数显树木胸径测量仪结构设计及工作原理分析
文章编号：1001-O05X（2015）04-0098-03
在森林资源调查中，胸径是一个重要的林分调查因子。它也是反映活立木质量和生长量的最基本因子之一。胸径的快速、准确测量，对林木资源调查以及合理经营具有重要意义。当前用于测量胸径的仪器主要包括：胸径围尺和树木胸径卡尺，这两种仪器都是手工测量，不可避免存在人为误差，且读数耗时费力。因此，需要研究新型的树木胸径测量仪。
随着科技的进步，工业检测领域的软件和硬件都在不断地发生更新换代，测试仪器的功能也逐渐向智能化、便捷化和精细化方向发展。容栅传感器和单片机的出现与发展，对这一趋势的推动，起到了重要作用。
近几年，容栅传感器和单片机陆续被应用到测距系统、数显卡尺终端、变形检测系统、车载油耗实时监测系统和树木根系检测系统等领域，均取得了较好的效果。然而，在树木胸径检测领域，仍以传统测量为主，未引入这些智能化硬件设备，没有实现测试仪器的智能数显功能。
本文将对传统胸径卡尺进行改进，利用传感器技术、微计算机技术和集成电路技术，实现树木胸径卡尺的数显功能。数显树木胸径测量仪将有效的解决传统的胸径测量的弊端，使测量更为快捷，读数更为便利，提高野外测量的效率。
1 树木胸径测量仪结构设计
1.1 结构设计
树木胸径测量仪由尺胚和数显组件组成，如图1所示。尺胚由动尺、定尺和尺爪组成。通过尺爪与被测物体相接触，来实现位移测量。
1.2 组件功能
数显组件由位移传感器、单片机和显示器组成。其中，位移传感器用于采集位移量，并将位移信号转换成单片机能够识别的数字信号；单片机则用来采集位移传感器接收到的数据，然后通过数据运算及处理，将被测树木的胸径尺寸显示出来。
2 传感器选定及功能实现
2.1 传感器选择
可用于数显树木胸径测量仪实现树木胸径测量的传感器种类有：磁栅式、光栅、容栅及感应同步器等多种类型。与其它类型大位移传感器相比，容栅传感器具有的优点是：造价低、体积较小（集成芯片仅1cm xlcm大小）、结构简单、耗能少、安装使用方便、环境适应能力强、分辨率高和动态范围宽等。它是利用相位跟踪原理来实现位移测量的传感器。因此，本文设计的数显树木胸径测量仪选择容栅位移传感器作为测量传感器。
2.2 容栅传感器特点及工作原理
容栅传感器是一类变面积原理的电容传感器，具有多对梳状排列的电极。它的特点是：精度高、重复性好、对环境要求不苛刻、抗干扰能力强、能够实现数字化等。它即可用于小位移测量，又能实现大位移测量。
本文选择直线形容栅传感器，其工作原理为：由相对放置的2组条状电极群组成，l组为动栅，另1组为定栅；通过静电耦合来实现二者之间位移的测量。
2.3 传感器安装位置
由于动尺与定尺之间的距离随所测活立木胸径的不同而变化，想要将该距离测出，就需要将其转化为容栅的动栅与定栅之间的静电耦合，因而可以将定栅固定在尺身上、动栅装在卡尺的动尺上，动栅正对定栅安装。
2.4 容栅传感器的功能实现
动栅的组成包括：相互连成一体的屏蔽电极与一系列相互隔离的传送电极。它们的表面绝缘层用于防止工作时定栅与动栅短路。传送电极在传感器中起反射电极作用，通过它能把与传送电极相对应的发射电极的激励电压耦合到吸收极中去。由于动栅与定栅正对安装，动栅上的发射和接收电极便与定栅的传送电极分别构成2组平板电容。随着动尺的移动，定栅与动栅的相对位置则会改变，进而形成位移信号。
3 传感器与单片机的连接
容栅传感器输出的电容信号经过容栅集成芯片中的集成电路处理可转化成为数字信号输出。由于容栅传感器所采用的专用集成电路，通过非标准同步串行数据口输出测量结果，其供电电压为+1.5V，而单片机所采用普通的TTL芯片的供电电压为+5V，所以单片机不能直接处理从传感器集成电路中输出的数据，要使二者可以相互通讯，必须要有电平转化电路，如图2所示。在电平转换之后，单片机即可接收信号。然后利用单片机的集成电路，对测量数据进行计算，并向LED显示器输出测量结果。
4 单片机的选取及功能实现
4.1 单片机选择
选取AT89C52单片机，它采用CHMOS工艺及高密度、非易失存储技术制造，与80C51引脚和指令系统完全兼容。AT89C52单片机包含的功能部件有：8位CPU 1个；8kB PEROM；片内振荡器及时钟电路各1个；寄存器21个；16位的定时/计数器3个；8位并行I/O口4个；可编程串行口1个；可编程I/O端线32条；中断源8个。
4.2 单片机功能实现
单片机要准确地采集容栅传感器的信号，再进行不同数制的转换后显示出来，这主要通过软件设计来达到目的。软件所包含主要模块，如图3所示。实际工作中，先对单片机编程，编写处理数据的程序，程序存储在存储器之中，将从传感器传来的经过电平转换电路转换的测量信号经运算器运算处理，并将运算结果输出。
各模块的主要内容和功能如下：①主程序模块。主要包括始化程序，用于设置设置定时和中断方式。②数据接收模块。容栅传感器发送的数据是24位，单片机接收数据为8位，因此必须依靠中断方式分3次读入串并行转换后的数据。在数据接收时，这就要求接收程序要准确定位数据流的分界，迅速跟踪数据流。同时，需要计算1个数据串是否接收完毕，在接收完1个数据串后，即将它转至缓冲区准备进行下一步处理。③数据处理模块。数据处理模块的功能包括：二进制数转换成BCD码的整数与小数；识别正负号标志。④显示管理模块。显示管理程序首先对需要显示的数据进行编码转换，然后由LED数码管完成静态显示。
5 显示部分的设计
显示部分采用共阴极的LED，驱动电路为ICM7218B.显示方式为动态扫描刷新模式。ICM7218B内部构件包含：8位CMOS LED驱动器；8x8位静态RAM，用于存放显示数据；具有BCD码译码器和全16位制译码器；频率250Hz的多位扫描电路。在显示屏的面板上，利用若干发光二极管作为指示灯，在软件中通过ICM7218B来控制发光二极管的发光和熄灭。
6 结束语
利用传感器技术、微计算机技术和集成电路技术设计的可用于树木胸径测量的数显卡尺，具有便携、体积小、读数方便、手持式测量等特点，适合于野外快速测量活立木胸径数据。综合利用直线形容栅传感器、AT89C52单片机和LED显示器，合理设置部件连接方式和控制电路，能够较好地实现树木胸径卡尺的数显功能。
在设计过程中，需要注意以下几点。
（1）选择直线形容栅传感器作为位移传感器，充分发挥其可动部分不需通电这一优势。
（2）由于容栅传感器与单片机所采用的供电电压不同，二者不能直接通讯，必须要有电平转化电路进行过渡，才能实现数据传输。
（3）单片机是数显树木胸径测量仪的重要组成构件之一。测试仪功能的实现，主要依靠单片机内各个模块的程序来完成，因此在设计过程中，要重视对单片机软件功能的划分与设计。