静力压桩机压桩垂直度监测仪的设计

       静力压桩机主要应用于土质比较疏松花江地质工况，因此机身的水平度直接影响压桩的垂直度。由于在压桩过程中无法实现一次成型，需要对桩进行多次松开、抱桩和压桩过程才能够完成整桩的压桩过程，为了防止在多次压桩过程中因长船的沉降和液压缸的泄漏而产生的偏移，以及由偏移产生断桩问题的出现，机身的定位和找平功能日益突出。大多数静力压桩机压桩的垂直度都是通过水平仪测试，不够直观、精度低、操作复杂，随着人机界面和仪器仪表的迅速发展及其在工程机械应用的增多，同时我国南部地区基础建设的施工量逐渐增加，对静力压桩机压桩垂直度监测仪的开发要求日益紧迫。
针对此问题，笔者设计了以美国CYGNAL公司的SOC芯片C8051F020为中央处理器，320×240图形液晶显示屏为显示端口的静力压桩机压桩垂直度监测仪。该系统或动态显示X、Y两个方向的桩垂直度的偏移情况，图形动画和数据动态显示相结合，可以实现零位标定、多界面结合等功能。
1、垂直度监测仪的硬件设计
垂直度监测仪的硬件由中央处理器、信号采集装置、控制输出、存储器、看门狗、电源组成，如图1所示。

图1 垂直度监测仪硬件原理图

1.1C8051F020简介
C8051F020是由美国CYGNAL公司研制的混合信号系统级芯片。其片内集成了多通道10位的A/D转换器以及1个双12位D/A转换器和2个增强型UART串口，该单片机还集成有4KB内部数据RAM和64KBFLASH以及外部64KB数据存储器接口。片内还配置了符合标准IEEE1149.1的JTAG接口，通过JTAG口可直接进行在线仿真和程序下载。
1.2信号采集模块的设计
采用2个双轴倾角传感器监测静力压桩机的压桩垂直度，采集到的4路传感器信号通过光电隔离和滤波电路后进入了A/D转换，通过计算后在显示屏上显示，采用按键实现多界面显示，共有6路开关量信号。数据采集模块的原理图如图2所示。

图2 数据采集装置原理图

1.3电源模块的设计
由于静力压桩机采用电机驱动，外部电源为220V，传感器用电为12V，但是C8051F020用电是3.3V，液晶显示屏用电是5V，考虑到工程机械车载直流电源模块有12V和24V两种，因此本文设计的电源模块可以在宽电压输入下工作，通过该电源模块输出5V和3.3V的稳定电压，同时为了提高电路的抗干扰性，该电源模块将模拟信号电源地和数字信号电源地进行隔离。
1.4看门狗电路的设计
看门狗电路实现的两个功能，一个是调节控制板复位和显示屏复位的响应时间；另一个是当程序进入死循环时系统自动复位。
1.5显示模块
采用超宽温的320×240图形液晶显示屏，CCFL背光，蓝底白字的显示效果，对比度可以调节，显示角度是6点钟。C8051F020通过向SED1335控制器发送数据来驱动液晶显示屏。SED1335控制器有13条指令，多数指令带有参数，参数值由用户根据所控制的液晶显示模块的特征和显示的需要来设置。
1.6传感器
为了能够较精确地显示桩的垂直度情况，选择了2个双轴倾角传感器作为监测设备，该传感器的测量范围为±30°，精度为0.06°，适合工程施工环境。
2、垂直度监测仪的软件设计
2.1系统初始化
系统初始化主要包括系统时钟频率的设定，SED1335的初始化，模拟量输入通道的选择，数字量通道的选择，液晶显示屏采用双屏显示，显示区域划分等。
同时考虑到系统的可靠性，在开机时对传感器进行自检，判断故障。只有系统设备正常时才可以进入监测界面。
2.2监控界面设计
监测仪采用多界面设计，界面的切换是通过按键实现的。首先经过自检界面，然后进入主界面，即监测界面，该界面除显示时间、版本号外，主要用图形和数字相结合的方式显示桩的偏移情况，如图3所示。由于静力压桩机的垂直度要求在5‰以下才算合格，在设计该监测仪时为了满足显示精度和显示效果，采用趋势设计方法，如果超过了图3中圆形的显示区，只是给出点的偏移情况，在数字显示区明确显示偏移的内容，这样有助于操作人员根据趋势调节桩的角度。

图3 显示界面

由于现场施工时要对系统进行校正，因此监测仪还设计了标定界面，分别可以对传感器和水平位置进行标定，还可以设定系统时间。
3.垂直度监测仪的优化
系统的硬件和软件联机调试通过后，基本上可以实现监测功能和显示效果。当把设计好的监测界面的动态点变化很快，飘动幅度比较大。解决此问题主要通过对传感器进行多段直线拟合和多次求平均的方法，通过软件调整后，显示比较平稳。
由于监测仪的外壳为金属材料，在使用过程中偶尔出现“花屏”现象。通过监测发现，供电电源模块和机身有共模干扰，通过滤波电路并通过EMC实验，效果比较满意。
通过实验室和现场调试，该监控仪已经可以安全可靠地使用。该方案和问题的解决方法对工程机械其它设备相关产品的开发都有借鉴意义。