靜力壓樁機(jī)主要應(yīng)用于土質(zhì)比較疏松花江地質(zhì)工況，因此機(jī)身的水平度直接影響壓樁的垂直度。由于在壓樁過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)一次成型，需要對(duì)樁進(jìn)行多次松開(kāi)、抱樁和壓樁過(guò)程才能夠完成整樁的壓樁過(guò)程，為了防止在多次壓樁過(guò)程中因長(zhǎng)船的沉降和液壓缸的泄漏而產(chǎn)生的偏移，以及由偏移產(chǎn)生斷樁問(wèn)題的出現(xiàn)，機(jī)身的定位和找平功能日益突出。大多數(shù)靜力壓樁機(jī)壓樁的垂直度都是通過(guò)水平儀測(cè)試，不夠直觀、精度低、操作復(fù)雜，隨著人機(jī)界面和儀器儀表的迅速發(fā)展及其在工程機(jī)械應(yīng)用的增多，同時(shí)我國(guó)南部地區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)的施工量逐漸增加，對(duì)靜力壓樁機(jī)壓樁垂直度監(jiān)測(cè)儀的開(kāi)發(fā)要求日益緊迫。
　　針對(duì)此問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了以美國(guó)CYGNAL公司的SOC芯片C8051F020為中央處理器，320×240圖形液晶顯示屏為顯示端口的靜力壓樁機(jī)壓樁垂直度監(jiān)測(cè)儀。該系統(tǒng)或動(dòng)態(tài)顯示X、Y兩個(gè)方向的樁垂直度的偏移情況，圖形動(dòng)畫和數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)零位標(biāo)定、多界面結(jié)合等功能。
　　1、垂直度監(jiān)測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)
　　垂直度監(jiān)測(cè)儀的硬件由中央處理器、信號(hào)采集裝置、控制輸出、存儲(chǔ)器、看門狗、電源組成，如圖1所示。

圖1 垂直度監(jiān)測(cè)儀硬件原理圖

　　1.1C8051F020簡(jiǎn)介
　　C8051F020是由美國(guó)CYGNAL公司研制的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片。其片內(nèi)集成了多通道10位的A/D轉(zhuǎn)換器以及1個(gè)雙12位D/A轉(zhuǎn)換器和2個(gè)增強(qiáng)型UART串口，該單片機(jī)還集成有4KB內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM和64KBFLASH以及外部64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口。片內(nèi)還配置了符合標(biāo)準(zhǔn)IEEE1149.1的JTAG接口，通過(guò)JTAG口可直接進(jìn)行在線仿真和程序下載。
　　1.2信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)
　　采用2個(gè)雙軸傾角傳感器監(jiān)測(cè)靜力壓樁機(jī)的壓樁垂直度，采集到的4路傳感器信號(hào)通過(guò)光電隔離和濾波電路后進(jìn)入了A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)計(jì)算后在顯示屏上顯示，采用按鍵實(shí)現(xiàn)多界面顯示，共有6路開(kāi)關(guān)量信號(hào)。數(shù)據(jù)采集模塊的原理圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集裝置原理圖

　　1.3電源模塊的設(shè)計(jì)
　　由于靜力壓樁機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，外部電源為220V，傳感器用電為12V，但是C8051F020用電是3.3V，液晶顯示屏用電是5V，考慮到工程機(jī)械車載直流電源模塊有12V和24V兩種，因此本文設(shè)計(jì)的電源模塊可以在寬電壓輸入下工作，通過(guò)該電源模塊輸出5V和3.3V的穩(wěn)定電壓，同時(shí)為了提高電路的抗干擾性，該電源模塊將模擬信號(hào)電源地和數(shù)字信號(hào)電源地進(jìn)行隔離。
　　1.4看門狗電路的設(shè)計(jì)
　　看門狗電路實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)功能，一個(gè)是調(diào)節(jié)控制板復(fù)位和顯示屏復(fù)位的響應(yīng)時(shí)間；另一個(gè)是當(dāng)程序進(jìn)入死循環(huán)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。
　　1.5顯示模塊
　　采用超寬溫的320×240圖形液晶顯示屏，CCFL背光，藍(lán)底白字的顯示效果，對(duì)比度可以調(diào)節(jié)，顯示角度是6點(diǎn)鐘。C8051F020通過(guò)向SED1335控制器發(fā)送數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏。SED1335控制器有13條指令，多數(shù)指令帶有參數(shù)，參數(shù)值由用戶根據(jù)所控制的液晶顯示模塊的特征和顯示的需要來(lái)設(shè)置。
　　1.6傳感器
　　為了能夠較精確地顯示樁的垂直度情況，選擇了2個(gè)雙軸傾角傳感器作為監(jiān)測(cè)設(shè)備，該傳感器的測(cè)量范圍為±30°，精度為0.06°，適合工程施工環(huán)境。
　　2、垂直度監(jiān)測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)
　　2.1系統(tǒng)初始化
　　系統(tǒng)初始化主要包括系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的設(shè)定，SED1335的初始化，模擬量輸入通道的選擇，數(shù)字量通道的選擇，液晶顯示屏采用雙屏顯示，顯示區(qū)域劃分等。
　　同時(shí)考慮到系統(tǒng)的可靠性，在開(kāi)機(jī)時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行自檢，判斷故障。只有系統(tǒng)設(shè)備正常時(shí)才可以進(jìn)入監(jiān)測(cè)界面。
　　2.2監(jiān)控界面設(shè)計(jì)
　　監(jiān)測(cè)儀采用多界面設(shè)計(jì)，界面的切換是通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)的。首先經(jīng)過(guò)自檢界面，然后進(jìn)入主界面，即監(jiān)測(cè)界面，該界面除顯示時(shí)間、版本號(hào)外，主要用圖形和數(shù)字相結(jié)合的方式顯示樁的偏移情況，如圖3所示。由于靜力壓樁機(jī)的垂直度要求在5‰以下才算合格，在設(shè)計(jì)該監(jiān)測(cè)儀時(shí)為了滿足顯示精度和顯示效果，采用趨勢(shì)設(shè)計(jì)方法，如果超過(guò)了圖3中圓形的顯示區(qū)，只是給出點(diǎn)的偏移情況，在數(shù)字顯示區(qū)明確顯示偏移的內(nèi)容，這樣有助于操作人員根據(jù)趨勢(shì)調(diào)節(jié)樁的角度。

圖3 顯示界面

　　由于現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，因此監(jiān)測(cè)儀還設(shè)計(jì)了標(biāo)定界面，分別可以對(duì)傳感器和水平位置進(jìn)行標(biāo)定，還可以設(shè)定系統(tǒng)時(shí)間。
　　3.垂直度監(jiān)測(cè)儀的優(yōu)化
　　系統(tǒng)的硬件和軟件聯(lián)機(jī)調(diào)試通過(guò)后，基本上可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能和顯示效果。當(dāng)把設(shè)計(jì)好的監(jiān)測(cè)界面的動(dòng)態(tài)點(diǎn)變化很快，飄動(dòng)幅度比較大。解決此問(wèn)題主要通過(guò)對(duì)傳感器進(jìn)行多段直線擬合和多次求平均的方法，通過(guò)軟件調(diào)整后，顯示比較平穩(wěn)。
　　由于監(jiān)測(cè)儀的外殼為金屬材料，在使用過(guò)程中偶爾出現(xiàn)“花屏”現(xiàn)象。通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，供電電源模塊和機(jī)身有共模干擾，通過(guò)濾波電路并通過(guò)EMC實(shí)驗(yàn)，效果比較滿意。
　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，該監(jiān)控儀已經(jīng)可以安全可靠地使用。該方案和問(wèn)題的解決方法對(duì)工程機(jī)械其它設(shè)備相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)都有借鑒意義。