打樁船自動測量系統(tǒng)中聲音控制計數(shù)器的設(shè)計

1 引言
    在自動化技術(shù)高速發(fā)展與微處理器廣泛應(yīng)用的今天，傳感器技術(shù)也越來越被重視。各傳感器產(chǎn)品相繼出現(xiàn)，并應(yīng)用到各種控制領(lǐng)域及測量系統(tǒng)以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作。隨著我國海洋資源不斷開發(fā)及水上交通的飛速發(fā)展，近幾年來我國沿海各大城市都在大力發(fā)展港口的建設(shè)，各類傳感設(shè)備打破傳統(tǒng)的人工測量方法，在海上施工船舶的測量系統(tǒng)中也發(fā)揮著巨大的作用，例如一個船舶打樁自動測量系統(tǒng)中就集成了高精度GPS接收機、傾斜儀、激光測距儀、聲控計數(shù)系統(tǒng)等以采集打樁過程中各類數(shù)據(jù)，并對船舶姿態(tài)等進(jìn)行實時矯正，以控制打樁精度，大大提高了施工質(zhì)量與工作效率。
    本文的聲音控制計數(shù)器是該系統(tǒng)的一個組成部分，主要用來記錄打一根樁時氣錘打樁的次數(shù)，解決了以往人工記錄費時費力、準(zhǔn)確度不高的缺點，并可自動輸送到計算機數(shù)據(jù)庫軟件進(jìn)行記錄。

2 工作原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2．1 工作原理
    聲音控制計數(shù)系統(tǒng)是通過駐極體電容傳聲器拾取打樁船氣錘敲擊樁柱時所發(fā)出的聲音，并經(jīng)放大濾波等處理消除掉船上發(fā)動機轉(zhuǎn)動聲、工人工作時敲擊聲等雜聲后，經(jīng)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號后送入單片機進(jìn)行數(shù)字處理，根據(jù)敲擊的規(guī)律及波形分析再次排除各類干擾，進(jìn)行準(zhǔn)確記錄后通過串口輸送給上位機數(shù)據(jù)庫軟件進(jìn)行記錄。
2．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    聲音控制計數(shù)系統(tǒng)主要包括拾音頭、前置放大、濾波中放、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換、微處理器等五個部分，其系統(tǒng)框圖如圖l所示。

3 模擬部分設(shè)計
3．1 前置放大
    前置放大處理原理見圖2。模擬電路具有可靠性高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，一旦電路參數(shù)確定，其性能也就確定下來。由于船上設(shè)備諸多，各種設(shè)備運轉(zhuǎn)時的噪聲覆蓋范圍大，有發(fā)動機轉(zhuǎn)動時的轟鳴聲，也有金屬相互撞擊的高頻聲，還有海浪撞擊船體的低頻聲，因此在如此復(fù)雜的環(huán)境中拾取打樁聲要經(jīng)過多次處理。由于拾音頭靈敏度較低，為提高接收靈敏度，把傳聲器接成惠登斯橋的一臂，并經(jīng)隔直電容隔直后送至反相放大器的反向端，而電橋的另一結(jié)點接放大器同相端。在實際應(yīng)用過程中，環(huán)境噪聲會有相應(yīng)的變化，且鋼樁與水泥樁的音質(zhì)及頻率不一樣，前置放大器可手動調(diào)整增益以達(dá)到最佳效果。其原理如圖2。

3．2 模一數(shù)接口
    模擬—數(shù)字接口處理原理如圖3所示。聲音信號經(jīng)前置放大后再送入濾波與第二級放大、檢波等處理環(huán)節(jié)變成比較干凈、幅度可識別的模擬信號。為送入單片機做進(jìn)一步的糾錯處理及作相應(yīng)的控制處理，需要對輸出的模擬信號進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。這里分成兩路進(jìn)行處理，其中一路進(jìn)行緩沖驅(qū)動后送入單片機A／D采樣接口進(jìn)行波形采樣；另一路送入單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)行去抖處理以防止噪聲引起的脈沖輸出而被誤計數(shù)。

4 控制部分設(shè)計
    為了對打樁聲進(jìn)行計數(shù)，并將該數(shù)據(jù)上傳到上位機數(shù)據(jù)庫管理軟件記錄下來，本計數(shù)器選擇了STl2C2052AD單片機作為系統(tǒng)控制器，這是一款具有A／D轉(zhuǎn)換接口、外部中斷請求輸入、增強型異步串口的8051型單片機，它具有體積小，價格低廉的優(yōu)點，同時資源非常適合本系統(tǒng)的應(yīng)用。
    計數(shù)控制流程如圖4所示。模擬信號經(jīng)過模數(shù)接口的處理，第一路經(jīng)過線性緩沖器驅(qū)動后送入單片機A／D采樣接口對聲音波形進(jìn)行采樣以記錄波形的特性。由于打樁聲經(jīng)過模擬電路的處理后強度要比別的雜聲大，而且其持續(xù)時間要相對較長，因此可以根據(jù)這一特性對波形進(jìn)行自適應(yīng)識別。但是船上作業(yè)中會有臨時的金屬撞擊聲打破這種特性，因此單獨的波形識別是不能保證計數(shù)的高可靠性的。因此這里設(shè)計了兩路輸入，另一路經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)去抖濾波后轉(zhuǎn)換成數(shù)字計數(shù)脈沖輸入單片機中斷輸入請求端進(jìn)行計數(shù)中斷請求。由于打樁時打樁聲在時間上具有一定的周期性，打擊間隔有規(guī)律，因此在處理器內(nèi)部啟動定時器對打樁周期進(jìn)行記錄，從周期上來識別聲音的真假。這兩路輸入單獨處理都存在其局限性，但如果將兩路結(jié)合起來，其中一路對波形特性進(jìn)行識別，另一路對周期進(jìn)行識別，相輔相成，大大提高了計數(shù)的準(zhǔn)確率。

5 結(jié)語
    聲音控制、聲音傳感等技術(shù)發(fā)展到今天已有廣泛的應(yīng)用，但隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各領(lǐng)域自動化程度的提高，要求也在提高。在實際應(yīng)用中，可控制性、實現(xiàn)的高精度、高可靠性更成為當(dāng)今的焦點，為了提高系統(tǒng)集成度，往往需要通用的接口與微機相連。本設(shè)計根據(jù)實際環(huán)境的特性，以模擬電路處理與數(shù)字電路處理及微機控制相結(jié)合，綜合三者的優(yōu)點，互補三者的缺點，并根據(jù)實際環(huán)境、樁的不同，手動調(diào)節(jié)固定參數(shù)，大大地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確度。經(jīng)過實際應(yīng)用，該計數(shù)系統(tǒng)準(zhǔn)確度達(dá)到98％以上，且非常便于打樁系統(tǒng)的集成，是船舶打樁系統(tǒng)自動化控制與測量系統(tǒng)中的重要組成部分。