打桩船自动测量系统中声音控制计数器的设计

1 引言
    在自动化技术高速发展与微处理器广泛应用的今天，传感器技术也越来越被重视。各传感器产品相继出现，并应用到各种控制领域及测量系统以代替传统的人工操作。随着我国海洋资源不断开发及水上交通的飞速发展，近几年来我国沿海各大城市都在大力发展港口的建设，各类传感设备打破传统的人工测量方法，在海上施工船舶的测量系统中也发挥着巨大的作用，例如一个船舶打桩自动测量系统中就集成了高精度GPS接收机、倾斜仪、激光测距仪、声控计数系统等以采集打桩过程中各类数据，并对船舶姿态等进行实时矫正，以控制打桩精度，大大提高了施工质量与工作效率。
    本文的声音控制计数器是该系统的一个组成部分，主要用来记录打一根桩时气锤打桩的次数，解决了以往人工记录费时费力、准确度不高的缺点，并可自动输送到计算机数据库软件进行记录。

2 工作原理与系统结构
2．1 工作原理
    声音控制计数系统是通过驻极体电容传声器拾取打桩船气锤敲击桩柱时所发出的声音，并经放大滤波等处理消除掉船上发动机转动声、工人工作时敲击声等杂声后，经模拟-数字转换电路转化成数字信号后送入单片机进行数字处理，根据敲击的规律及波形分析再次排除各类干扰，进行准确记录后通过串口输送给上位机数据库软件进行记录。
2．2 系统结构
    声音控制计数系统主要包括拾音头、前置放大、滤波中放、模拟-数字转换、微处理器等五个部分，其系统框图如图l所示。

3 模拟部分设计
3．1 前置放大
    前置放大处理原理见图2。模拟电路具有可靠性高、稳定性好的优点，一旦电路参数确定，其性能也就确定下来。由于船上设备诸多，各种设备运转时的噪声覆盖范围大，有发动机转动时的轰鸣声，也有金属相互撞击的高频声，还有海浪撞击船体的低频声，因此在如此复杂的环境中拾取打桩声要经过多次处理。由于拾音头灵敏度较低，为提高接收灵敏度，把传声器接成惠登斯桥的一臂，并经隔直电容隔直后送至反相放大器的反向端，而电桥的另一结点接放大器同相端。在实际应用过程中，环境噪声会有相应的变化，且钢桩与水泥桩的音质及频率不一样，前置放大器可手动调整增益以达到最佳效果。其原理如图2。

3．2 模一数接口
    模拟—数字接口处理原理如图3所示。声音信号经前置放大后再送入滤波与第二级放大、检波等处理环节变成比较干净、幅度可识别的模拟信号。为送入单片机做进一步的纠错处理及作相应的控制处理，需要对输出的模拟信号进行数字化转换。这里分成两路进行处理，其中一路进行缓冲驱动后送入单片机A／D采样接口进行波形采样；另一路送入单稳态触发器进行去抖处理以防止噪声引起的脉冲输出而被误计数。

4 控制部分设计
    为了对打桩声进行计数，并将该数据上传到上位机数据库管理软件记录下来，本计数器选择了STl2C2052AD单片机作为系统控制器，这是一款具有A／D转换接口、外部中断请求输入、增强型异步串口的8051型单片机，它具有体积小，价格低廉的优点，同时资源非常适合本系统的应用。
    计数控制流程如图4所示。模拟信号经过模数接口的处理，第一路经过线性缓冲器驱动后送入单片机A／D采样接口对声音波形进行采样以记录波形的特性。由于打桩声经过模拟电路的处理后强度要比别的杂声大，而且其持续时间要相对较长，因此可以根据这一特性对波形进行自适应识别。但是船上作业中会有临时的金属撞击声打破这种特性，因此单独的波形识别是不能保证计数的高可靠性的。因此这里设计了两路输入，另一路经过单稳态去抖滤波后转换成数字计数脉冲输入单片机中断输入请求端进行计数中断请求。由于打桩时打桩声在时间上具有一定的周期性，打击间隔有规律，因此在处理器内部启动定时器对打桩周期进行记录，从周期上来识别声音的真假。这两路输入单独处理都存在其局限性，但如果将两路结合起来，其中一路对波形特性进行识别，另一路对周期进行识别，相辅相成，大大提高了计数的准确率。

5 结语
    声音控制、声音传感等技术发展到今天已有广泛的应用，但随着电子技术的飞速发展，各领域自动化程度的提高，要求也在提高。在实际应用中，可控制性、实现的高精度、高可靠性更成为当今的焦点，为了提高系统集成度，往往需要通用的接口与微机相连。本设计根据实际环境的特性，以模拟电路处理与数字电路处理及微机控制相结合，综合三者的优点，互补三者的缺点，并根据实际环境、桩的不同，手动调节固定参数，大大地保证了系统的稳定性与准确度。经过实际应用，该计数系统准确度达到98％以上，且非常便于打桩系统的集成，是船舶打桩系统自动化控制与测量系统中的重要组成部分。