道路工程铺面层间稳定测试用双向精控动态力学加载系统的制作方法

本发明涉及道路工程技术领域，具体为道路工程铺面层间稳定测试用双向精控动态力学加载系统。

背景技术：

在道路工程领域，材料是构成路面结构的基础。材料的力学参数的确定是路面结构力学分析与设计中所必需的，在进行力学试验时，材料的变形测试不仅与测试荷载的大小有关，而且随加载速度、加载方式和测试环境的变化，材料表现出不同的特性，研究表明，基于力学分析的路面结构设计离不开材料参数，最理想的目标是材料参数与力学分析理论的结合能够计算出与路面实际受力状态相同或足够相近的力学响应。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供道路工程铺面层间稳定测试用双向精控动态力学加载系统，具备操作及运行性能稳定、可靠性高的精控动态力学测试系统，为路面材料数的精确测量、层间稳定数据的获取提供有力硬件支持，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：道路工程铺面层间稳定测试用双向精控动态力学加载系统，包括主控单片机、AD采集系统、位移采集系统、电机控制系统、触屏终端和电脑客户端，主控单片机通过主从式通讯串口分别与AD采集系统、位移采集系统、电机控制系统、触屏终端、电脑客户端电性连接；AD采集系统由AD采集子单片机、AD转换板和两个拉力传感器组成，两个拉力传感器的接线端子与AD转换板的输入端电性连接，AD转换板的输出端与AD采集子单片机的引脚端电性连接；位移采集系统由位移采集子单片机和位移传感器组成，位移传感器的接线端子与位移采集子单片机的接线端子电性连接；电机控制系统由电机驱动子单片机、电机驱动板和两个减速电机组成，两个减速电机分别与电机驱动板的输出端电性连接，电机驱动板的输入端与电机驱动子单片机的输出端电性连接；主控单片机的引脚端还与单片机系统软件的通讯接口相连接，单片机系统软件采用C语言编写程序，其主程序由标定流程和正常显示流程组成，具体设计思想如下：

S1：标定流程分为用户登录流程、标定点设定流程、电机控制流程、AD设定流程和参数存储流程，其具体分为以下步骤：

S1.1：用户通过登录流程输入用户名和密码进入标定主程序；

S1.2：设定标定点个数和每个标定点的物理值及AD值，并控制电机上下左右移动；

S1.3：通过参数存储流程将所有数据信息存储至EEPROM；

S2：正常显示流程包括初始参数读取流程、AD采集流程、位置数据采集流程、数据运算流程、电机驱动流程和触摸屏显示流程，其具体分为以下步骤：

S2.1：主控单片机先读取内部EEPROM的存储数据，并通过串口轮询各子板的采集值；

S2.2：采集实时的AD值、距离值等实时数据；

S2.3：对实时数据刷新缓存，经数据运算流程运算后，将最终显示值送往触摸屏显示流程；

S2.4：根据数据状态控制电机工作与否。

优选的，主控单片机还通过主从式通讯串口电性连接有四个限位开关，限位开关用于实时保护位移传感器的工作位置。

优选的，AD采集子单片机采用24位ADS1256高精度AD转换芯片，并配合两个拉力传感器用于单板的高精度AD采集。

优选的，位移采集系统以分辨率为1um的光栅尺为核心部件，用于1um的高精度位置测量。

优选的，触屏终端采用MCGS编程语言编写，其内部集成有MCGS嵌入式触摸系统。

优选的，针对S2中的AD采集流程分为ADS1256初始化流程、A/D转换流程、A/D数据更新流程和串口数据扫描流程，主要用于采集拉力传感器的弹性形变量，并把该量数值化。

优选的，针对S2中的位置数据采集流程分为PCA初始化流程、脉冲采集流程、脉冲数据更新流程和串口数据扫描流程，主要用于采集位移传感器的脉冲数。

优选的，针对S2中的触摸屏显示流程与单片机系统软件中的标定流程和正常显示流程相对应，用于参数的初始化输入，实现人机交互功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本道路工程铺面层间稳定测试用双向精控动态力学加载系统，通过智能控制、电机驱动、可提供二维（水平、竖直）动态力学加载、实时数据采集、显示、处理及存储的独立力学加载系统，其独立的竖向、横向二维加载控制系统，实现了路面材料动态力学性能及结构层间稳定性能的高精度测试，对于道路铺装技术的安全性具有重要意义；其对试件双向精控动态力学加载试验所取得的数据及分析对于道路施工单位企业在其生产研发过程中改进沥青、混凝土及添加剂用量及级配上具有重要的指导意义；可以为材料参数提供更真实可靠动态性能参数（荷载、位移），为道路工程的发展提供更好的基础服务。

附图说明

图1为本发明的系统流程图；

图2为本发明AD采集系统流程图；

图3为本发明电机控制系统流程图；

图4为本发明位移采集系统流程图；

图5为本发明位单片机系统软件流程图；

图6为本发明AD采集流程框图；

图7为本发明位置数据采集流程框图；

图8为本发明触摸屏显示流程框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行亲楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：道路工程铺面层间稳定测试用双向精控动态力学加载系统，包括主控单片机、AD采集系统、位移采集系统、电机控制系统、触屏终端和电脑客户端，主控单片机通过主从式通讯串口分别与AD采集系统、位移采集系统、电机控制系统、触屏终端、电脑客户端电性连接；主控单片机还通过主从式通讯串口电性连接有四个限位开关，限位开关用于实时保护位移传感器的工作位置，正常工作时能根据预设参数全自动完成压力实时调整，拉力线性增大，力值雪崩自动停止工作，数值自动实时存储等复杂的工作；AD采集系统由AD采集子单片机、AD转换板和两个拉力传感器组成，两个拉力传感器的接线端子与AD转换板的输入端电性连接，AD转换板的输出端与AD采集子单片机的引脚端电性连接，AD采集子单片机采用24位ADS1256高精度AD转换芯片，并配合两个拉力传感器用于单板的高精度AD采集；位移采集系统由位移采集子单片机和位移传感器组成，位移传感器的接线端子与位移采集子单片机的接线端子电性连接，位移采集系统以分辨率为1um的光栅尺为核心部件，用于1um的高精度位置测量；电机控制系统由电机驱动子单片机、电机驱动板和两个减速电机组成，两个减速电机分别与电机驱动板的输出端电性连接，电机驱动板的输入端与电机驱动子单片机的输出端电性连接；电机驱动部分能实现1-255级的PWM速度控制，为了提高可视化和可操作性，系统采用MCGS显示屏作为显示终端，实时监测数据变化并存储数据，也可手动操作完成电机的正反转操作，便于标定模式下灵活操作；为了提高系统的灵活性，系统集成MCGS嵌入式触摸系统，能完成包括系统标定在内的所有脱机操作，真正实现了嵌入式智能化开发；主控单片机的引脚端还与单片机系统软件的通讯接口相连接，单片机系统软件采用C语言编写程序，其主程序由标定流程和正常显示流程组成，具体设计思想如下：

S1：标定流程分为用户登录流程、标定点设定流程、电机控制流程、AD设定流程和参数存储流程，其具体分为以下步骤：

S1.1：用户通过登录流程输入用户名和密码进入标定主程序；

S1.2：设定标定点个数和每个标定点的物理值及AD值，并控制电机上下左右移动；

S1.3：通过参数存储流程将所有数据信息存储至EEPROM；整个设定界面在触摸屏终端上完成，通过串口方式与主单片机之间通讯；触摸屏参数录入类似于安卓系统手机操作，可以通过弹出的输入框直接输入，操作简单直观；标点个数、标定点的物理值由用户直接输入并暂存在屏幕缓存中，标定点的AD值则通过串口访问主单片机实时更新最新参数，并暂存入触摸屏系统缓存；设定完成后，触摸屏系统通过串口将缓存中的参数一一发送给主单片机，主单片机将数据存入EEPROM中以备以后读取使用。

S2：正常显示流程包括初始参数读取流程、AD采集流程、位置数据采集流程、数据运算流程、电机驱动流程和触摸屏显示流程，正常显示流程提供给用户正常使用该设备，用于设定常用参数数据、显示设备的实时力值、以及实时位置等数据；正常显示时，主单片机通过实时采集各子单片机AD值，距离值等参数，根据读取的EEPROM中的标定数据计算出显示值，并送往触摸屏显示，显示数据每0.1秒刷新一次，保证数据的实时性，并自动记录实时数据；自动工作时，当试块被拉断的瞬间，力值雪崩，设备自动侦测并停止所有工作；其具体分为以下步骤：

S2.1：主控单片机先读取内部EEPROM的存储数据，并通过串口轮询各子板的采集值；

S2.2：采集实时的AD值、距离值等实时数据；

S2.3：对实时数据刷新缓存，经数据运算流程运算后，将最终显示值送往触摸屏显示流程；

S2.4：根据数据状态控制电机工作与否。

针对S2中的AD采集流程分为ADS1256初始化流程、A/D转换流程、A/D数据更新流程和串口数据扫描流程，主要用于采集拉力传感器的弹性形变量，并把该量数值化；ADS1256初始化流程是ADS1256芯片的程序初始化过程，主要完成芯片A/D转换精度、转换频率、零点漂移等基本参数的设置，A/D转换流程是ADS1256的主要流程，用于完成压力传感器弹性形变量的数值化转换，A/D数据更新流程用于将转换后的新鲜数据刷新缓存，串口数据扫描流程实时侦测来自主单片机的查询信息，并做出应答，将新鲜数据传送给主单片机。

针对S2中的位置数据采集流程分为PCA初始化流程、脉冲采集流程、脉冲数据更新流程和串口数据扫描流程，主要用于采集位移传感器的脉冲数，PCA初始化流程是单片机内部PCA程序功能初始化过程，主要完成PCA捕获/比较器的寄存器参数设置和工作模式设定，脉冲采集流程通过中断方式捕捉旋转编码器的上升沿和下降沿脉冲数，通过此脉冲数精确计算出位移数值，脉冲数据更新流程用于将采集的实时新鲜角度数据刷新缓存，串口数据扫描流程实时侦测来自主单片机的查询信息，并做出应答，将新鲜数据传送给主单片机。

针对S2中的触摸屏显示流程与单片机系统软件中的标定流程和正常显示流程相对应，用于参数的初始化输入，实现人机交互功能；按照不同功能分为：用户登录流程、标定点个数设定流程、AD设定流程、参数发送流程；这4个流程与主单片机标定程序的流程一一对应，在标定过程中，用户首先通过登录流程输入用户名和密码进入标定主程序，在触摸屏端提供人机交互界面，供用户信息输入，脉冲数设定流程中设定旋转编码器脉冲数是在触摸屏界面通过文本框输入原始脉冲数据，设定标定点个数和每个标定点的物理值也是通过人机交互文本框手工输入，AD值数据则是通过触摸屏与主单片机通讯实时采集更新的，最后触摸屏与主单片机通讯，发送所有数据信息到主单片机，主单片机存储到EEPROM；整个设定界面在触摸屏终端上完成，通过串口方式与主单片机之间通讯；在正常流程主要用于接收主单片机发送过来的数显数据，实时显示各传感器瞬时力值和位置值，显示流程是设备最主要的流程，主单片机和触摸屏绝大部分时间工作在此流程，该流程包括4个子流程，初始参数读取流程、数据接收流程、数据处理流程、数据更新流程；正常工作时，主单片机先读取内部EEPROM的存储数据，然后通过串口轮询各子板的采集值，采集到实时的AD值、位置值等实时数据，并用这些新鲜的数据刷新数据缓存，经特定算法运算后，将最终显示值送往触摸屏终端显示；触摸屏在主单片机工作期间一直循环查询主单片机的下发数据，并将新鲜数据显示出来。

综上所述：本道路工程铺面层间稳定测试用双向精控动态力学加载系统，通过智能控制、电机驱动、可提供二维（水平、竖直）动态力学加载、实时数据采集、显示、处理及存储的独立力学加载系统，其独立的竖向、横向二维加载控制系统，实现了路面材料动态力学性能及结构层间稳定性能的高精度测试，对于道路铺装技术的安全性具有重要意义；其对试件双向精控动态力学加载试验所取得的数据及分析对于道路施工单位企业在其生产研发过程中改进沥青、混凝土及添加剂用量及级配上具有重要的指导意义；可以为材料参数提供更真实可靠动态性能参数（荷载、位移），为道路工程的发展提供更好的基础服务。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。