我國 在 巖 體聲 發 射 技術 的 研 究 與 應 用 領 域 已 經 取 得 了不 少成 果，先 后成 功 研 制出 聲 發 射監 測 儀，廣泛 用 于 礦 山 巖體 局部 冒 落、露天 邊 坡 滑坡 等 預 警中，避 免 了人 員 傷 亡 和 設備損壞。 單片機具有集成度高、體積小、可靠性強、價格低、面向控制等優點。 鑒于此，聲發射監測儀器大多采用單片機來完成聲發射參數的監測和數據分析顯示。 這樣一來，聲發射監測儀器在體積和重量上有了進一步的縮小，實用性大大增強[1]。
便攜式智能巖體聲 發射 監 測 儀選 用 STC89C58RD+單 片機作為控制器，外圍連接電子元件，能夠實現連續監測、終端顯示、數據長期保存、數據通信等復雜功能。
1 巖體聲發射監測原理
材料在受到外荷載作用時，其內部貯存的應變能快速釋放產生彈性波并發出聲響，稱為聲發射[2]。 利用儀器對聲發射信號進行采集、處理、分析的方法稱為聲發射技術[3]。 目前對聲發射的表征參數都是通過對儀器輸出波形的處理得到的，這些參數主要有聲發射事件與振鈴計數率和總數、幅度及幅度分析、能量及能量分布、有效電壓值、頻譜和波形等[4]。
巖體 作 為非 均 質 固體 材 料，在變 形 過 程 中，會 產 生 一 系列聲發射信號（亦稱巖音）。 對巖體聲發射狀態進行監測分析可預測巖體穩定性[3]。 本文通過研究巖體聲發射信號在單位時間內的事件率及總能率的變化情況，來反映巖體的振動狀態，預測巖體穩定性。
2 儀器功能及特點
1）監測信息（聲發射參數）
以下測量信息均以十進制形式顯示在數碼管上，便于讀取。大事件：單位時間內幅度大于設定值（閾值）的事件累計數（個/分），反映較大聲發射幅度；
總事件：單位時間內聲發射 事件 累 計 數（個/分），反 映聲發射頻度；
能率：與 單位 時 間 聲發 射 能 量 成 正 比 例 的 量（無 量 綱），反映聲發射能量[3]。
2）通過調節面板上的旋鈕，更改設置
調節兩位播碼盤可以修改監測點代碼值 （00-99 范圍內可調）；調節增益旋鈕可以設置放大器的放大倍數（有 8 個檔位可 選，依 次放 大 10-80 倍）；調節 閾 值 旋鈕 設 定 大 事 件、總事件 的 閾 值（有 4 個 檔 位，依 次 選 擇 4 組 電 壓 參 考 值）；調 節周 期 旋 鈕可 以 設 置監 測 周 期（有 8 個 檔 位，依 次 選 擇 周 期 為2-9 分鐘）；調節 2 檔鈕子開關可以選擇進入人工或是自動監測模式；調節電池電源開關可以選擇供電或是斷電。
3）SD 卡存儲 AD 采樣值
經過濾波、放大后的信號直接經 AD976 采 樣，采樣 值 由單片機控制送入 SD 卡存儲，即為原始信號數據。 后期，可以通過上位機軟件處理 SD 卡中的數據， 以還原初始聲發射信號，便于與監測信息作進一步比較分析。
4）可與 PC 機進行數據通信
儀器監測得到的信息可以斷電保存， 并且可通過通信接口與計算機標準接口連接， 將 EEPROM 和 SD 卡中的數據傳至上位機，以便對數據作進一步處理。 通過串口通信，上位機也可以向儀器發送控制命令，完成修改內部時鐘設置、下載歷史存儲數據等操作，這樣可以便于工作人員簡單直觀的操作。
5）充電電池與市電切換供電
當外 接 交 流電 斷 開 時，自 動 換 成由 充 電 電 池 供 電，使 得儀器在突發停電的情況下仍然能正常工作；外接交流電沒有斷開時，由交流電對儀器供電，同時又對電池進行充電。
6）儀器輕便、小巧
3 儀器組成
3.1 儀器的硬件設計
系統 的 硬件 結 構， 可分 為 模 擬 電 路 和 數 字 電 路 兩 大 部分。 模擬電路部分的框圖如圖 1 所示。
由傳 感 器的 探 頭 捕捉 到 的 聲 發 射 信 號 首 先 經 過 前 置 放大，然后通過 UAF42 進行低通濾波，接著將被濾除掉高頻噪聲的聲發射信號經由 INA128 進行放大 （放大倍數可由增益旋鈕調節），然后送入到耳機監聽電路和信號處理電路。 通過耳機監聽監測場所的聲發射聲音，以便操作者根據經驗判別巖體振動情況。 通過后續對信號的比較、相乘、壓/頻轉換、計數等處理，得到能夠反映巖體振動信息的參數值（大事件、總事件、能率）。 信號放大之后經由 AD976 采樣，并送 SD 卡存儲，便 于后 期 對 存儲 卡 中 的采 樣 數 據處 理 分 析，以 還 原 初 始聲發射信號，進一步比較分析。
數字電路部分的框圖如圖 2 所示。 串行時鐘芯片 DS1302提供系統時鐘[6]，以便實時記錄事件發生的時刻；用單片機內部定時器 T0 來控制在單位時間內讀取8254 計數器[5]中的計數值；SD 卡用來存儲經 AD976 采樣得到的數據；EEPROM 用來 存 儲 監測 數 據、監測 代 碼 及時 鐘 信 息等；由 數 碼管 驅 動 芯片 CH4528 來 實 現 控 制 8 個 8 位 的 數 碼 管 動 態 顯 示 監 測 參數；通 信 接 口電 路 用 來實 現 與 上位 機 通 信，可 將 監 測 數 據 傳送給 PC 機，PC 機也可通過串口向單片機發送命令。
由于 需 要 長時 間 存 儲 大 量 的 數 據 信 息， 因 此 選 用 4 片AT24C512（總共 2 Mbit 存儲空間）級聯的方式來實現外部存儲器的擴展， 利用單片機的 2 個 I/O 來控制選擇其中一片存儲芯片進行存取操作，具體連接電路如圖 3 所示。
3.2 儀器的軟件設計
軟件 部 分 采用 C 語 言 編制，使 用 結構 化 設 計方 法，使 軟件的開發具有良好的、清晰的結構。 在硬件調試無誤的前提下，針對各個功能模塊，編寫獨立的子程序進行調試，以實現相對獨立的各個模塊正常運行， 最后將各個子程序匯總，進行整體調試運行。 軟件主要由主控程序、信號采集模塊、計數模塊、時鐘模塊、顯示模塊、存儲模塊、通信模塊等部分組成，如圖 4 所示。
開機 通 電 后，系 統 自 動進 行 初 始化，時 鐘 模 塊 進 行 時 間初 始 設 定，內 置 電 池，掉 電 后 時 鐘 芯 片 繼 續 工 作，不 用 重 新設定初始值。 單片機通過 I/O 口讀入周期值和播碼值，選擇進入人工或是自動模式。 人工模式下只進行一次監測，一分鐘 時 間 內 單 片 機 不 停 地 將 8254 中 的 計 數 值 讀 出 并 送 到 數碼管 上 動 態顯 示；一 分鐘 時 間 到，保 持 此 時數 碼 管 上的 數 據不 變 并 且 開 始 閃 爍（以 提 示 一 分 鐘 時 間 到），同 時 將 此 時 顯示 的 數 據 存 入 EEPROM（AT24C512），等 待 下 次 重 新 啟 動 后開始新一輪的定時計數。 自動模式下（不需要手動控制進入下一 輪 計 數），由 輸 入 的周 期 值 來設 定 進 入循 環 監 測 的 時 鐘周期。 一分鐘監測時間內 AD976 啟動工作，單片機會將 AD采樣 值 送 入 SD 卡 實 時 存儲， 同 時 不停 地 讀 取 8254 計 數 值并送 數 碼 管 上 動 態 顯 示；一 分 鐘 時 間 到，停 止 AD 采 樣 和 數碼 管 上的 動 態 顯示，同 時 將此 時 顯 示的 數 據 存 入 EEPROM，等 待 下一 個 工 作周 期 到 來時，繼 續 進行 單 位 時間 內 的 監 測。每 次 EEPROM 和 SD 卡 的 存 儲 之 前 會 判 斷 是 否 存 滿， 若 沒有存 滿，則 繼續 向 下 一個 存 儲 單元 送 入 數據；若 已 經全 部 存滿，則 數 據 又回 到 初 始單 元 進 行覆 蓋 存 儲，這 樣 可 以保 證 存儲芯片中始終保留近期的監測數據，不會造成數據丟失。 軟件流程圖如圖 4 所示。
4 設計難點及解決方法
4.1 抗干擾設計
監控系統的現場運行環境惡劣，干擾嚴重。 鑒于此，系統設計中主要考慮從硬件上來有效地抑制干擾，阻斷干擾的傳輸通道。 在設計中選用通用有源二階低通濾波器，濾除高頻噪聲干擾。 設計電路時，全面考慮各種抑制干擾的措施，如在電路的每個關鍵部位配置去耦電容， 電源輸入端跨接 10 μF的電解電容，每個芯片電源引腳上 0.01 μF 并接高頻電容。電路中 不 使用 的 輸 入端 均 與 地相 接， 避 免引 起 邏 輯 電 平 不 正常。 元件布局要將模擬與數字電路分開，各自都有獨立的電源和地，最后在某一點將兩者的地相接。
4.2 8254 實現 3 路同時計數
8254 計數模塊是整個系統設計中最重要的部分之一，若不能精確地控制 8254 的計數工作， 計數值的錯誤將導致測量信息的不準，以導致系統監測失效。 設計采用 8254 的 3 路計數通道分別實現對大事件、總事件、能率的同時計數。 8254
工作在方式 0，由單片機的 I/O 口控制 GATE 門控信號，用門控信號的高低電平來控制計數器的啟動或者暫停。
5 結束語
基于 單 片機 設 計 的智 能 巖 體 聲 發 射 監 測 儀， 具 備 準 確監 測 聲 發 射 信 息 的 功 能， 同 時 也 順 利 實 現 了 信 號 采 集、顯示、存儲、發送等操作。 在設計中，硬件電路由模擬和數字兩部分 組 成。 模 擬 電 路完 成 對 輸入 信 號 的濾 波、放 大、比 較 等處理， 達 到 將微 弱 的 電信 號 轉 換為 方 便 采集 的 脈 沖 信 號 的目的。 數字電路完成對脈沖信號的計數、顯示、存儲、發送等處理，將 監測 得 到 的數 據 直 觀地 輸 出 到外 設，便 于工 作 人 員查看。 在系統設計中，采用一些措施能有效地抑制干擾。 通過在 軟 硬件 上 對 8254 的控 制，計 數 值 的 準 確 性 等 問 題 也 得到很好地解決。
[1] 晏志勇，劉芳． 一種基于單片機AT89S52的巖體聲發射監測儀的智能改進與實現[J]． 煤炭技術，2009，28（12）:125-128．YAN Zhi-yong，LIU fang. An improvement and implementationof intelligent rock acoustic emission monitoring based on singlechip AT89S52[J]. Coal tTechnology，2009，28（12）:125-128.
[2] 蔡美峰，何滿朝，劉東燕． 巖體力學與工程[M]． 北京：科學出版社，2006．
[3] 熊慶國，雒惠芳，賀風云． 新型便攜式巖體聲發射監測儀[J]．工礦自動化，2003，10（5）:113-116．XIONG Qing-guo，LUO Hui-fang，HE Feng-yun. Portablerock acoustic emission monitoring[J]. Mining Automation，2003，10（5）:113-116.
[4] 袁振明，馬羽寬，何澤云． 聲發射技術及其應用[M]． 北京：機械出版社，1985．
[5] 鄒向陽，李峰，劉戎． 智能儀器儀表中數字溫度實時時鐘功能的設計[J]． 自動化儀表，2009，30（2）:60-62．ZOU Xiang-yang，LI Feng，LIU Rong. Design of digitaltemperature real-time clock function in intelligent instrument[J].Automation Instrument，2009，30（2）:60-62.
[6] 楊文顯，楊晶鑫． 現代微型計算機與接口教程[M]． 2版.北京：清華大學出版社，2007．
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