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1、无线应变测量系统的研究与设计目录中文摘要I英文摘要II1 绪论11.1建筑结构健康监测11.1.1结构图健康监测系统的组成21.1.2结构健康监测系统的发展和应用31.2无线应变传感器及无线传输技术51.2.1无线应变传感器51.2.2无线数据传输技术61.3无线传感器在建筑结构健康监测领域的发展和现状81.4本文主要工作92传感器的信号调理与采集112.1传感器技术112.2应变测量原理与传统采集系统112.2.1电阻应变计的工作原理112.2.2应变信号的传统采集与传输方法122.3前端处理电路的设计132.3.1系统整体组成132.3.2放大电路的设计132.3.3滤波电路设计152.4
2、 A/D数据采样转换原理162.5 ADC芯片AD574162.5.1芯片介绍172.5.2引脚说明172.5.3工作模式192.5.4时序192.5.5接口电路192.6应变的采集程序202.7本章小结203射频通信模块的设计213.1射频芯片213.1.1 nRF系列射频芯片213.1.2其它射频芯片213.2射频收发器nRF905223.2.1芯片结构223.2.2工作模式233.2.3器件配置253.2.4硬件电路273.2.5 nRF905其他函数设计283.3 射频电路板设计293.4本章小结314低功耗设计324.1功耗管理324.2功耗设计方案324.3理论功耗334.4实际功
3、耗334.5本章小结345其它模块介绍355.1软件总体程序流程图355.1.1 nRF905发射流程355.1.2 nRF905接收流程375.2硬件总体设计图385.2.1发射模块385.2.2接收模块385.3开发环境介绍395.3.1 Keil C51 Vision2介绍395.3.2 Keil C51 Vision2截图395.4PC上位机软件设计405.4.1 MSComm控件串行通信处理方式405.4.2上位机软件截图415.5本章小结426总结与展望436.1论文总结436.2论文展望43致谢44参考文献45附录1：原理图46附录2：程序源码47无线应变测量系统的研究与设计无线
4、应变测量系统的研究与设计摘 要 随着人们对结构安全性重视程度的提高以及各种监测、检测相关技术的发展，建筑结构健康监测技术已经成为土木工程结构研究中的重要方向。无线传感器由于其小型化、集成化、低维修费用、少安装时间等特点而成为近年来结构健康监测系统的研究热点。 本文在充分研究传感技术、信号处理技术、无线通信技术知识上，针对传统应变采集设备体积较大、布线长、要求使用导线精度高等问题，设计了用于局部性态监测的低功耗无线应变传感器。文章主要内容如下： (1)信号的调理与采集：使用传统应变片作为结构应变测量的敏感元件，通过放大滤波电路后，使用模数转换器(ADC)进行电压数据的转换。 (2)射频通信模块的
5、设计：选用单片射频收发芯片nRF905，设计信号传输电路并独立完成软件的编写与调试，实现数据的可靠收发。 (4)低功耗设计：从硬件和软件两个方面对系统功耗进行了分析，通过中断唤醒，实现工作模式的切换，达到低功耗设计。 (5)应变测量上位机程序开发：通过VC的MSComm控件对单片机发射的串口数据进行接收和显示。整个系统的基本目的在于监测信号并对信号进行分析，因此，得到准确的信号是系统正常工作的基础，本文详细介绍了传感器采集的前端放大滤波电路以及利用ADC574进行数据采集的方法。 本文讲述的系统具有一般性，其在结构健康监测的实际使用中效果良好，此外，本系统可经过稍微修改，应用于无线水表、无线电
6、表、无线安防系统、无线开锁、家庭自动化和玩具等诸多领域。 最后对全文做了总结，并指出以后系统的发展前景和方向。关键词 应变传感器/无线通信/低功耗Reserch and Design of Wireless Strain Measurement SystemABSTRACT With the recognition of structural safety and the development of monitoring and inspection technique, Structural health monitoring (SHM) has already become an imp
7、ortant research direction in civil engineering structures. And wireless sensor network is being developed as a research hotspot of SHM with such the characteristics as miniaturization, integration, low maintenance cost and a small quantity of installation time. In this paper, on the basis of sensing
8、, information disposal and wireless communication technique, considering that the volume of traditional acquisition equipment is big wiring long and that the lead with high-precision is needed, the project and designing of low power wireless strain sensor applied for local monitoring is presented. F
9、ollowing is the main content of the paper: (1) Signal conditioning and sampling. The structures strain is sampled by using the traditional strain resistance as sensitive component.The voltage signal is sampled by using the in chip Analog-to-Digital Converter (ADC) after carrying through amplifying-f
10、iltering circuit. (2) Design of the radio frequency communication part: Sending and receiving the data by using nRF905.Design signal transmission circuit and finish the software program to realization signal transmission. (3) Design of antenna. The general performance of small loop antennas is analy
11、zed and a small loop antenna for wireless strain sensor is designed using resonance analysis method. The transformer matching method is used to design the matching network for antenna and RFIC. (4) Design of low power: Realization of low power consumption both in hardware and software,change the mod
12、e by interrupt to realization low power project. (5) Design of strain measurement program: Use VCs Macomb control to realize the data receiving and showing. The system the paper given can not only be used in SHM， but also be used in other field universally, such as wireless water meter， wireless amm
13、eter， wireless alarm, wireless key, home automation, and toy. A conclusion of the paper is made in the end. We also points out the flaw of the System, then presents the orientation of subsequent research work.KEYWORDS strain sensor,wireless communication,low powerIII无线应变测量系统的研究与设计1 绪论 随着我国现代化建设的深入与发
14、展，建筑行业也呈现出多种趋势：建筑更加追求艺术美，形体趋向于复杂而多变；建筑的用途越来越多样化；人们对建筑的使用安全性和舒适性提出了更高的要求；具有一定历史意义的优美的古建筑及近现代建筑逐步受到人们重视并得到更加妥善的保护。以上各种趋势无一不对建筑结构的安全性评估提出了更高的要求，人们迫切需要一种能够长期在线监测结构健康程度并做出安全预警的建筑结构健康监测系统，该系统可以保证人们对建筑结构在施工和使用阶段的健康程度有一个实时的了解。 国内外大量的专家学者将研究重点转移到结构的健康监测领域，在近几年内，提出了各种监测理论和监测方法，并研发了各种用于监测的设备仪器，大大推动了结构健康监测的发展，使
15、得结构健康监测从理论走向实践，又根据大量的实验数据反证了理论的正确性，建筑结构的健康监测的理论与实践的发展正方兴未艾。1.1建筑结构健康监测 建筑结构健康监测系统(Structural Health Monitoring System，简称SHMS)指一种当结构的性态发生明显改变或者结构本身发生损坏时能根据要求提供相关信息的系统。 建筑结构的健康监测技术就是要发展一种最小人工干预的结构健康在线实时连续监测、检查与损伤探测的系统，能够通过数据处理中心，自动地报告结构状态。它与传统的无损检测技术(Nondestructive Inspection，简称NDI)不同，通常NDI技术运用直接测量的方法确定结构的物理状态，无需历史记录数据，诊断结果很大程度取决于测量设备的分辨率和精度。而SHM技术是根据结构在同一位置上不同时间的测量结果的变化来识别结构的状态，因此历史数据至关重要，识别的精度强烈依赖于传感器和解释算法。 建筑结构健康监测
