門延會，曾 鵬，門新延

0 引言

近年來，我國公路交通建設發(fā)展飛速，公路等級不斷提高，隨著車輛數(shù)量的迅速增長，行車速度的不斷提高及車輛載荷的逐漸增大，對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標之一，其好壞直接影響著汽車行駛的平穩(wěn)性及速度，關系到交通安全的問題[1-4]。為保證路面的平整度，施工質(zhì)量控制是最重要的環(huán)節(jié)。

攤鋪機是公路建設施工機械的重要設備之一，攤鋪機根據(jù)施工作業(yè)環(huán)境，自身配置的標準及所采用的攤鋪技術，來確定攤鋪厚度[5-6]。根據(jù)現(xiàn)行《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》，瀝青面層的厚度和壓實度是評定瀝青路面質(zhì)量的兩項關鍵項目，而瀝青路面的厚度又會影響到路面的壓實度[7-8]。因此，在攤鋪施工過程中，應能隨時對攤鋪層的厚度進行檢測，根據(jù)檢測的厚度來控制未鋪層的攤鋪厚度，確保路面實際的總厚度一致，從而提高路面的平整度及使用性能[9]。

目前，對攤鋪厚度的測量在國內(nèi)尚沒有較理想的厚度測定尺或測定儀，攤鋪機在基層和面層施工時由人工測量鋪層高程與厚度，每隔10 m左右就需要工人使用鋼尺和鋁板手動測量一次，這種人工測量方式不僅增加了勞動強度，而且測量誤差大，其監(jiān)測效果有待提高。以往對公路工程瀝青混凝土攤鋪厚度的檢測一般采用鉆芯取樣結合數(shù)理統(tǒng)計的方法[10]或預拋高技術面層標高和厚度的控制方法[11]，但是這些方法受人為因素和偶然性較大，不能準確全面地衡量路面攤鋪厚度的實際情況。隨著科技應用水平的提高，應用智能化系統(tǒng)監(jiān)測攤鋪厚度有很高的應用價值和開發(fā)意義。文獻[12]介紹了一種瀝青路面松鋪高程與厚度實時檢測裝置，但這種裝置結構較復雜，影響測量精度的因素較多，測量誤差較大。文獻[13-15]中介紹了一種采用路面雷達檢測系統(tǒng)來檢測瀝青路面攤鋪厚度的方法，這種方法有其優(yōu)點，但檢測系統(tǒng)結構復雜，體積較大，攜帶不方便，需專門的分析軟件，成本高，且當檢測到面層厚度不夠時，仍要進行標高測量，再進行處理。

本著減輕勞動強度、提高監(jiān)測質(zhì)量和攤鋪機智能化水平的目標，本文設計了一種新型的攤鋪機攤鋪厚度監(jiān)測裝置，該應用在國內(nèi)尚屬首例。

1 硬件系統(tǒng)結構

根據(jù)設計要求，該攤鋪厚度測試儀硬件系統(tǒng)主要包括電源模塊、信號采集模塊、輸入操作模塊、系統(tǒng)處理模塊、大功率數(shù)碼管顯示模塊、報警模塊和安裝支架。該厚度監(jiān)測裝置主要用來完成電壓轉換、傳感器信號采集、數(shù)據(jù)處理及動態(tài)顯示、數(shù)據(jù)微調(diào)、數(shù)據(jù)標定及斷電保存等功能。其中，電源模塊為系統(tǒng)中所有單元提供穩(wěn)定的工作電源；信號采集模塊即測距傳感器提供所需的距離長度；輸入操作模塊根據(jù)按鈕輸入進行系統(tǒng)操作；單片機微控制器是系統(tǒng)處理模塊，是系統(tǒng)的核心單元，根據(jù)激光傳感器信號所采集的信息進行計算，處理為實際厚度，最后把測量結果通過顯示模塊顯示出來，報警模塊可隨時對厚度發(fā)生偏差時進行報警，其系統(tǒng)硬件結構圖如圖1所示。

該攤鋪厚度檢測系統(tǒng)可直接對10 m以內(nèi)的厚度測試范圍進行測量，測量精度為1 mm。最終能以經(jīng)濟實用的方式實現(xiàn)攤鋪機的各類物料攤鋪厚度的直接測量和顯示，其技術數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 攤鋪厚度測試儀技術數(shù)據(jù)

2 電氣原理圖實現(xiàn)

根據(jù)設計要求，借助Protel軟件，繪制系統(tǒng)初步電氣原理圖，原理圖包括單片機最小系統(tǒng)、電源模塊、激光傳感器串口通訊、1.8英寸數(shù)碼管顯示模塊及其驅動電路。

2.1 電源模塊

該裝置由攤鋪機電瓶直接供電，電源模塊分別完成24 V到5 V和12 V的電壓轉換，給微控制器及其他模塊使用。電源模塊采用LM2575-5開關電源穩(wěn)壓電路芯片，串聯(lián)電感電容組成Π型濾波電路，利用LM2575-5芯片的負反饋功能實現(xiàn)精確地電壓輸出。考慮到工程車輛電壓不穩(wěn)的現(xiàn)象，在總電源輸入端加裝了大功率濾波器BNX002-01，可防止高頻脈沖和電壓抖動對系統(tǒng)產(chǎn)生影響[16]，其電源模塊電氣原理如圖2所示。

2.2 信號采集模塊

信號采集模塊采用激光測距傳感器進行信號的采集，采用MAX232ACPE芯片來完成TTL電平與232電平的轉換，提供一個本地接口，為調(diào)試和維護提供方便，再通過RS232方式與微控制器進行通信[17]，其信號采集模塊電氣原理如圖3所示。

激光測距傳感器采用的是YF-YJ03型號，采用激光相位測量技術可專門用于對移動物體進行距離測量。其功耗穩(wěn)定，耗電量小，供電方便，工作電壓范圍大，使用可見激光束，易于瞄準被測物[18]。在惡劣的戶外環(huán)境下，仍能保持很高的測量精度和可靠性，特別適合在攤鋪機筑路工程上使用。

2.3 信號處理模塊

單片機信號處理模塊的微控制器選用STC12C5A60S2芯片。它是由STC生產(chǎn)的單時鐘/機器周期單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但比8051速度快8～12倍。其內(nèi)部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換及內(nèi)部EEPROM，特別適合筑路機械如攤鋪機等工作的強干擾場合。在此系統(tǒng)中STC12C5A60S2芯片主要用來完成激光測距傳感器的信號采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)溢出報警，響應外部標定中斷，實時在微控制器的EEPROM中保存標定的計算結果，信號處理模塊電氣原理如圖4所示。

圖2 電源模塊電氣原理圖

圖3 信號采集模塊電氣原理圖

圖4 信號處理模塊電氣原理圖

2.4 顯示模塊

顯示模塊采用3位1.8英寸共陽極紅色數(shù)碼管進行動態(tài)顯示，利用七段譯碼器74LS38和NPN型達林頓集成芯片ULN2003完成數(shù)碼管的段驅動，利用IPS6041智能開關完成數(shù)碼管位選擇，其顯示模塊電氣原理如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 攤鋪厚度測試儀設計原理

攤鋪機測試儀設計原理圖如圖6所示，AO是一條垂直于水平線的直線，在A點固定一個激光測距傳感器，可以測得A點到任意一物體的距離，圖中黑色區(qū)域為攤鋪機預攤鋪厚度，即LBO為所要計算的距離。

從已知條件可知，LAO、LAC、∠OAC為已知量：

其中：LAO、LAC、LBO、LAB為長度，mm；∠OAC為角度，度。只要測得LAO、LAC、∠OAC的值大小，就可以方便地計算出LBO攤鋪厚度的值。

3.2 算法流程圖

軟件開發(fā)系統(tǒng)使用美國Keil software公司出品的單片機C語言在Keil UVision4開發(fā)環(huán)境中進行程序設計。該軟件提供可包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和功能強大的仿真調(diào)試器等完整的開發(fā)方案。

系統(tǒng)初始化包括串口初始化、中斷初始化和I/O口設置，主程序流程是讀串口數(shù)據(jù)后，經(jīng)過計算處理為毫米單位的攤鋪厚度，調(diào)用顯示子程序顯示并隨時判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)生偏差，標定以外部中斷方式進行控制。主程序流程圖見圖7所示。

圖5 顯示模塊電氣原理圖

圖6 設計原理圖

圖7 主程序流程圖

3.4 主程序設計

主程序開始對單片機及外圍器件進行初始化，調(diào)用內(nèi)部保存數(shù)據(jù)，然后分別對個模塊進行查詢。

void main()

{

rs232_init()； //初始化；

P1_3=0；P1_4=0；P1_5=0；P1_6=0；

//P1_3調(diào)整加1；P1_4調(diào)整減1；P1_5垂直標定；P1_6角度標定；

P1_0=1；P1_1=1；P1_2=1；//打開三個數(shù)碼管位選；

for(i=0；i＜10；i++)

{P0=dis[i]；delay(200)；}

//上電時數(shù)碼管循環(huán)自檢；

canshu()； //從ROM調(diào)取保存的參數(shù)；

ES=1；SCON=0x50； //打開中斷；

while(1)

{

jisuan()； //計算當前值；

display()； //數(shù)碼管顯示；

biao()； //參數(shù)標定；

}

}

4 攤鋪厚度測試儀的安裝使用

機械結構安裝在攤鋪機左右后頂棚柱上，距地面2.5 m左右，考慮到機械制造和安裝存在實際的誤差，電氣在軟件設計時進行誤差彌補，并進行電氣參數(shù)標定，把誤差減小到最小[19]。

測量有兩個尺寸要求必須嚴格，即AO的距離和∠OAC的夾角尺寸。把攤鋪機停放在水平路面（LBO=0），進行參數(shù)標定。

（1）安裝機械結構，松開激光傳感器下端固定螺栓，使激光傳感器自由下垂，保證AO和水平的垂直度，固定螺栓，按標定鍵3秒，保存激光傳感器測量的AO距離。

（2）松開激光傳感器下端固定螺栓，根據(jù)機械板上的刻度，把傳感器向右方旋轉約40°，固定螺栓，按標定健3秒，保存激光傳感器測量的AC距離，根據(jù)AO、AC長度，求出∠OAC的實際角度。

以上操作如按標準進行測量就可以保證測量的參考值準確無誤。

該攤鋪厚度測試儀的封裝采用絕緣樹脂膠灌裝，具有防塵、防振、防鹽堿度腐蝕和防水等作用。圖8為測試儀的安裝支架和外觀圖。

圖8 測試儀的安裝支架和外觀圖

5 結語

本文所設計的攤鋪厚度測試儀可實現(xiàn)攤鋪機對各類物料攤鋪厚度的直接測量和顯示。檢測過程屬于非接觸式檢測，對路面不產(chǎn)生破壞。該檢測儀已配套使用在陜西建設機械股份有限公司生產(chǎn)的各攤鋪機上，經(jīng)在各攤鋪機上安裝使用，用戶反映該檢測設備操作簡單方便，成本低，測試效率高，測量數(shù)據(jù)準確，能夠實現(xiàn)對攤鋪厚度的實時檢測，以便于隨時調(diào)整攤鋪厚度，從而保證攤鋪路面的平順指數(shù)，提高了路面的施工質(zhì)量，另一方面也可以杜絕瀝青路面施工中的偷工減料行為，對降低工程造價，延長道路使用壽命具有很好的作用。

隨著公路交通事業(yè)的高速發(fā)展，不可避免地會對生態(tài)環(huán)境的保護形成一定的沖擊，尋求低碳、節(jié)能、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展公路[20]，將是以后在發(fā)展公路交通事業(yè)、提高路面施工質(zhì)量的同時，應該持續(xù)關注的一個問題。

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