一种基于WIFI的无线振弦应变采集装置的制作方法

本实用新型涉及无线传感器技术领域，尤其涉及一种基于WIFI的无线振弦应变采集装置。

背景技术：

目前在桥梁施工监控过程中测量混凝土的应变、应力大多采用有线传感器，即在监控之前布设有线传感器，通过有线电缆方式传输测量数据。对于大跨度桥梁结构监控，其测点多、测点间距远，采用有线电缆方式显然存在布线费用高、布线困难等问题。因此，在不允许永久性布线的情况下，采用基于WIFI的无线振弦应变传感器进行监控测量更加方便快捷，可提高工作效率，节约监控工作所需各项资源。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种基于WIFI 的无线振弦应变采集装置，应用于桥梁监测，能够有效提高频率测量的高精度和准确性。

为实现以上目的，本实用新型采取如下技术方案：

一种基于WIFI的无线振弦应变采集装置，应用于桥梁监测系统的数据采集，所述桥梁监测系统包括钢弦传感器、WIFI振弦采集装置和上位机采集软件，所述WIFI振弦采集装置包括：控制器、供电模块、高压升压电路、高压开关、信号调理电路、以及WIFI无线模块；所述控制器与供电模块、WIFI无线模块、高压升压电路、以及信号调理电路连接；所述钢弦传感器连接高压开关和信号调理电路；所述供电模块为控制器、信号放大与调理电路、高压升压电路、以及 WIFI无线模块供电；所述供电模块为控制器、信号调理电路、高压升压电路、以及WIFI无线模块提供电源；

所述上位机采集软件通过WIFI路由器将采集频率指令传输到WIFI振弦采集装置的WIFI无线模块，WIFI振弦采集装置通过WIFI无线模块将所述采集频率指令传输至控制器,所述控制器连接高压升压电路，控制器通过输出PWM信号控制高压升压电路产生高压，所述高压升压电路将电压升高到130～180V高压，然后经过高压开关以脉冲高压激励的方式将高压加载到钢弦传感器，加载一定时间后，关断高压开关，钢弦传感器在高压激励下进行振荡,并输出电压信号，所述信号调理电路对电压信号进行调整，所述信号调理电路连接控制器，所述控制器采集调整后的信号并计算频率，然后通过WITI无线模块将频率值传输至上位机采集软件显示。

作为优选的技术方案，所述控制器采用STM32F103ARM7处理器，并设置用于量产时进行功能测试的USART1串口，以及用于连接WIFI无线模块的 USART2串口。

作为优选的技术方案，所述WIFI无线模块采用CSR-C322芯片及其外围电路构成。

作为优选的技术方案，所述高压升压电路包括场效应管Q1、第一二极管D1、第一电感L1、第二电容C2、第三电容C3、第二电阻R2、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第二十九电阻R29、第一比较器、以及驱动芯片；所述场效应管Q1采用IRF7450场效应管；所述驱动芯片采用UCC27324芯片；所述第一比较器采用LM2903D比较器；第一二极管D1必须采用肖特基二极管FR107；所述第二电容C2必须采用耐压值250V以上的电容；

所述驱动芯片的第二引脚通过第六电阻R6接收控制器输出的PWM信号，驱动芯片的第一引脚、第三引脚、第四引脚、以及第八引脚均接地，驱动芯片的第五引脚悬空不使用，第六引脚连VCC电源电压，第七引脚通过第二十九电阻 R29连接到场效应管Q1的栅极；所述场效应管Q1的源极接地；所述场效应管 Q1的漏极分别连接第一电感L1的一端和第一二极管D1的阳极；所述第一电感 L1的另一端连接3.3V电源；所述第二电容C2的正极分别连接第一二极管D1的阴极和第二电阻R2的一端，构成接入高压开关的VCC电压端；所述第二电容C2 的负极和场效应管Q1的源极以及第七电阻R7的一端均接地；所述第七电阻R7 的另一端分别连接第二电阻R2的另一端和第一比较器的第二引脚，所述第一比较器的第三引脚分别连接第三电容C3的一端和第八电阻R8的一端，所述第三电容C3的另一端接地，所述第八电阻R8的另一端接3.3V电源；所述比较器的第一引脚构成高压激励电路的输出端并连接控制器的第十五引脚，第四引脚接地，第八引脚连接3.3V电源。

作为优选的技术方案，所述高压升压电路中，所述第二电阻R2采用10M电阻，第七电阻R7采用200K电阻，调整二者的比值可得到相应的高压，高压 Vh＝R2/R7*1.5V。

作为优选的技术方案，所述高压开关采用高压放电电路，该电路包括第四三极管T4、第五三极管T5、第二二极管D2、第三二极管D3、第五二极管D5、第十一电阻R11、第十三电阻R13、第十五电阻R15、第十八电阻R18、以及第二十电阻R20；所述第四三极管T4采用MPSA92三极管；所述第五三极管T5 采用MPSA42三极管；所述第二二极管D2必须采用肖特基二极管FR107；

所述第二十电阻R20一端连接控制器的第十九引脚，另一端连接第五三极管T5的基极；所述第五三极管T5的发射极接地，集电极通过第十五电阻R15 连接第十一电阻R11的一端和第四三极管T4的基极，所述第十一电阻R11的另一端和第四三极管T4的发射极连接VCC电源，所述第四三极管T4的集电极连接第二二极管D2的阳极，第二二极管D2的阴极分别连接第十八电阻R18的一端、第三二极管D3的阳极以及钢弦传感器，所述第十八电阻R18的另一端接地，所述第三二极管D3的阳极通过第十三电阻R13连接第五二极管D5的阳极和信号调理电路的第十九电阻19的一端，所述第三二极管D3的阴极、第五二极管 D5的阴极、以及第十九电阻19的另一端均接地。

作为优选的技术方案，所述信号调理电路包括第一放大器、第二放大器、第二比较器、第四电容C4、第五电容C5、第九电容C9、第十电容C10、第九电阻R9、第十电阻R10、第十四电阻R14、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十九电阻R19、以及第二十一电阻R21；所述第一放大器、第二放大器采用 LM2904D放大器，所述第二比较器采用LM2903D比较器；

所述第十九电阻R19的一端接地，另一端连接高压放电电路的输出端和第九电容C9的一端，所述第九电容C9的另一端通过第十六电阻R16连接第一放大器的第二引脚、第九电阻R9的一端和第四电容C4的一端，所述第九电阻R9 的另一端连接第四电容C4的另一端和第一放大器的第一引脚，所述第一放大器的第三引脚连接VDD电源电压，第四引脚接地，第八引脚接3.3V电源，所述第一放大器的第一引脚通过第十电容C10连接第十四电阻R14的一端，所述第十四电阻R14的另一端连接第二放大器的第六引脚、第十电阻R10的一端、以及第五电容C5的一端，所述第十电阻R10的另一端连接第五电容C5的另一端和第二放大器的第七引脚，第二放大器的第五引脚连接VDD电源电压，第四引脚接地，第八引脚接3.3V电源，所述第二放大器的第七引脚还连接控制器的第十八引脚，所述控制器的第十八引脚连接第二比较器的第六引脚，所述第二比较器的第五引脚连接第十七电阻R17的一端和第二十一电阻R21的一端，所述第十七电阻R17的另一端连接VDD电源电压；所述第二十一电阻R21的另一端连接第二比较器的第七引脚以构成信号调理电路的输出端，并且连接控制器的第十六引脚；所述第二比较器的第四引脚接地，第八引脚接3.3V电源。

作为优选的技术方案，所述供电模块采用5V锂电池，并采取3组供电：

第一组：由SPX3819-3.3芯片将外部锂电池5V电压降低稳压到3.3V电压供给控制器和信号调理电路；

第二组：由XC6210A332P芯片将外部锂电池5V电压降低稳压到3.3V电压供给WIFI无线模块；

第三组：由TI公司的TPS61040/041芯片将外部锂电池5V电压升压到12V 电压供给场效应管及其驱动电路。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点和效果：

1、本实用新型的装置能够有效提高桥梁结构应变的频率测量精度，并且基于WIFI通信技术，可实现实时监控桥梁结构应变情况。

2、本实用新型的高压升压电路采用场效应管IRF7450作为高压升压电路的开关器件，具有反应迅速、漏电流小、可靠性高的优点，采用UCC27324芯片驱动场效应管IRF7450，负责将微控制器输出的TTL电平驱动信号转换为驱动能力更强的驱动信号，整个高压升压电路响应时间更短、效率更高。

3、本实用新型的信号调理电路所起的主要作用是：放大、滤波、整形，第一、第二放大器LM2904双运放构成两级放大滤波电路，将1KHz频段左右的信号放大数百倍；后级由第二比较器LM2903构成电压比较电路，实现波形整形。

4、本实用新型的高压放电电路用来控制将高压激励加载到钢弦传感器，加载时间(高压激励时间)约30s后，之后再切断高压，本实用新型的高压激励时间是通过大量实际测验获得的。

附图说明

图1为本实施例中WIFI振弦采集装置的原理框图；

图2为本实施例中控制器的电路原理图；

图3为本实施例中WIFI无线模块的电路原理图；

图4为本实施例中高压升压电路原理图；

图5为本实施例中高压开关的电路原理图；

图6为本实施例中钢弦传感器电路原理图；

图7为本实施例中信号调理电路原理图；

图8为本实施例中供电模块中供给控制器和信号调理电路的电路原理图；

图9为本实施例中供电模块中供给WIFI无线模块的电路原理图；

图10为本实施例中供电模块中供给高压升压电路的电路原理图；

图11为本实施例中锂电池电能监控电路原理图；

图12为本实施例中基于WIFI的无线振弦应变采集装置的实现方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例

一种基于WIFI的无线振弦应变采集装置，应用于桥梁监测系统的数据采集，所述桥梁监测系统包括钢弦传感器、WIFI振弦采集装置和上位机采集软件，如图1所示，所述WIFI振弦采集装置包括：控制器、供电模块、高压升压电路、高压开关、信号调理电路、以及WIFI无线模块；所述控制器与供电模块、WIFI 无线模块、高压升压电路、以及信号调理电路连接；所述钢弦传感器连接高压开关和信号调理电路；所述供电模块为控制器、信号放大与调理电路、高压升压电路、以及WIFI无线模块供电；所述供电模块为控制器、信号调理电路、高压升压电路、以及WIFI无线模块提供电源；

所述上位机采集软件通过WIFI路由器将采集频率指令传输到WIFI振弦采集装置的WIFI无线模块，WIFI振弦采集装置通过WIFI无线模块将所述采集频率指令传输至控制器,所述控制器连接高压升压电路，控制器通过输出PWM信号控制高压升压电路产生高压，所述高压升压电路将电压升高到130～180V高压，然后经过高压开关以脉冲高压激励的方式将高压加载到钢弦传感器，加载一定时间后，关断高压开关，钢弦传感器在高压激励下进行振荡,并输出电压信号，所述信号调理电路对电压信号进行调整，所述信号调理电路连接控制器，所述控制器采集调整后的信号并计算频率，然后通过WITI无线模块将频率值传输至上位机采集软件显示。

如图2所示，所述控制器采用STM32F103ARM7处理器，并设置用于量产时进行功能测试的USART1串口，以及用于连接WIFI无线模块的USART2串口。

如图3所示，所述WIFI无线模块采用CSR-C322芯片及其外围电路构成。

如图4所示，所述高压升压电路采用场效应管IRF7450作为高压升压电路的开关器件，具有反应迅速、漏电流小、可靠性高的优点，采用UCC27324芯片驱动场效应管IRF7450，负责将微控制器输出的TTL电平驱动信号转换为驱动能力更强的驱动信号，整个高压升压电路响应时间更短、效率更高。

所述高压升压电路具体包括场效应管Q1、第一二极管D1、第一电感L1、第二电容C2、第三电容C3、第二电阻R2、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻 R8、第二十九电阻R29、第一比较器、以及驱动芯片；所述场效应管Q1采用 IRF7450场效应管；所述驱动芯片采用UCC27324芯片；所述第一比较器采用 LM2903D比较器；第一二极管D1必须采用肖特基二极管FR107，满足高速反应和耐高压要求；所述第二电容C2必须采用耐压值250V以上的电容；在本实施例中，第一电感L1采用330uH/1A电感、第二电容C2采用1uF/250V CCB22电容、第三电容C3采用0.1uF电容、第二电阻R2采用10M电阻、第六电阻R6 采用4.7K电阻、第七电阻R7采用200K电阻、第八电阻R8采用10K电阻、第二十九电阻R29采用4.7K电阻；本实施例中第二电阻R2和第七电阻R7的阻值不能搞错，调整二者的比值可以得到相应的高压，高压Vh＝R2/R7*1.5V；

所述驱动芯片的第二引脚通过第六电阻R6接收控制器输出的PWM信号，驱动芯片的第一引脚、第三引脚、第四引脚、以及第八引脚均接地，驱动芯片的第五引脚悬空不使用，第六引脚连VCC电源电压，第七引脚通过第二十九电阻 R29连接到场效应管Q1的栅极；所述场效应管Q1的源极接地；所述场效应管 Q1的漏极分别连接第一电感L1的一端和第一二极管D1的阳极；所述第一电感 L1的另一端连接3.3V电源；所述第二电容C2的正极分别连接第一二极管D1的阴极和第二电阻R2的一端，构成接入高压开关的VCC电压端；所述第二电容C2 的负极分别连接场效应管Q1的源极和第七电阻R7的一端；所述第七电阻R7的另一端分别连接第二电阻R2的另一端和第一比较器的第二引脚，所述第一比较器的第三引脚分别连接第三电容C3的一端和第八电阻R8的一端，所述第三电容C3的另一端接地，所述第八电阻R8的另一端接3.3V电源；所述比较器的第一引脚构成高压激励电路的输出端并连接控制器的第十五引脚，第四引脚接地，第八引脚连接3.3V电源。

如图5所示，所述高压开关采用高压放电电路，包括第四三极管T4、第五三极管T5、第二二极管D2、第三二极管D3、第五二极管D5、第十一电阻R11、第十三电阻R13、第十五电阻R15、第十八电阻R18、以及第二十电阻R20；所述第四三极管T4采用MPSA92三极管；所述第五三极管T5采用MPSA42三极管；所述第二二极管D2必须采用肖特基二极管FR107；在本实施例中，第十一电阻R11采用1M电阻，第十三电阻R13采用10K电阻，第十五电阻R15采用 4.7K电阻，第十八电阻R18采用100K电阻，以及第二十电阻R20采用4.7K电阻；

所述第二十电阻R20一端连接控制器STM32F103的第十九引脚，另一端连接第五三极管T5的基极；所述第五三极管T5的发射极接地，集电极通过第十五电阻R15连接第十一电阻R11的一端和第四三极管T4的基极，所述第十一电阻R11的另一端和第四三极管T4的发射极连接VCC180电源，所述第四三极管 T4的集电极连接第二二极管D2的阳极，第二二极管D2的阴极分别连接第十八电阻R18的一端和第三二极管D3的阳极，所述第十八电阻R18的另一端接地，所述第三二极管D3的阳极通过第十三电阻R13连接第五二极管D5的阳极和信号调理电路的第十九电阻19的一端，所述第三二极管D3的阴极、第五二极管 D5的阴极、以及第十九电阻19的另一端均接地。本实施例中，图5中的标识符号CH1为钢弦传感器的接入端，如图6所示为钢弦传感器电路，钢弦传感器的另一端接地。

本实施例中，如图5所示，单片机(控制器)通过I/O控制Con1，驱动第四、第五三极管T4/T5构成的开关电路导通和关闭，从而控制高压是否加载到钢弦传感器两端(图6中SENSOR)。值得说明的是，设计上为了消除钢弦传感器自身电感效应产生的感应电动势，图6中采用了第七二极管D7二极管形成放电回路以保护后级的信号调理电路。钢弦传感器在高压激励下进行振荡，其对高压激励的持续时间也有一定要求，如果时间过短，会导致钢弦传感器振荡不稳定，最终测量出来的频率值抖动较大；但高压激励的时间也不是越大越好。本设备设计中，高压激励时间值是通过大量实际测验获得。

如图7所示，所述信号调理电路，包括第一放大器、第二放大器、第二比较器、第四电容C4、第五电容C5、第九电容C9、第十电容C10、第九电阻R9、第十电阻R10、第十四电阻R14、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十九电阻R19、以及第二十一电阻R21；所述第一放大器、第二放大器采用LM2904D 放大器、所述第二比较器LM2903D；在实施例中，第四电容C4采用470pF电容，第五电容C5采用470pF电容，第九电容C9采用47nF电容，第十电容C10采用 47nF电容，第九电阻R9采用200K电阻，第十电阻R10采用200K电阻，第十四电阻R14采用10K电阻，第十六电阻R16采用阻值为0的电阻，第十七电阻R17 采用4.7K电阻，第十九电阻R19采用100K电阻，以及第二十一电阻R21采用 1M电阻；

所述第十九电阻R19的一端接地，另一端连接高压放电电路的输出端和第九电容C9的一端，所述第九电容C9的另一端通过第十六电阻R16连接第一放大器的第二引脚、第九电阻R9的一端和第四电容C4的一端，所述第九电阻R9 的另一端连接第四电容C4的另一端和第一放大器的第一引脚，所述第一放大器的第三引脚连接VDD电源电压，第四引脚接地，第八引脚接3.3V电源，所述第一放大器的第一引脚通过第十电容C10连接第十四电阻R14的一端，所述第十四电阻R14的另一端连接第二放大器的第六引脚、第十电阻R10的一端、以及第五电容C5的一端，所述第十电阻R10的另一端连接第五电容C5的另一端和第二放大器的第七引脚，第二放大器的第五引脚连接VDD电源电压，第四引脚接地，第八引脚接3.3V电源，所述第二放大器的第七引脚还连接第二比较器的第六引脚，所述第二比较器的第五引脚连接第十七电阻R17的一端和第二十一电阻R21的一端，所述第十七电阻R17的另一端连接VDD电源电压；所述第二十一电阻R21的另一端连接第二比较器的第七引脚以构成信号放大和调理电路的输出端，并且连接控制器STM32F103的第十六引脚；所述第二比较器的第四引脚接地，第八引脚接3.3V电源。

在本实施例中，信号调理电路的主要作用：放大、滤波、整形，如图8所示，第一和第二放大器LM2904双运放构成两级放大滤波电路，将1KHz频段左右的信号放大数百倍；后级由第二比较器LM2903构成电压比较电路，实现波形整形。

在本实施例中，第三、第四、第五、第六电容(C3/C4/C5/C6)均需要使用 5％精度贴片电容，第八、第九、第十一、第十五电阻(R8/R9/R11/R12/R15)均需要使用1％精度贴片电阻，以保证生产出来的WIFI振弦采集装置具有较好的一致性。

在本实施例中，所述供电模块采用5V锂电池，并采取3组供电：第一组：由SPX3819-3.3芯片将外部锂电池5V电压降低稳压到3.3V电压供给控制器和信号调理电路，如图8所示；第二组：由XC6210A332P芯片将外部锂电池5V电压降低稳压到3.3V电压供给WIFI无线模块，如图9所示；第三组：由TI公司的TPS61040/041芯片将外部锂电池5V电压升压到12V电压供给场效应管及其驱动电路，如图10所示；本实施例中，采取分组供电既是不同电路单元所需电压不同的必然选择，也是改善整个装置的电源噪声，提高测量精度的重要手段。

本实施例中，当接收到电池电压测量指令时，如图11所示，控制器通过内部ADC功能测量锂电池经过分压后的电压值，控制器STM32F103内置ADC，当分压电路采用1％精度贴片电阻时，整个测量过程完全可满足锂电池精密电压测量的要求，使锂电池电能监控更加精准。

在本实施例中，控制器STM32F103工作在72MHz频率下，其内部计数器基准频率被设置为1MHz，通常被测钢弦传感器频率在1K-2KHz范围内，基准计数频率是被测频率的500-1000倍，足以保证频率测量的高精度和准确性。

如图12所示，本实施例的基于WIFI的无线振弦应变采集装置的实现方法，包括下述步骤：

S1、WIFI振弦采集装置开机时，控制器先将各功能单元设置为初始状态，包括初始化各I/O、USART1串口、USART2串口及ADC等单元；之后检查并读取内部FLASH中存储的16位编码以获取WIFI振弦采集装置的编号以获取WIFI振弦采集装置的ID编号，再将WIFI无线模块设置为STA模式，WIFI无线模块根据内部设定的网络参数，并通过WIFI路由器自动连接上位机采集软件；

S2、WIFI振弦采集装置的WIFI无线模块通过WIFI路由器成功联网后，与上位机采集软件之间采用TCP/IP连接方式，上位机采集软件相当于TCP SERVER， WIFI振弦采集装置相当于TCP Client；成功建立TCP/IP链接后，WIFI无线模块进入串口透明传输模式；当WIFI无线模块接收到上位机采集软件发送的WIFI 指令时，WIFI无线模块将WIFI指令从串口输出给控制器的USART2串口；控制器接收WIFI指令，并根据WIFI振弦采集装置的ID来判断WIFI指令是否发给自己，若是发给自己，则进行下一步，若不是发给自己，则不进行下一步操作，仍处于接收状态；

S3、如果WIFI振弦采集装置接收到的WIFI指令为采集频率数据，则控制器先启动其内部定时器的PWM输出功能，输出10～30KHz频率的PWM信号控制高压激励电路以获得130～180V的脉冲高电压，由第一比较器LM2903对高压进行检测，并给出触发信号反馈给控制器；

S4、当检测到高压达到预设值后，控制器关闭PWM功能，同时通过I/O控制高压开关将高压加载到所述钢弦传感器两端，加载30s后，通过I/O切断高压；钢弦传感器受高压脉冲的激励开始衰减振荡并输出电压信号，其输出电压信号的频率由钢弦传感器应力大小决定；

S5、信号调理电路将钢弦传感器的输出电压信号放大和整形，得到一个频率的方波信号；控制器内置的数个定时器协同工作，采集方波信号并经过计算得到频率值，从而完成数据采集；

S6、最后控制器通过USART2串口将数据发送给WIFI无线模块，所述WIFI 无线模块通过TCP数据包方式将数据发送给上位机数据采集软件；从而实现1 次完整的数据采集和传输。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以权利要求所述为准。