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1、浙江林学院信息工程学院课 程 实习 报 告课程名称： 嵌入式系统及其应用 课程编号： 05031004 题 目： 基于嵌入式系统的病虫害检测组 长： 吴琰文 成 员： 沈丽君 康嘉星 杨寄托 何李指导教师： 胡军国 2010年 7月 10 日目 录13.1实验目的213.2准备知识213.2.1木材无损检测行业概述213.2.2木材无损检测技术的发展313.2.3树木内部缺陷无损检测的方法413.2.4为何选用应力波测量：513.3实验内容613.3.1仪器的选择613.3.2 应力波713.3.3弹性模量813.3.4硬件系统框图913.3.5基本原理与方法1013.3.6硬件模块设计101
2、3.3.6.1模拟信号处理模块1113.3.6.2数字信号处理模块1213.3.6.3电源模块设计1313.3.7软件系统框图1513.3.7.1 单片机软件设计1613.3.8具体操作2213.4实验指导2213.4.1实验结果及其分析2313.4.1.1设备调试2313.4.1.2木材缺陷检测实验2613.4.1.3实验结果对比分析2713.5实验练习3013.6总结3013.7任务分配3113.1实验目的（1）了解木材无损检测行业的某些行情（2）了解嵌入式系统的应用（3）了解应力波检测方法13.2准备知识13.2.1木材无损检测行业概述木材无损检测行业是一个新兴的、综合性的木材非破坏性检
3、测行业，从20世纪50年代开始发展起来，近十几年才得到迅速发展。它的发展得益与人们认识到环境保护的重要性。政府也出台了一系列关于环境保护的法律法规，例如中华人民共和国环境保护法、中华人民共和国森林法等。而且中华人民共和国环境保护法第三章 保护和改善环境第十七条 明确指出“各级人民政府对具有代表性的古树名木，应当采取措施加以保护”。而古树名木的保护自然也离不开木材无损检测技术的不断发展。再加上“国际木材无损检测大会”的推动，更使得木材无损检测行业将会在未来几年内不断壮大。1960年到2010年十年间木材无损检测技术在木材检测中所占比率的增长13.2.2木材无损检测技术的发展传统的木材物理、力学性
4、质大都是采用检测仪器或力学试验机对规定尺寸的木材试样进行加载、烘干方式进行检测(如用称量法、万能力学实验机等)，木材缺陷的检测大多是用人工的方法。这些方法检测时间长、条件苛刻、稳定性差及准确度低，甚至还得将木材试样破坏后进行检测，所以这些检测方法已不能满足木材生产中非破坏性快速检测和持续检测的需要。发达国家如美国、日本、德国等对木材检测技术十分重视，而且在将超声波、射线、微波等无损检测技术应用到木材物理性质、生长特性、力学性质及木材缺陷等检测方面已经取得一定的成绩，研究出多种无损检测手段，并通过实验取得了较好的成果。随着电子、光学和计算机技术的不断发展，特别是经过近40多年的研究，林业发达国家
5、在木材缺陷无损检测研究方面取得了许多研究成果，目前应用到木材性质检测的无损检测技术己达几十种，如射线检测、微波检测、红外线检测法、超声波检测、机械应力检测、声发射检测、核磁共振检测、光学检测和其他多种检测方法等。与其它木材无损检测技术（如工业CT、X射线、核磁共振检测法等）相比，应力波无损检测技术成本低，使用方便、不受木材尺寸和形状的影响，不损坏被测木材，在传感器与被测木材之间不需任何的耦合剂，受到林业研究人员和业界的广泛关注。国外已经广泛使用应力波技术检测木材性质(如弹性模量等)。然而，我国对于应力波在木材腐朽，特别是原木内部缺陷的应用方面研究较少，基于应力波技术的木材无损检测仪器主要依靠从
6、国外进口，价格昂贵.。因此，研发并生产木材无损检测仪器便具有非常大的意义。13.2.3树木内部缺陷无损检测的方法（1）基于可见光（包括图像处理）、近红外方法的光谱处理技术光谱图像分析技术是光学、化学计量学、计算机技术、光谱数据处理和数据关联技术等的综合，因为光谱能够直接反映分子内部结构和运动状态，特征性强，灵敏度高，对气、液、固态样品都适用，制样方法简单，样品用量少，测试时间短，尤其是傅立叶变换红外光谱仪，在不到1s内能扫描一张谱图，可以追踪快速变化过程，它被广泛地应用到工业、农业、科学研究中。该技术也有其缺点，比如在近红外波段容易受环境水分等的影响。（2）基于应力波的检测技术应力和应变扰动的
7、传播形式。在可变形固体介质中机械扰动表现为质点速度的变化和相应的应力、应变状态的变化。应力、应变状态的变化以波的方式传播，称为应力波。通常将扰动区域与未扰动区域的界面称为波阵面，波阵面的传播速度称为波速。地震波、固体中的声波和超声波等都是常见的应力波。应力波的研究同地震、爆炸和高速碰撞等动载荷条件下的各种实际问题密切相关。在运动参量不随时间变化的静载荷条件下，可以忽略介质微元体的惯性力，但在运动参量随时间发生显著变化的动载荷条件下，介质中的各个微元体均处于随时间变化着的动态过程中，特别是在爆炸或高速碰撞条件下，载荷可在极短历时（毫秒、微秒甚至纳秒量级）内达到很高数值（1010、1011甚至10
8、12帕斯卡量级），应变率高达102107 秒-1量级,因此常需计及介质微元体的惯性力，由此导致对应力波传播的研究。13.2.4为何选用应力波测量：1 木材应力波无损检测技术，既不破坏材料的原有特性，又能在短时间内连续获得检测结果。 2 使用方便、受限条件少、对人体无危害3 成本低，填补了国内的技术空白，具有广阔的市场前景。4 采用极低阀值的感应信号方法，使得本系统和同类产品相比对应力波感应灵敏度提高 5 采用应力波持续时间阈值法和时序检测法，对采集信号进行智能识别，排除非正常检测状态下产生的应力波信号，从而提高整个系统的精度和正确率13.3实验内容13.3.1仪器的选择（一）传感器的选择传感器
9、是电路获取应力波信号的唯一途径，也是信号获取后处理的关键，可以说传感器的选择是否合理对整个仪器的设计起到决定性作用，我们选用的是压电式传感器。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。 （二）TLC372TLC372是低噪声比较器。具有很宽的共模输入电压范围，具有很宽的频带，该比较器在高速精密电压比较场合的应用是非常理想的。该芯片采用短路保护和内部频率补偿，确保外部元件及电路的稳定。（三）ATmega16LATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进
10、的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达 1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR 内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻辑单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的 CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。13.3.2 应力波树木内部缺陷无损检测仪不同于其他的树木无损检测设备，它是利用应力波检测技术来实现树木内部缺陷的无损检测。它的最大特点就是精度高、携带方便、成本低廉、无辐射，可检测树木直径范围大。应力波作为一维波动
11、理论在匀质材料中运用。当敲击材料一端时，应力波即产生了，并且在材料中以一定的速度传播。应力和应变扰动的传播形式。在可变形固体介质中机械扰动表现为质点速度的变化和相应的应力、应变状态的变化。应力、应变状态的变化以波的方式传播，称为应力波。通常将扰动区域与未扰动区域的界面称为波阵面，波阵面的传播速度称为波速。地震波、固体中的声波和超声波等都是常见的应力波。应力波的研究同地震、爆炸和高速碰撞等动载荷条件下的各种实际问题密切相关。在运动参量不随时间变化的静载荷条件下，可以忽略介质微元体的惯性力，但在运动参量随时间发生显著变化的动载荷条件下，介质中的各个微元体均处于随时间变化着的动态过程中，特别是在爆炸
12、或高速碰撞条件下，载荷可在极短历时间（毫秒、微秒甚至纳秒量级）内达到很高数值（1010、1011甚至1012帕斯卡量级），应变率高达102107 秒-1量级,因此常需计及介质微元体的惯性力，由此导致对应力波传播的研究。13.3.3弹性模量弹性模量：大尺寸材料的弹性模量E是一个重要参量，它如实反映了实际尺寸较大的材料的物理及机械性能,因此实时、非破坏性地检测并评估材料好坏必须要得到弹性模量，但是该参量往往无法直接取得，只能间接测量。弹性模量的公式：式中V应力波在该材料中传播速度，而容易获得。所以求得E的关键就是如何得到V，但是，长期以来测量应力波的速度比较困难。为了解决上述问题,我们设想:当应力
13、波通过长度L已知的匀质材料时所花时间为t，则因此为求E需要知道V，想要求解V在知道定长L情况下就必须测量时间间隔t，即测量应力波在木材内部传播的时间间隔。 树木内部缺陷无损检测仪，它包括“起始”和“结束”两个应力波脉冲波形转换部分，其主体结构都是由传感器、阻抗变换、放大、滤波和整形单元组成，并通过单片微机检测测量时间间隔t。树木内部缺陷无损检测仪的工作原理是：将两个加速度传感器分别放置在被测材料的始端和末端，通过用一把脉冲铁锤敲击材料，就产生了应力波，当应力波到达“起始”端传感器时，计数器开始工作，当它到达“结束”端传感器时，计数器停止工作，并显示计数值。根据测量得到的应力波传播时间，检测仪自
14、动计算出应力波在木材内部的传播速度。用户可以输入木材密度等参数，检测仪能够计算出木材的弹性模量。13.3.4硬件系统框图传感器探测到信号后，经过阻抗匹配电路和模拟信号处理电路处理后，产生可供数字信号处理电路使用的TTL电平信号。信号经过数字信号处理电路计算后，得到了应力波传播的时间、速度、被测木材的弹性模量等参数，通过液晶显示。无损检测仪的硬件系统功能模块结构如图所示。硬件系统框图13.3.5基本原理与方法应力法的基本原理是利用脉冲铁锤撞击在木材，使其内部产生应力波的传播，通过测量应力波的传播时间和传播速度的变化来确定木质材料的性质(如弹性模量和缺陷等)。如图所示的是应力波计时器的工作原理。通
15、过用一个脉冲铁锤敲击被测木材样本，在其内部产生一个应力波，用两个触发器感应该波的变化，并在计时器上显示时间差，根据应力波在被测木材中通过的时间来判定木材的性质(如弹性模量和缺陷等) 。13.3.6硬件模块设计整个系统设计分为硬件模块设计和软件模块设计，下面将介绍元器件的选择，各个硬件模块电路的设计原理和主控程序的算法。元器件的选择。硬件模块设计主要分为传感器电路、阻抗变换电路、放大电路、滤波电路和整形电路组成，另外通过单片机检测测量时间间隔t。13.3.6.1模拟信号处理模块传感器输出信号通过插座JP0和JP1，送入模拟信号处理模块。JP0输入信号经过R7，R10，C23组成的滤波匹配网络，输入比较器U1B。JP1输入信号经过R9，R26组成的匹配网络，输入比较器U1A。D2、D3、D4、D12可以保护比较器输入端口不受电流冲击。R11、R12、P1组成电压调节网络，确定比较器U1B的阈值电压。可以调节P1校准比较器U1B的阈值电压。R27、P2组成电压调节网络，确定比
