我国 在 岩 体声 发 射 技术 的 研 究 与 应 用 领 域 已 经 取 得 了不 少成 果，先 后成 功 研 制出 声 发 射监 测 仪，广泛 用 于 矿 山 岩体 局部 冒 落、露天 边 坡 滑坡 等 预 警中，避 免 了人 员 伤 亡 和 设备损坏。 单片机具有集成度高、体积小、可靠性强、价格低、面向控制等优点。 鉴于此，声发射监测仪器大多采用单片机来完成声发射参数的监测和数据分析显示。 这样一来，声发射监测仪器在体积和重量上有了进一步的缩小，实用性大大增强[1]。
便携式智能岩体声 发射 监 测 仪选 用 STC89C58RD+单 片机作为控制器，外围连接电子元件，能够实现连续监测、终端显示、数据长期保存、数据通信等复杂功能。
1 岩体声发射监测原理
材料在受到外荷载作用时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波并发出声响，称为声发射[2]。 利用仪器对声发射信号进行采集、处理、分析的方法称为声发射技术[3]。 目前对声发射的表征参数都是通过对仪器输出波形的处理得到的，这些参数主要有声发射事件与振铃计数率和总数、幅度及幅度分析、能量及能量分布、有效电压值、频谱和波形等[4]。
岩体 作 为非 均 质 固体 材 料，在变 形 过 程 中，会 产 生 一 系列声发射信号（亦称岩音）。 对岩体声发射状态进行监测分析可预测岩体稳定性[3]。 本文通过研究岩体声发射信号在单位时间内的事件率及总能率的变化情况，来反映岩体的振动状态，预测岩体稳定性。
2 仪器功能及特点
1）监测信息（声发射参数）
以下测量信息均以十进制形式显示在数码管上，便于读取。大事件：单位时间内幅度大于设定值（阈值）的事件累计数（个/分），反映较大声发射幅度；
总事件：单位时间内声发射 事件 累 计 数（个/分），反 映声发射频度；
能率：与 单位 时 间 声发 射 能 量 成 正 比 例 的 量（无 量 纲），反映声发射能量[3]。
2）通过调节面板上的旋钮，更改设置
调节两位播码盘可以修改监测点代码值 （00-99 范围内可调）；调节增益旋钮可以设置放大器的放大倍数（有 8 个档位可 选，依 次放 大 10-80 倍）；调节 阈 值 旋钮 设 定 大 事 件、总事件 的 阈 值（有 4 个 档 位，依 次 选 择 4 组 电 压 参 考 值）；调 节周 期 旋 钮可 以 设 置监 测 周 期（有 8 个 档 位，依 次 选 择 周 期 为2-9 分钟）；调节 2 档钮子开关可以选择进入人工或是自动监测模式；调节电池电源开关可以选择供电或是断电。
3）SD 卡存储 AD 采样值
经过滤波、放大后的信号直接经 AD976 采 样，采样 值 由单片机控制送入 SD 卡存储，即为原始信号数据。 后期，可以通过上位机软件处理 SD 卡中的数据， 以还原初始声发射信号，便于与监测信息作进一步比较分析。
4）可与 PC 机进行数据通信
仪器监测得到的信息可以断电保存， 并且可通过通信接口与计算机标准接口连接， 将 EEPROM 和 SD 卡中的数据传至上位机，以便对数据作进一步处理。 通过串口通信，上位机也可以向仪器发送控制命令，完成修改内部时钟设置、下载历史存储数据等操作，这样可以便于工作人员简单直观的操作。
5）充电电池与市电切换供电
当外 接 交 流电 断 开 时，自 动 换 成由 充 电 电 池 供 电，使 得仪器在突发停电的情况下仍然能正常工作；外接交流电没有断开时，由交流电对仪器供电，同时又对电池进行充电。
6）仪器轻便、小巧
3 仪器组成
3.1 仪器的硬件设计
系统 的 硬件 结 构， 可分 为 模 拟 电 路 和 数 字 电 路 两 大 部分。 模拟电路部分的框图如图 1 所示。
由传 感 器的 探 头 捕捉 到 的 声 发 射 信 号 首 先 经 过 前 置 放大，然后通过 UAF42 进行低通滤波，接着将被滤除掉高频噪声的声发射信号经由 INA128 进行放大 （放大倍数可由增益旋钮调节），然后送入到耳机监听电路和信号处理电路。 通过耳机监听监测场所的声发射声音，以便操作者根据经验判别岩体振动情况。 通过后续对信号的比较、相乘、压/频转换、计数等处理，得到能够反映岩体振动信息的参数值（大事件、总事件、能率）。 信号放大之后经由 AD976 采样，并送 SD 卡存储，便 于后 期 对 存储 卡 中 的采 样 数 据处 理 分 析，以 还 原 初 始声发射信号，进一步比较分析。
数字电路部分的框图如图 2 所示。 串行时钟芯片 DS1302提供系统时钟[6]，以便实时记录事件发生的时刻；用单片机内部定时器 T0 来控制在单位时间内读取8254 计数器[5]中的计数值；SD 卡用来存储经 AD976 采样得到的数据；EEPROM 用来 存 储 监测 数 据、监测 代 码 及时 钟 信 息等；由 数 码管 驱 动 芯片 CH4528 来 实 现 控 制 8 个 8 位 的 数 码 管 动 态 显 示 监 测 参数；通 信 接 口电 路 用 来实 现 与 上位 机 通 信，可 将 监 测 数 据 传送给 PC 机，PC 机也可通过串口向单片机发送命令。
由于 需 要 长时 间 存 储 大 量 的 数 据 信 息， 因 此 选 用 4 片AT24C512（总共 2 Mbit 存储空间）级联的方式来实现外部存储器的扩展， 利用单片机的 2 个 I/O 来控制选择其中一片存储芯片进行存取操作，具体连接电路如图 3 所示。
3.2 仪器的软件设计
软件 部 分 采用 C 语 言 编制，使 用 结构 化 设 计方 法，使 软件的开发具有良好的、清晰的结构。 在硬件调试无误的前提下，针对各个功能模块，编写独立的子程序进行调试，以实现相对独立的各个模块正常运行， 最后将各个子程序汇总，进行整体调试运行。 软件主要由主控程序、信号采集模块、计数模块、时钟模块、显示模块、存储模块、通信模块等部分组成，如图 4 所示。
开机 通 电 后，系 统 自 动进 行 初 始化，时 钟 模 块 进 行 时 间初 始 设 定，内 置 电 池，掉 电 后 时 钟 芯 片 继 续 工 作，不 用 重 新设定初始值。 单片机通过 I/O 口读入周期值和播码值，选择进入人工或是自动模式。 人工模式下只进行一次监测，一分钟 时 间 内 单 片 机 不 停 地 将 8254 中 的 计 数 值 读 出 并 送 到 数码管 上 动 态显 示；一 分钟 时 间 到，保 持 此 时数 码 管 上的 数 据不 变 并 且 开 始 闪 烁（以 提 示 一 分 钟 时 间 到），同 时 将 此 时 显示 的 数 据 存 入 EEPROM（AT24C512），等 待 下 次 重 新 启 动 后开始新一轮的定时计数。 自动模式下（不需要手动控制进入下一 轮 计 数），由 输 入 的周 期 值 来设 定 进 入循 环 监 测 的 时 钟周期。 一分钟监测时间内 AD976 启动工作，单片机会将 AD采样 值 送 入 SD 卡 实 时 存储， 同 时 不停 地 读 取 8254 计 数 值并送 数 码 管 上 动 态 显 示；一 分 钟 时 间 到，停 止 AD 采 样 和 数码 管 上的 动 态 显示，同 时 将此 时 显 示的 数 据 存 入 EEPROM，等 待 下一 个 工 作周 期 到 来时，继 续 进行 单 位 时间 内 的 监 测。每 次 EEPROM 和 SD 卡 的 存 储 之 前 会 判 断 是 否 存 满， 若 没有存 满，则 继续 向 下 一个 存 储 单元 送 入 数据；若 已 经全 部 存满，则 数 据 又回 到 初 始单 元 进 行覆 盖 存 储，这 样 可 以保 证 存储芯片中始终保留近期的监测数据，不会造成数据丢失。 软件流程图如图 4 所示。
4 设计难点及解决方法
4.1 抗干扰设计
监控系统的现场运行环境恶劣，干扰严重。 鉴于此，系统设计中主要考虑从硬件上来有效地抑制干扰，阻断干扰的传输通道。 在设计中选用通用有源二阶低通滤波器，滤除高频噪声干扰。 设计电路时，全面考虑各种抑制干扰的措施，如在电路的每个关键部位配置去耦电容， 电源输入端跨接 10 μF的电解电容，每个芯片电源引脚上 0.01 μF 并接高频电容。电路中 不 使用 的 输 入端 均 与 地相 接， 避 免引 起 逻 辑 电 平 不 正常。 元件布局要将模拟与数字电路分开，各自都有独立的电源和地，最后在某一点将两者的地相接。
4.2 8254 实现 3 路同时计数
8254 计数模块是整个系统设计中最重要的部分之一，若不能精确地控制 8254 的计数工作， 计数值的错误将导致测量信息的不准，以导致系统监测失效。 设计采用 8254 的 3 路计数通道分别实现对大事件、总事件、能率的同时计数。 8254
工作在方式 0，由单片机的 I/O 口控制 GATE 门控信号，用门控信号的高低电平来控制计数器的启动或者暂停。
5 结束语
基于 单 片机 设 计 的智 能 岩 体 声 发 射 监 测 仪， 具 备 准 确监 测 声 发 射 信 息 的 功 能， 同 时 也 顺 利 实 现 了 信 号 采 集、显示、存储、发送等操作。 在设计中，硬件电路由模拟和数字两部分 组 成。 模 拟 电 路完 成 对 输入 信 号 的滤 波、放 大、比 较 等处理， 达 到 将微 弱 的 电信 号 转 换为 方 便 采集 的 脉 冲 信 号 的目的。 数字电路完成对脉冲信号的计数、显示、存储、发送等处理，将 监测 得 到 的数 据 直 观地 输 出 到外 设，便 于工 作 人 员查看。 在系统设计中，采用一些措施能有效地抑制干扰。 通过在 软 硬件 上 对 8254 的控 制，计 数 值 的 准 确 性 等 问 题 也 得到很好地解决。
[1] 晏志勇，刘芳． 一种基于单片机AT89S52的岩体声发射监测仪的智能改进与实现[J]． 煤炭技术，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，何满朝，刘东燕． 岩体力学与工程[M]． 北京：科学出版社，2006．
[3] 熊庆国，雒惠芳，贺风云． 新型便携式岩体声发射监测仪[J]．工矿自动化，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，马羽宽，何泽云． 声发射技术及其应用[M]． 北京：机械出版社，1985．
[5] 邹向阳，李峰，刘戎． 智能仪器仪表中数字温度实时时钟功能的设计[J]． 自动化仪表，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] 杨文显，杨晶鑫． 现代微型计算机与接口教程[M]． 2版.北京：清华大学出版社，2007．
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