土壤测量试验装置用测量控制系统的制作方法

本发明属于土壤力学参数检测技术领域，具体涉及土壤测量试验装置用测量控制系统。

背景技术：

在土壤力学参数检测技术领域，土壤内聚力模量和土壤摩擦模量是两个重要的土壤特性参数。进行压力—沉陷试验，依据半经验理论的土壤力学公式可以求得这两个参数；圆锥指数是表示土壤强度的参数，基于试验数据得到土壤圆锥指数与这两个参数的关联模型，也可以计算出这两个参数。

为保证试验的可比性和可行性，最大限度保证试验条件的一致性，宜在一台装置上完成圆锥指数测量和压力—沉陷试验，要求土壤测量试验装置用的测量控制系统实现两种数据测量和试验过程控制。同时由于测量与试验的需要，土壤测量试验装置包括便携式、车载式和实验室对比用三类装置。现有类似的装置与设备，便携式的一般采用嵌入式测量控制系统完成测量控制工作，车载式的和实验室的试验系统则多采用笔记本电脑、台式机或工控机+采集卡的方式实现测量控制功能，而且圆锥指数测量和压力—沉陷试验是由不同装置分别完成的。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对现有土壤测量试验装置用测量控制系统不能利用同一系统进行土壤圆锥指数测量和压力—沉陷试验，而且不能满足便携式、车载式、实验室对比试验三类不同土壤测量试验装置的问题，为液压驱动的土壤测量试验装置提供一套测量控制系统，用于野外现场和实验室进行土壤力学参数测量试验的测量数据采集、处理、显示、存储和试验过程控制。

(二)技术方案

为实现本发明的目的，本发明提供了一种土壤测量试验装置用测量控制系统，包括元器件和壳体，所述壳体用于支撑、安装和容纳元器件，所述元器件包括主控cpu1、液晶显示模块2、电源模块3、按键输入模块4、sd卡数据保存模块5、前端调理模块6、工作状态指示灯8、电源正常指示灯9和连接器7，

所述主控cpu1用于计算，负责实时计算当前的位移和压力，通过位移和压力，按照相应的函数计算出来当前的ci值；存储，将位移、压力以及与之对应的时间存储在sd卡上的文件中；自检，当检测到故障时，在屏幕上及指示灯上给出响应的警示；人机交互，响应按键输入，作出相应的处理；

所述液晶显示模块2与主控cpu1相连，负责显示当前的位移、压力和时间，在连续测试模式下，液晶显示模块还显示位移-压力曲线；

所述电源模块3与蓄电池相连，将24伏电源转换成为5伏和12伏电源，为所述主控cpu1、液晶显示模块2和前端调理模块6供电；

所述按键输入模块4为独立式按键，与主控cpu1相连，当按键按下时给主控cpu1响应的引脚一个中断触发，主控cpu1在得到该中断触发后作出响应；

所述sd卡数据保存模块5采用sdio模式工作，用于将主控cpu1采集到的数据保存到sd卡上；

所述前端调理模块6用于将压力和位移传感器的信号进行放大、隔离、滤波，再接入主控cpu1的adc引脚，进行模数转换；

所述连接器7用于连接位移和压力传感器，为传感器提供电源供电，将传感器输出信号接入前端调理模块6。

优选地，所述主控cpu1为核心处理器，采用stm32f103型处理器，

优选地，所述液晶显示模块2分两个区域显示，上面较大部分区域为曲线显示区，用于显示连续测试状态的位移-压力曲线；下面为文字信息显示区，用于显示当前各项参数。

优选地，所述壳体面板最下方开一小孔，对应复位按键，使用比孔径略小的针状物体可以通过此孔按下复位键，以使系统复位。

优选地，所述sd卡数据保存模块可实现sd卡的格式化、配置fatfs文件系统以及在卡上保存txt或者dat类型的数据文件。

优选地，所述系统通过背面的安装孔14安装。

(三)有益效果

1.系统集成了两种试验所需的测量数据采集、处理、显示、存储和试验过程控制功能，既能用于土壤圆锥指数测量，也能够完成压力—沉陷试验。

2.系统内置了多种测量头型号供选择，结合速度、压力等参数实时检测，可适用于便携式、车载式和实验室对比试验三种不同土壤测量试验，从而实现以前多种设备才能完成的工作，改进成一种设备完成。

3.土壤测量试验装置用测量控制系统，采用嵌入式系统设计，体积小巧、结构简单、可靠性高、速度控制容易。

4.基本的计算、试验结果有效性判断可实时显示，简化野外现场试验的操作程序和软件运算。

5.数据同步保存在sd卡上，便于试验结束后在进行更深入地计算和分析。

附图说明

图1为本申请内部主要元器件构成示意图；图1中，1.主控cpu，2.液晶显示模块，3.电源模块，4.按键输入模块，5.sd卡数据保存模块，6.前端调理模块，7.连接器，8.工作指示灯9.电源指示灯。

图2为本申请面板布局示意图；图2中，2.液晶显示模块，4.按键输入模块，8.工作指示灯9.电源指示灯，10.复位按键。

图3为本申请侧面布局示意图；图3中，11.sd卡插槽，12.电源开关，13.蓄电池24伏电源插孔。

图4为本申请测量控制系统的背面布局示意图；图4中，7.连接器，14.安装孔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

应当说明的是，本申请中所述的“连接”和用于表达“连接”的词语，如“相连接”、“相连”等，既包括某一部件与另一部件直接连接，也包括某一部件通过其他部件与另一部件相连接。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本申请土壤测量试验装置用测量控制系统的内部主要元器件包括主控cpu(1)、液晶显示模块(2)、电源模块(3)、按键输入模块(4)、sd卡数据保存模块(5)、前端调理模块(6)、工作状态指示灯(8)、电源正常指示灯(9)和连接器(7)。

主控cpu(1)为核心处理器，采用stm32f103型处理器，该处理器是一款32位arm微控制器，具有最高72mhz工作频率，内置有2个12位模数转换器，1us转换时间(多达16个输入通道)，其功能主要有：计算，负责实时计算当前的位移和压力，通过位移和压力，按照相应的函数计算出来当前的ci值；存储，将位移、压力以及与之对应的时间存储在sd卡上的文件中；自检，当检测到故障时，在屏幕上及指示灯上给出响应的警示；人机交互，响应按键输入，作出相应的处理。

液晶显示模块(2)与主控cpu(1)相连，负责显示当前的位移、压力和时间，在连续测试模式下，液晶显示模块还显示位移-压力曲线。分两个区域显示，上面较大部分区域为曲线显示区，用于显示连续测试状态的位移-压力曲线；下面为文字信息显示区，用于显示当前各项参数。

电源模块(3)与蓄电池相连，将24伏电源转换成为5伏和12伏电源，为主控cpu(1)、液晶显示模块(2)和前端调理模块(6)供电。

按键输入模块(4)为独立式按键，与主控cpu(1)相连，当按键按下时给主控cpu(1)响应的引脚一个中断触发，主控cpu(1)在得到该中断触发后作出响应。

sd卡数据保存模块(5)采用sdio模式工作，用于将主控cpu(1)采集到的数据保存到sd卡上，在停止按钮按下之后，sd卡可以拔出。数据保存下来方便后续处理。sd卡数据保存模块配合控制软件可实现sd卡的格式化、配置fatfs文件系统以及在卡上保存txt或者dat类型的数据文件；

前端调理模块(6)用于将压力和位移传感器的信号进行放大、隔离、滤波，再接入主控cpu的adc引脚，进行模数转换。

连接器(7)用于连接位移和压力传感器，为传感器提供电源供电，将传感器输出信号接入前端调理模块(6)。

为更好地描述试验过程，测量控制系统安装位置位于测量试验装置方便人员操作和观看的位置。

如图2所示，壳体面板顶端为电源指示灯(8)和工作指示灯(9)。电源指示灯为红色，仪器开机之后指示灯亮。工作指示灯为绿色。开机之后常亮，当自检不通过时，指示灯快速闪烁，

本系统的软件烧录在主控cpu中，负责整个硬件部分的控制和对各个传感器参数的运算以及人机交互。下面介绍对各种用户操作的响应。软件具有自检、参数设置、试测和测试几种功能。

试验过程：将拟使用的测量杆(17)、测量头(18)安装在液压缸下端的联接座上，将压力传感器连接到测量控制系统的相应端口。开机之后进入系统自检界面。测量控制系统对各模块工作情况进行自检，自检成功之后，在屏幕上显示“自检成功”。如果自检不成功，则需要排除故障后重启系统，自检成功则直接跳转到参数设置界面。

当自检通过后，自动进入参数设置界面，有两个选项，压板试验(压板—沉陷试验的简称)和圆锥试验(圆锥指数测量的简称)，当选中某一个试验类型后点击确认按钮即可进入该试验的进一步设置界面。

进一步设置界面中有两个参数，分别是设定速度(初始显示为默认的30mm/s，可通过增加/减少按钮进行调整)和探测头编号(某编号探测头的形状、尺寸数据等都已内置在数据库中)。

例如，1号测量头用于压板—沉陷试验，压板形状为矩形，压板尺寸50mm×300mm、测量杆外径86mm；8号测量头用于圆锥指数测量，圆锥头顶角30°、圆锥底面直径12.83mm、测量杆外径9.53mm。这些数据都来自国际标准，不用手工输入。

首先进行1次试测。按下开始键(设定测试时间8s)，启动液压动力单元，操作液压缸向下运动带动测量杆和测量头进入土壤中，4s后停止，然后根据提示操作液压缸向上运动，直到回到原位。如果试测过程中装置、测量数据均无异常，可立即进行正式测量。如果试测中运行速度与设定速度不一致，则通过液压系统调整装置校准速度。

正式测量和实测所需的操作是相同的。完成1次试验，关闭液压动力单元。试验中的压力、位移、时间等数据实时保存在sd卡上。

试验过程的显示界面显示的内容有：试验类型(压板试验/圆锥试验)、沉陷量(即位移)、压强、试验数据初步处理结果；同时有动态曲线显示区域(曲线横坐标是位移、纵坐标是压力，且能够叠加显示顶端和底端两个压力传感器数据)。

按下“停止”按钮之后，试验参数和试验数据就保存到sd卡上，此时切断电源即可拔出sd卡，方便在电脑上对这些数据进行后续的分析。

测量控制系统支持“土壤圆锥指数测量”和“压力—沉陷试验”两种试验，通过参数设置功能对试验类型和测量头进行设置即可很方便地进行切换；

控制器可以通过背面的安装孔安装，便携式、车载式和实验室对比试验土壤测量试验装置通用；

本系统可以选择土壤测量试验装置测量头型号并据此进行初步计算，用于测量数据的有效性判断；

本系统可以实现试验速度的设定和校准，通过主控cpu高精度定时器和测量控制系统外接的高精度位移传感器，达到对测量头运行速度的精确测量，与液压系统配合，可以实现精确的校准。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。