CN104330072B - 一种基于rs-485通讯的连续测量分层沉降传感器 - Google Patents

一种基于rs-485通讯的连续测量分层沉降传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于RS‑485通讯的连续测量分层沉降传感器，包括管壳、上堵头、下堵头、吊环、测量电路板及通讯电路板，在管壳的上端及下端分别封装上堵头及下堵头，在上堵头的顶面及下堵头的底面分别径向对称固装一对竖向吊环，在管壳内安装有通讯电路板和测量电路板，在测量电路板上布均匀间隔的磁感应器件，在通讯电路板上连接RS485通讯线，该RS485通讯线从上堵头穿出。本传感器是一种基于MCU、RS485通讯、并入串出移位寄存器芯片、磁感应器件阵列的沉降测量设备，通过与无线远程数据传输系统配合使用，可以直接读出各个土层的沉降量，自动化程度高、省时省力。

Description

一种基于RS-485通讯的连续测量分层沉降传感器
技术领域
本发明属于岩土测量领域，涉及岩土的分层沉降测量设备，尤其是一种基于RS-485通讯的连续测量分层沉降传感器。
背景技术
分层沉降测量是测量不同深度岩土在一定加固作业期间沉降量变化量的测量方法，如图16所示，14为PVC导向管、10为各个土层放置的磁环、该示意图将测量土层分为5层，15为测试米尺，米尺上有刻度其尾端装有探测头16，操作人员每天要到现场把米尺下放到各个磁环处测量磁环距离管口的位置，记录各个磁环相对于管口的距离，推算出各个土层埋入的磁环相对管口沉降的距离，从而计算出各个土层的沉降量。使用的这种测量方法耗费大量的人力、物力，同时人为操作会造成数据的不可靠性。现场状况如水深状况不明、冬季结浮冰，易造成工作人员意外伤害等诸多问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于RS-485通讯的连续测量分层沉降传感器，该传感器配合无线远程数据传输系统使用，远程可以直接读出各个土层的沉降量。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种基于RS-485通讯的连续测量分层沉降传感器，包括管壳、上堵头、下堵头、吊环、测量电路板及通讯电路板，在管壳的上端及下端分别封装上堵头及下堵头，在上堵头的顶面及下堵头的底面分别径向对称固装一对吊环，在管壳内安装有通讯电路板和测量电路板，在测量电路板上布有均匀间隔的磁感应器件，在通讯电路板上连接RS485通讯线，该RS485通讯线从上堵头穿出。
而且，所述的磁感应器件为干簧管或霍尔芯片。
而且，所述的通讯电路板包括P1接口、P2接口、RS485通讯芯片、微控制器MCU、规格设置拨码开关K1及测量精度设置拨码开关K2，P1接口接入主机电源及RS485通讯线，P2接口为通讯电路板与测量电路板的接口主机电源及RS485通讯线与P1连接后分别与MCU的输入/输出口线及RS485通讯芯片连接，规格设置拨码开关K1及测量精度设置拨码开关K2的输出端分别通过上拉电阻与MCU连接,MCU还分别与RS485通讯芯片及P2接口输入/输出连接，该通讯电路板读取感应到磁环的磁感应器件在测量电路板上的序号，并把该序号通过RS485通讯线发送到接收主机上。
而且，所述的测量电路板由多个测量电路板单元拼接而成，每个测量电路板单元包括P1接口、P2接口、并入串出移位寄存器芯片74HC165及磁感应器件，测量电路板单元的P1接口与其上级测量电路板单元的P2接口或与通讯电路板的P2接口对接，测量电路板单元的P2接口与其下级测量电路板单元的P1接口对接，所述并入串出移位寄存器芯片74HC165为多片级联，每片并入串出移位寄存器芯片74HC165均通过上拉电阻与多个磁感应器件连接。
而且，所述测量电路板单元包括6个并入串出移位寄存器芯片74HC165，每个并入串出移位寄存器芯片74HC165连接8个磁感应器件。
而且，所述的霍尔芯片在测量电路板上的排布包括两种方式，分别为一层均匀间隔排布或多层均匀间隔错位排布。
而且，所述的干簧管在测量电路板上的排布包括三种方式，分别为均匀间隔水平排布、均匀间隔垂直排布及均匀间隔倾斜错位排布。
而且，所述的管壳采用铝材质氧化的管材。
一种基于RS-485通讯的连续测量分层沉降传感器的测量系统，包括导向管、分层沉降传感器、钢丝及固定堵头，该导向管的底部敞开，顶部通过一固定堵头密封，在导向管内至上而下同轴间隔串联多个分层沉降传感器，在上下相邻的两传感器的吊环上连接钢丝，在最下端传感器的底部吊环上通过钢丝连接一个或多个牵拉重物，最上端传感器通过顶部吊环与固定堵头间钢丝连接，而且，每一传感器的485通讯线均从导向管顶部固定堵头的通孔内穿出，与地面的数据采集传送系统连接。
本发明的优点和积极效果是：
1、本传感器是一种基于MCU、RS485通讯、并入串出移位寄存器芯片、磁感应器件阵列的沉降测量设备，通过与无线远程数据传输系统配合使用，可以直接读出各个土层的沉降量，自动化程度高、省时省力。
2、本传感器使用霍尔芯片作为磁感应器件，是利用霍尔芯片精度及灵敏度高、容易加工、性能稳定、一致性好的特点，将其用于传感器内不仅提高了传感器的精度及灵敏度而且延长了传感器的使用寿命，使传感器的检修率降低，维护成本降低，适合在地质环境恶劣的环境长期使用。
3、本传感器的结构设计科学合理，可以根据土层的厚度制定传感器的级联数量，传感器间通过钢丝软连接，组装、拆卸方便快捷，适应不同地质状况的岩土测量，应用范围广。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为图1的右视图；
图3为图1的中轴剖视图；
图4为通讯电路板的电路连接图；
图5为测量电路板单元的电路连接图(霍尔芯片)；
图6为霍尔芯片的检测单元电路图；
图7为霍尔芯片在测量电路板上的排布示意图(测量精度为0.5cm-1cm)；
图8为霍尔芯片在测量电路板上的排布示意图(测量精度为0.25cm)；
图9为霍尔芯片在测量电路板上的排布示意图(测量精度为0.1cm)；
图10为测量电路板单元的电路连接图(干簧管)；
图11为干簧管的检测单元电路图；
图12为干簧管在测量电路板上的水平排布示意图；
图13为干簧管在测量电路板上的垂直排布示意图；
图14为干簧管在测量电路板上的错位排布示意图；
图15为本分层沉降传感器的安装结构示意图；
图16为反映本发明背景技术的示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
实施例1
一种基于RS-485通讯的连续测量分层沉降传感器，包括管壳4、上堵头3、下堵头5、吊环2、测量电路板6及通讯电路板5，在管壳的上端及下端分别封装上堵头及下堵头，在上堵头的顶面及下堵头的底面分别径向对称固装一对吊环，在管壳内安装有通讯电路板和测量电路板，在测量电路板上均布间隔连接霍尔芯片7，在通讯电路板上连接RS485通讯线1，该RS485通讯线从上堵头穿出。
所述的通讯电路板包括P1接口、P2接口、RS485通讯芯片、微控制器MCU、规格设置拨码开关K1及测量精度设置拨码开关K2，P1接口接入主机电源及RS485通讯线T+、T-，P2接口为通讯电路板与测量电路板的接口且与MCU输入/输出连接，稳压器HT7550提供整个传感器的5V电源，其输入端与P1连接、输出端分别与MCU及RS485通讯芯片DS75176连接，RS485通讯芯片DS75176负责RS485通讯，其分别与P1接口及MCU输入/输出连接，MCU为微控制器负责通讯数据接收和传感器数据获取及发送，规格设置拨码开关K1及测量精度设置拨码开关K2的输出端分别通过上拉电阻与MCU连接，通过K1设置本传感器的长度规格，该长度规格共有四档可选，分别为：0.5米、1米、1.5米、2米。通过K2可以设置本传感器的测量精度，该精度也有四档可选，分别为0.1cm、0.25cm、0.5cm、1cm。该通讯电路板的功能是读取感应到磁环的霍尔芯片在测量电路板上的序号，并把该序号通过RS485发送到接收主机上。该通讯电路板的电路连接如图4所示。
所述的测量电路板由多个测量电路板单元拼接而成，每个测量电路板单元均包括P1接口、P2接口、并入串出移位寄存器芯片74HC165及霍尔芯片，测量电路板单元的P1接口与其上级测量电路板单元的P2接口或与通讯电路板的P2接口对接，测量电路板单元的P2接口与其下级测量电路板单元的P1接口对接，所述并入串出移位寄存器芯片74HC165为多片级联，每片74HC165均通过上拉电阻与多个霍尔芯片连接。MCU发送读取使能、时钟信号，通过74HC165的输入输出口线读取74HC165的Q1---Q8的电平信号，霍尔芯片通过上拉电阻接到各个级联74HC165的Q1---Q8口线上。
为了适应不同规格的分层沉降传感器，测量电路板单元统一设计为包括6个并入串出移位寄存器芯片74HC165，每个74HC165连接8个霍尔芯片，既每个测量电路板单元可以测量48位霍尔芯片。如果测量精度为5mm，那么该测量电路板单元的长度为257mm。不同长度规格的分层沉降传感器需要不同数量的测量电路板单元来拼接。如图5所示的测量电路板单元，P1为上接接口，P2为下接接口，根据不同长度规格长度的传感器进行拼接。
图6为霍尔芯片检测的单元电路，当霍尔芯片感应到磁环磁力时，Signal为信号0；当霍尔芯片感应不到磁环磁力时，Signal为信号1。
所述的霍尔芯片在测量电路板上的排布包括两种方式，分别为一层均匀间隔排布或多层均匀间隔错位排布。霍尔芯片在测量电路板上的排布方式不同，测量精度也不同，如图7的排布方式，测量精度为0.5cm-1cm；如图8的排布方式，测量精度为0.25cm；如图9的排布方式，测量精度为0.1cm。
以测量精度为5mm为例，当磁环向下移动5mm，传感器mcu读取的数据增加1，当磁环向下移动20mm，传感器mcu读取的数据增加4。
所述的管壳采用铝材质氧化的管材，其内径为32mm，外径为45mm，按测量传感器长度规格截取。管材两侧加工螺纹，管材加工成型后，再经过表面氧化处理，测量电路板及通讯电路板封装在该管壳内。
所述的上堵头及下堵头起到密封传感器电路板和管壳、及支撑信号线及固定牵拉钢丝用。
实施例2
与实施例1不同的是，用干簧管8代替霍尔芯片，在测量电路板上均布间隔连接干簧管，连接干簧管的测量电路板单元的电路连接如图10所示，干簧管的检测单元电路如图11所示，当干簧管感应到磁环磁力时，Signal为信号0；当干簧管感应不到磁环磁力时，Signal为信号1。
干簧管在测量电路板上的排布包括三种方式，分别为均匀间隔水平排布、均匀间隔垂直排布及均匀间隔倾斜错位排布。水平排布如图12所示，测量精度为5mm；垂直排布如图13所示，测量精度为5mm；错位排布如图14所示，测量精度为2mm。
本分层沉降传感器的工作原理为：
本分层沉降传感器通过检测磁环位置计算土层沉降量。当磁感应器件(干簧管或霍尔芯片)感应到磁力时，输出为0，通讯电路板MCU读取测量电路板的串行数据，计算出当前磁环位置，通过485通讯线将测量数据发送至数据采集传送系统。
本分层沉降传感器使用7-12V供电电压，通过HT7550将电压转换为5V，用于DS75176、MCU及传感器采集电路供电。可通过规格设置拨码开关设置规格，即：0.5米、1米、1.5米、2米。可通过拨码开关K1设置测量精度，即：0.1cm、0.25cm、0.5cm、1cm。
以测量精度为5mm为例，当磁环向下移动5mm，传感器mcu读取的数据增加1，当磁环向下移动20mm，传感器mcu读取的数据增加4。
本分层沉降传感器的安装方式为：
在对应各个土层安装的磁环10内同轴插入一导向管11，该导向管的底部敞开，顶部通过一固定堵头9密封，在导向管内至上而下同轴间隔串联多个分层沉降传感器，在上下相邻的两传感器的吊环上连接钢丝12，在最下端传感器的底部吊环上通过钢丝连接一个或多个牵拉重物13，最上端传感器通过顶部吊环与固定堵头间钢丝连接，而且，每一传感器的485通讯线均从导向管顶部固定堵头的通孔内穿出，与地面的数据采集传送系统连接，如图15所示。
牵拉重物使级联安装的各个传感器处于垂直拉紧状态，在牵拉重物的两端均安装有吊环。
本发明还提供一种基于RS-485通讯的连续测量分层沉降传感器的测量系统，该系统包括导向管、分层沉降传感器、钢丝及固定堵头，该导向管的底部敞开，顶部通过一固定堵头密封，在导向管内至上而下同轴间隔串联多个分层沉降传感器，在上下相邻的两传感器的吊环上连接钢丝，在最下端传感器的底部吊环上通过钢丝连接一个或多个牵拉重物，最上端传感器通过顶部吊环与固定堵头间钢丝连接，而且，每一传感器的485通讯线均从导向管顶部固定堵头的通孔内穿出，与地面的数据采集传送系统连接。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于RS-485通讯的连续测量分层沉降传感器，其特征在于：包括管壳、上堵头、下堵头、吊环、测量电路板及通讯电路板，在管壳的上端及下端分别封装上堵头及下堵头，在上堵头的顶面及下堵头的底面分别径向对称固装一对吊环，在管壳内安装有通讯电路板和测量电路板，在测量电路板上布有均匀间隔的磁感应器件，在通讯电路板上连接RS-485通讯线，该RS-485通讯线从上堵头穿出。
2.根据权利要求1所述的基于RS-485通讯的连续测量分层沉降传感器，其特征在于：所述的磁感应器件为霍尔芯片。
3.根据权利要求1所述的基于RS-485通讯的连续测量分层沉降传感器，其特征在于：所述的通讯电路板包括P1接口、P2接口、RS-485通讯芯片、MCU、规格设置拨码开关K1及测量精度设置拨码开关K2，P1接口接入主机电源及RS-485通讯线，P2接口为通讯电路板与测量电路板的接口，主机电源及RS-485通讯线与P1连接后分别与MCU的输入/输出口线及RS-485通讯芯片连接，规格设置拨码开关K1及测量精度设置拨码开关K2的输出端分别通过上拉电阻与MCU连接，MCU还分别与RS-485通讯芯片及P2接口输入/输出连接，该通讯电路板读取感应到磁环的磁感应器件在测量电路板上的序号，并把该序号通过RS-485通讯线发送到接收主机上。
4.根据权利要求3所述的基于RS-485通讯的连续测量分层沉降传感器，其特征在于：所述的测量电路板由多个测量电路板单元拼接而成，每个测量电路板单元包括P1接口、P2接口、并入串出移位寄存器芯片74HC165及磁感应器件，测量电路板单元的P1接口与其上级测量电路板单元的P2接口或与通讯电路板的P2接口对接，测量电路板单元的P2接口与其下级测量电路板单元的P1接口对接，所述并入串出移位寄存器芯片74HC165为多片级联，每片并入串出移位寄存器芯片74HC165均通过上拉电阻与多个磁感应器件连接。
5.根据权利要求4所述的基于RS-485通讯的连续测量分层沉降传感器，其特征在于：所述测量电路板单元包括6个并入串出移位寄存器芯片74HC165，每个并入串出移位寄存器芯片74HC165连接8个磁感应器件。
6.根据权利要求2所述的基于RS-485通讯的连续测量分层沉降传感器，其特征在于：所述的霍尔芯片在测量电路板上的排布包括两种方式，分别为一层均匀间隔排布或多层均匀间隔错位排布。
7.根据权利要求1所述的基于RS-485通讯的连续测量分层沉降传感器，其特征在于：所述的管壳采用铝材质氧化的管材。
8.一种根据权利要求1所述的基于RS-485通讯的连续测量分层沉降传感器的测量系统，其特征在于：包括导向管、分层沉降传感器、钢丝及固定堵头，该导向管的底部敞开，顶部通过一固定堵头密封，在导向管内至上而下同轴间隔串联多个分层沉降传感器，在上下相邻的两传感器的吊环上连接钢丝，在最下端传感器的底部吊环上通过钢丝连接一个或多个牵拉重物，最上端传感器通过顶部吊环与固定堵头间钢丝连接，而且，每一传感器的RS-485通讯线均从导向管顶部固定堵头的通孔内穿出，与地面的数据采集传送系统连接。
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