的长度； 代表车辆通过时前后轴对桥面产生的压力；c是车辆通过桥面的速度； 是单位冲激函数。

基于模型假设，动态位移， 可以被描述为：

此处：i是模态数， 是第i模态形状函数； 是第 i 模态的幅值函数。把式（2）代入式（1）：

对方程（3）左右两边都乘以模态形状函数 π，并 在区间[0，L]上对方程中变量 x 进行积分，得：

（4）

此处： 是第 n 模态的频率； 是第n模态的衰减比率；Mn是第n模态的模态质量。基于桥梁假设，桥梁的模型参数可以通过下面式子计算：

式中：S——传感器及其测量电路的灵敏度（即被测量X转换成电压U的转换系数）

K——放大器的放大倍数

——A/D转换器满量程输入电压

——A/D转换器满量程输出数字

而被测量X总是以其测量数字N和测量单位x1表示

就可以使A/D转换结果D与被测量x的数值N相等，即D=N，在这种情况下将A/D转换结果作为被测量的数值传送到显示器显示出来。

3.电路设计

本系统由、数据采集部分、声光报警部分、数据显示部分、键盘部分和电源等部分，其中，控制器部分采用STC89C52实现，数据采集部分由压力传感器、信号放大电路、A/D转换器构成，系统设计原理如图2示。

（1）数据采集部分电路设计

数据采集部分电路由传感器、信号放大电路和A/D转换器组成。A/D转换器采用24位HX711芯片。HX711与单片机的接口电路接线图如图3示。

（2）显示电路与STC89C52单片机接口电路设计

显示电路采用LCD12864。LCD12864与单片机的接口电路设计如图4示。

4.软件设计

本设计采用C语言编程，编译环境为keil UV4。根据系统的控制任务，软件设计主要由主程序、初始化程序、显示子程序、数据采集子程序和延时程序等组成。

在芯片上电后，初始化程序将单片机中程序存储器单元清零，P3.0引脚置成低电平，防止错误报警。主程序设计流程图如图5所示。

5.结论

桥梁荷载力试验是一门直接服务于工程实践的技术学科，涉及到桥梁的设计计算理论、试验测试技术、仪器仪表性能、数理统计分析、现场试验组织等方面，具有较强的综合性、应用性和复杂性。同时，桥梁荷载力实验对于推动桥梁建设事业的发展，为确保桥梁安全运营、进行科学养护又发挥着重要的作用。随着微控制器技术、传感器技术的发展和计算机技术的广泛应用，设计实现智能化的桥梁荷载力测试电路，以应变传感器作为现场敏感器件，测量行驶辆引起的桥梁应变，对采样数据进行积分运算消除振动项对结果的影响，进而获得动态车辆的载重值，与车型识别结果查询数据库得到标准载重比较来判断是否超重，具有一定的实用价值。