基于AVR和振弦式渗压计的大坝监测系统设计

　　渗流监测是大坝安全监测中的重要项目之一，为了全面地分析大坝在运行期间的安全性，必须进行渗流量的观测，同时还应观测渗水的温度。由于振弦式渗压计具有分辨率高、不受降雨干扰、无淤堵等优点，所以近年来在大坝渗压监测中得到了广泛的应用。文中提出了以AVR单片机为核心的简单有效的大坝渗压监测系统，并对其中部分模块进行了改进。

　　1 振弦式渗压计

　　1.1 振弦式渗压计结构与原理

　　本文采用的是VWP型振弦式渗压计，它由透水板、感应膜、密封壳体、振弦及激振电磁圈等组成。仪器中有一个灵敏的不锈钢膜片，在它上面连接振弦，如图1所示。当被测水压作用膜片上时，将引起弹性膜板的变形，其变形带动振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。使用时，通过对电磁线圈加载适当的电流实现激振过程，激振完成后，切断对线圈的供电，同时将线圈接入测量电路中，通过拾取线圈中的感生电动势来获得振弦的固有频率，频率信号经电缆传输至读数设备，即可测出水荷载的压力值，同时可测出埋设点的温度值。

　　1.2 振弦式渗压计的数学模型

　　对于图1所示的振弦式渗压计，当振弦受张力T作用时，其等效刚度发生变化，振弦的谐振频率f为：

　　式中，p-振弦的线密度(tex，ltex=g/km);l-振弦的有效振动长度(m)。

　　本文采用的是单根振弦的渗压计，根据其输出特性，计算公式如下：

　　式中，Pm为渗透压力;k为渗压计的测量灵敏度;fo为基准频率值;f实测频率值;b为温度修正系数;T为实时测量的温度值;T0为温度的基准值;Q为大气压修正系数，对于密封腔与大气压沟通的仪器，Q恒为0。

　　假设不考虑大气压力影响，当外界温度恒定时，渗透压力与频率平方差成正比;当渗压增量恒定时，渗透压力与频率平方差成正比，这个输出量仅仅是由温度变化而造成的，与温度增量成线性关系，即，于是温度修正系数，如果不考虑温度增量的影响，这个输出的变化就是温度变化引起的系统误差。本系统中采用的渗压计k=0.1105，b=0.3042。

　　2 ATmega128微处理器

　　ATmega128作为数据端的控制核心，是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega128的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。该芯片采用5 V供电，其最高工作频率可达16 MHz;4 K字节的SRAM、4 K字节的EZPROM(其寿命可达100 000次写/擦除周期);4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器(T/C)。支持外部存储器扩展，为编写和运行程序提供了强力的保证。