靜力壓樁機主要應(yīng)用于土質(zhì)比較疏松花江地質(zhì)工況，因此機身的水平度直接影響壓樁的垂直度。由于在壓樁過程中無法實現(xiàn)一次成型，需要對樁進行多次松開、抱樁和壓樁過程才能夠完成整樁的壓樁過程，為了防止在多次壓樁過程中因長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)生斷樁問題的出現(xiàn)，機身的定位和找平功能日益突出。大多數(shù)靜力壓樁機壓樁的垂直度都是通過水平儀測試，不夠直觀、精度低、操作復(fù)雜，隨著人機界面和儀器儀表的迅速發(fā)展及其在工程機械應(yīng)用的增多，同時我國南部地區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)的施工量逐漸增加，對靜力壓樁機壓樁垂直度監(jiān)測儀的開發(fā)要求日益緊迫。
　　針對此問題，筆者設(shè)計了以美國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壓樁垂直度監(jiān)測儀。該系統(tǒng)或動態(tài)顯示X、Y兩個方向的樁垂直度的偏移情況，圖形動畫和數(shù)據(jù)動態(tài)顯示相結(jié)合，可以實現(xiàn)零位標(biāo)定、多界面結(jié)合等功能。
　　1、垂直度監(jiān)測儀的硬件設(shè)計
　　垂直度監(jiān)測儀的硬件由中央處理器、信號采集裝置、控制輸出、存儲器、看門狗、電源組成，如圖1所示。

圖1 垂直度監(jiān)測儀硬件原理圖

　　1.1C8051F020簡介
　　C8051F020是由美國CYGNAL公司研制的混合信號系統(tǒng)級芯片。其片內(nèi)集成了多通道10位的A/D轉(zhuǎn)換器以及1個雙12位D/A轉(zhuǎn)換器和2個增強型UART串口，該單片機還集成有4KB內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM和64KBFLASH以及外部64KB數(shù)據(jù)存儲器接口。片內(nèi)還配置了符合標(biāo)準(zhǔn)IEEE1149.1的JTAG接口，通過JTAG口可直接進行在線仿真和程序下載。
　　1.2信號采集模塊的設(shè)計
　　采用2個雙軸傾角傳感器監(jiān)測靜力壓樁機的壓樁垂直度，采集到的4路傳感器信號通過光電隔離和濾波電路后進入了A/D轉(zhuǎn)換，通過計算后在顯示屏上顯示，采用按鍵實現(xiàn)多界面顯示，共有6路開關(guān)量信號。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
　　由于靜力壓樁機采用電機驅(qū)動，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，考慮到工程機械車載直流電源模塊有12V和24V兩種，因此本文設(shè)計的電源模塊可以在寬電壓輸入下工作，通過該電源模塊輸出5V和3.3V的穩(wěn)定電壓，同時為了提高電路的抗干擾性，該電源模塊將模擬信號電源地和數(shù)字信號電源地進行隔離。
　　1.4看門狗電路的設(shè)計
　　看門狗電路實現(xiàn)的兩個功能，一個是調(diào)節(jié)控制板復(fù)位和顯示屏復(fù)位的響應(yīng)時間；另一個是當(dāng)程序進入死循環(huán)時系統(tǒng)自動復(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，藍底白字的顯示效果，對比度可以調(diào)節(jié)，顯示角度是6點鐘。C8051F020通過向SED1335控制器發(fā)送數(shù)據(jù)來驅(qū)動液晶顯示屏。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個雙軸傾角傳感器作為監(jiān)測設(shè)備，該傳感器的測量范圍為±30°，精度為0.06°，適合工程施工環(huán)境。
　　2、垂直度監(jiān)測儀的軟件設(shè)計
　　2.1系統(tǒng)初始化
　　系統(tǒng)初始化主要包括系統(tǒng)時鐘頻率的設(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。
　　同時考慮到系統(tǒng)的可靠性，在開機時對傳感器進行自檢，判斷故障。只有系統(tǒng)設(shè)備正常時才可以進入監(jiān)測界面。
　　2.2監(jiān)控界面設(shè)計
　　監(jiān)測儀采用多界面設(shè)計，界面的切換是通過按鍵實現(xiàn)的。首先經(jīng)過自檢界面，然后進入主界面，即監(jiān)測界面，該界面除顯示時間、版本號外，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。由于靜力壓樁機的垂直度要求在5‰以下才算合格，在設(shè)計該監(jiān)測儀時為了滿足顯示精度和顯示效果，采用趨勢設(shè)計方法，如果超過了圖3中圓形的顯示區(qū)，只是給出點的偏移情況，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)趨勢調(diào)節(jié)樁的角度。

圖3 顯示界面

　　由于現(xiàn)場施工時要對系統(tǒng)進行校正，因此監(jiān)測儀還設(shè)計了標(biāo)定界面，分別可以對傳感器和水平位置進行標(biāo)定，還可以設(shè)定系統(tǒng)時間。
　　3.垂直度監(jiān)測儀的優(yōu)化
　　系統(tǒng)的硬件和軟件聯(lián)機調(diào)試通過后，基本上可以實現(xiàn)監(jiān)測功能和顯示效果。當(dāng)把設(shè)計好的監(jiān)測界面的動態(tài)點變化很快，飄動幅度比較大。解決此問題主要通過對傳感器進行多段直線擬合和多次求平均的方法，通過軟件調(diào)整后，顯示比較平穩(wěn)。
　　由于監(jiān)測儀的外殼為金屬材料，在使用過程中偶爾出現(xiàn)“花屏”現(xiàn)象。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，供電電源模塊和機身有共模干擾，通過濾波電路并通過EMC實驗，效果比較滿意。
　　通過實驗室和現(xiàn)場調(diào)試，該監(jiān)控儀已經(jīng)可以安全可靠地使用。該方案和問題的解決方法對工程機械其它設(shè)備相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)都有借鑒意義。