一种摊铺机摊铺厚度监测装置的设计

2018-05-05门延会门新延

机电工程技术 2018年4期

门延会，曾鹏，门新延

0 引言

近年来，我国公路交通建设发展飞速，公路等级不断提高，随着车辆数量的迅速增长，行车速度的不断提高及车辆载荷的逐渐增大，对公路路面的使用性能提出了更高的要求。路面的平整度是路面使用性能的重要指标之一，其好坏直接影响着汽车行驶的平稳性及速度，关系到交通安全的问题[1-4]。为保证路面的平整度，施工质量控制是最重要的环节。

摊铺机是公路建设施工机械的重要设备之一，摊铺机根据施工作业环境，自身配置的标准及所采用的摊铺技术，来确定摊铺厚度[5-6]。根据现行《公路工程质量检验评定标准》，沥青面层的厚度和压实度是评定沥青路面质量的两项关键项目，而沥青路面的厚度又会影响到路面的压实度[7-8]。因此，在摊铺施工过程中，应能随时对摊铺层的厚度进行检测，根据检测的厚度来控制未铺层的摊铺厚度，确保路面实际的总厚度一致，从而提高路面的平整度及使用性能[9]。

目前，对摊铺厚度的测量在国内尚没有较理想的厚度测定尺或测定仪，摊铺机在基层和面层施工时由人工测量铺层高程与厚度，每隔10 m左右就需要工人使用钢尺和铝板手动测量一次，这种人工测量方式不仅增加了劳动强度，而且测量误差大，其监测效果有待提高。以往对公路工程沥青混凝土摊铺厚度的检测一般采用钻芯取样结合数理统计的方法[10]或预抛高技术面层标高和厚度的控制方法[11]，但是这些方法受人为因素和偶然性较大，不能准确全面地衡量路面摊铺厚度的实际情况。随着科技应用水平的提高，应用智能化系统监测摊铺厚度有很高的应用价值和开发意义。文献[12]介绍了一种沥青路面松铺高程与厚度实时检测装置，但这种装置结构较复杂，影响测量精度的因素较多，测量误差较大。文献[13-15]中介绍了一种采用路面雷达检测系统来检测沥青路面摊铺厚度的方法，这种方法有其优点，但检测系统结构复杂，体积较大，携带不方便，需专门的分析软件，成本高，且当检测到面层厚度不够时，仍要进行标高测量，再进行处理。

本着减轻劳动强度、提高监测质量和摊铺机智能化水平的目标，本文设计了一种新型的摊铺机摊铺厚度监测装置，该应用在国内尚属首例。

1 硬件系统结构

根据设计要求，该摊铺厚度测试仪硬件系统主要包括电源模块、信号采集模块、输入操作模块、系统处理模块、大功率数码管显示模块、报警模块和安装支架。该厚度监测装置主要用来完成电压转换、传感器信号采集、数据处理及动态显示、数据微调、数据标定及断电保存等功能。其中，电源模块为系统中所有单元提供稳定的工作电源；信号采集模块即测距传感器提供所需的距离长度；输入操作模块根据按钮输入进行系统操作；单片机微控制器是系统处理模块，是系统的核心单元，根据激光传感器信号所采集的信息进行计算，处理为实际厚度，最后把测量结果通过显示模块显示出来，报警模块可随时对厚度发生偏差时进行报警，其系统硬件结构图如图1所示。

该摊铺厚度检测系统可直接对10 m以内的厚度测试范围进行测量，测量精度为1 mm。最终能以经济实用的方式实现摊铺机的各类物料摊铺厚度的直接测量和显示，其技术数据如表1所示。

表1 摊铺厚度测试仪技术数据

2 电气原理图实现

根据设计要求，借助Protel软件，绘制系统初步电气原理图，原理图包括单片机最小系统、电源模块、激光传感器串口通讯、1.8英寸数码管显示模块及其驱动电路。

2.1 电源模块

该装置由摊铺机电瓶直接供电，电源模块分别完成24 V到5 V和12 V的电压转换，给微控制器及其他模块使用。电源模块采用LM2575-5开关电源稳压电路芯片，串联电感电容组成Π型滤波电路，利用LM2575-5芯片的负反馈功能实现精确地电压输出。考虑到工程车辆电压不稳的现象，在总电源输入端加装了大功率滤波器BNX002-01，可防止高频脉冲和电压抖动对系统产生影响[16]，其电源模块电气原理如图2所示。

2.2 信号采集模块

信号采集模块采用激光测距传感器进行信号的采集，采用MAX232ACPE芯片来完成TTL电平与232电平的转换，提供一个本地接口，为调试和维护提供方便，再通过RS232方式与微控制器进行通信[17]，其信号采集模块电气原理如图3所示。

激光测距传感器采用的是YF-YJ03型号，采用激光相位测量技术可专门用于对移动物体进行距离测量。其功耗稳定，耗电量小，供电方便，工作电压范围大，使用可见激光束，易于瞄准被测物[18]。在恶劣的户外环境下，仍能保持很高的测量精度和可靠性，特别适合在摊铺机筑路工程上使用。

2.3 信号处理模块

单片机信号处理模块的微控制器选用STC12C5A60S2芯片。它是由STC生产的单时钟/机器周期单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但比8051速度快8～12倍。其内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换及内部EEPROM，特别适合筑路机械如摊铺机等工作的强干扰场合。在此系统中STC12C5A60S2芯片主要用来完成激光测距传感器的信号采集、数据处理、数据溢出报警，响应外部标定中断，实时在微控制器的EEPROM中保存标定的计算结果，信号处理模块电气原理如图4所示。

图2 电源模块电气原理图

图3 信号采集模块电气原理图

图4 信号处理模块电气原理图

2.4 显示模块

显示模块采用3位1.8英寸共阳极红色数码管进行动态显示，利用七段译码器74LS38和NPN型达林顿集成芯片ULN2003完成数码管的段驱动，利用IPS6041智能开关完成数码管位选择，其显示模块电气原理如图5所示。

3 系统软件设计

3.1 摊铺厚度测试仪设计原理

摊铺机测试仪设计原理图如图6所示，AO是一条垂直于水平线的直线，在A点固定一个激光测距传感器，可以测得A点到任意一物体的距离，图中黑色区域为摊铺机预摊铺厚度，即LBO为所要计算的距离。

从已知条件可知，LAO、LAC、∠OAC为已知量：

其中：LAO、LAC、LBO、LAB为长度，mm；∠OAC为角度，度。只要测得LAO、LAC、∠OAC的值大小，就可以方便地计算出LBO摊铺厚度的值。

3.2 算法流程图

软件开发系统使用美国Keil software公司出品的单片机C语言在Keil UVision4开发环境中进行程序设计。该软件提供可包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和功能强大的仿真调试器等完整的开发方案。

系统初始化包括串口初始化、中断初始化和I/O口设置，主程序流程是读串口数据后，经过计算处理为毫米单位的摊铺厚度，调用显示子程序显示并随时判断数据是否发生偏差，标定以外部中断方式进行控制。主程序流程图见图7所示。

图5 显示模块电气原理图

图6 设计原理图

图7 主程序流程图

3.4 主程序设计

主程序开始对单片机及外围器件进行初始化，调用内部保存数据，然后分别对个模块进行查询。

void main()

{

rs232_init()； //初始化；

P1_3=0；P1_4=0；P1_5=0；P1_6=0；

//P1_3调整加1；P1_4调整减1；P1_5垂直标定；P1_6角度标定；

P1_0=1；P1_1=1；P1_2=1；//打开三个数码管位选；

for(i=0；i＜10；i++)

{P0=dis[i]；delay(200)；}

//上电时数码管循环自检；

canshu()； //从ROM调取保存的参数；

ES=1；SCON=0x50； //打开中断；

while(1)

{

jisuan()； //计算当前值；

display()； //数码管显示；

biao()； //参数标定；

}

4 摊铺厚度测试仪的安装使用

机械结构安装在摊铺机左右后顶棚柱上，距地面2.5 m左右，考虑到机械制造和安装存在实际的误差，电气在软件设计时进行误差弥补，并进行电气参数标定，把误差减小到最小[19]。

测量有两个尺寸要求必须严格，即AO的距离和∠OAC的夹角尺寸。把摊铺机停放在水平路面（LBO=0），进行参数标定。

（1）安装机械结构，松开激光传感器下端固定螺栓，使激光传感器自由下垂，保证AO和水平的垂直度，固定螺栓，按标定键3秒，保存激光传感器测量的AO距离。

（2）松开激光传感器下端固定螺栓，根据机械板上的刻度，把传感器向右方旋转约40°，固定螺栓，按标定健3秒，保存激光传感器测量的AC距离，根据AO、AC长度，求出∠OAC的实际角度。

以上操作如按标准进行测量就可以保证测量的参考值准确无误。

该摊铺厚度测试仪的封装采用绝缘树脂胶灌装，具有防尘、防振、防盐碱度腐蚀和防水等作用。图8为测试仪的安装支架和外观图。

图8 测试仪的安装支架和外观图

5 结语

本文所设计的摊铺厚度测试仪可实现摊铺机对各类物料摊铺厚度的直接测量和显示。检测过程属于非接触式检测，对路面不产生破坏。该检测仪已配套使用在陕西建设机械股份有限公司生产的各摊铺机上，经在各摊铺机上安装使用，用户反映该检测设备操作简单方便，成本低，测试效率高，测量数据准确，能够实现对摊铺厚度的实时检测，以便于随时调整摊铺厚度，从而保证摊铺路面的平顺指数，提高了路面的施工质量，另一方面也可以杜绝沥青路面施工中的偷工减料行为，对降低工程造价，延长道路使用寿命具有很好的作用。

随着公路交通事业的高速发展，不可避免地会对生态环境的保护形成一定的冲击，寻求低碳、节能、环保的可持续发展公路[20]，将是以后在发展公路交通事业、提高路面施工质量的同时，应该持续关注的一个问题。

参考文献：

［1］朱明才，杨人凤.沥青路面松铺平整度监测技术［J］.筑路机械与施工机械化，2002，19（3）：46-48.

［2］何承庆.试论市政道路沥青混凝土路面施工质量控制技术［J］.建材与装饰，2016，19（20）：271-272.

［3］王海姣.探析沥青路面施工平整度控制的方法［J］.公路交通科技，2014，31（10）：144-148.

［4］张晓，赵学新.提高沥青路面平整度的施工措施［J］.公路，2016，61（11）：82-83.

［5］王德健.摊铺机摊铺厚度自动变薄的原因分析［J］.工程机械与维修，2010，17（10）：156-157.

［6］王选仓，穆柯，王朝辉，等.沥青路面双层摊铺技术研究［J］.筑路机械与施工机械化，2012，29（1）：24-27.

［7］李晋文，常立峰.浅谈沥青路面的压实度控制［J］.筑路机械与施工机械化，2012，29（2）：48-50.

［8］韩晓洲，张剑，吴亮.沥青面层厚度对路面结构力学指标影响分析［J］.山西建筑，2011，37（19）：137-139.

［9］国灵芝，刘伟，张国亮.徽杭高速公路沥青面层厚度的施工控制［J］.山东交通科技，2010，32（02）：37-39.

［10］刘明珠.关于混凝土钻芯取样的一些问题的探讨［J］.黑龙江科技信息，2013，17（7）：269.