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施工混凝土內部熱量較難散發(fā)，外部表面熱量散發(fā)較快，內部和外部熱脹冷縮過(guò)程相應會(huì )在混凝土表面產(chǎn)生拉應力。溫差大到一定程度，混凝土表面拉應力超過(guò)當時(shí)的混凝土極限抗拉強度時(shí)，在混凝土表面會(huì )產(chǎn)生有害裂縫，有時(shí)甚至貫穿裂縫。另外，混凝土硬化后隨溫度降低產(chǎn)生收縮。由于受到地基約束，會(huì )產(chǎn)生很大外約束力，當超過(guò)當時(shí)的混凝土極限抗拉強度時(shí)，也會(huì )產(chǎn)生裂縫。為了了解基礎大體積混凝土內部由于水化熱引起的溫度升降規律，掌握基礎混凝土中心與表面、表面與大氣溫度間的溫度變化情況，需對混凝土澆筑過(guò)程中溫度變化實(shí)施實(shí)時(shí)監測。傳統監測方法要配專(zhuān)職測溫人員，使用電子測溫儀按時(shí)按孔測溫，并記錄測溫數據及時(shí)間。本設計為一種無(wú)線(xiàn)溫度監測系統，能定時(shí)、自動(dòng)對溫度數據進(jìn)行采集，無(wú)線(xiàn)傳送至監控中心并作記錄。 1 硬件設計 1．1 工作原理 本系統由溫度采集節點(diǎn)和中心控制節點(diǎn)構成。各節點(diǎn)以單片機STC89C52為控制元件。溫度采集節點(diǎn)由K偶溫度采集器、時(shí)鐘電路、數字顯示、無(wú)線(xiàn)發(fā)射電路等部分組成；中心控制節點(diǎn)由無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)電路、RS232接口電路組成。溫度采集節點(diǎn)利用熱電偶測得混泥土測點(diǎn)實(shí)際溫度并轉換成毫伏級電壓信號。該電壓信號經(jīng)過(guò)溫度檢測電路轉換成與溫度相對應的數字信號送入單片機。單片機進(jìn)行數據處理后，通過(guò)4位LED顯示溫度值，同時(shí)將溫度與時(shí)鐘數據無(wú)線(xiàn)發(fā)射。中心控制節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)接收溫度數據，并控制溫度采集節點(diǎn)完成數據發(fā)送。 無(wú)線(xiàn)溫度監控系統框圖如圖1所示。 1．2 溫度檢測電路 本系統采用的K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶，可測量1312℃以?xún)鹊臏囟�，其線(xiàn)性度較好，而且價(jià)格便宜。K型熱電偶的輸出是毫伏級電壓信號，最終要將其轉換成數字信號與CPU通信。傳統的溫度檢測電路采用“傳感器-濾波器-放大器-冷端補償-線(xiàn)性化處理-A／D轉換”模式，轉換環(huán)節多、電路復雜、精度低。在本系統中，采用的是高精度的集成芯片MAX6675來(lái)完成“熱電偶電勢-溫度”的轉換，不需外圍電路、I／O接線(xiàn)簡(jiǎn)單、精度高、成本低。 MAX6675是Maxim公司開(kāi)發(fā)的K型熱電偶轉換器，集成了濾波器、放大器等，并帶有熱電偶斷線(xiàn)檢測電路，自帶冷端補償，能將K型熱電偶輸出的電勢直接轉換成12位數字量，分辨率為0．25℃。溫度數據通過(guò)SPI端口輸出給單片機，其冷端補償的范圍是-20～80℃，測量范圍是O～1 023．75℃。 MAX6675與STC89C52接口電路如圖2(a)所示。當P2．7為低電平且P1．6口產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖時(shí)，MAX6675的SO腳輸出轉換數據。在每一個(gè)脈沖信號的下降沿輸出一個(gè)數據，16個(gè)脈沖信號完成一串完整的數據輸出，先輸出高電位D15，最后輸出低電位DO，D14～D3為相應的溫度轉換數據。當P2．7為高電平時(shí)，MAX6675開(kāi)始進(jìn)行新的溫度轉換。在使用MAX6675時(shí)應該注意：將其布置在遠離其他I／O芯片的地方，以降低電源噪聲的影響；MAX6675的T-端必須接地，而且和該芯片的電源地都是模擬地，不要與數字地混淆而影響芯片讀數的準確性。 1．3 時(shí)鐘電路 PCF8593用于產(chǎn)生定時(shí)中斷，接收到中斷后單片機先讀取日歷和時(shí)鐘數據并存儲，然后比較是否到定時(shí)時(shí)間。若是，便啟動(dòng)溫度轉換，再讀取溫度并存儲。單片機構成的采集裝置的缺省采樣間隔值為3 h(小時(shí))，采樣中斷時(shí)間值保存在PCF8593警告寄存器中。自混凝土入模至澆搗完畢的4天內，每隔2 h測溫1次，以后每隔4 h測溫1次。一般10～14天后可停止測溫，或溫度梯度＜200℃時(shí)，可停止測溫。采樣時(shí)間間隔通過(guò)獨立按鍵進(jìn)行修改。PCF8593具有時(shí)鐘、鬧鐘、12／24 h選擇功能；具有可編程方波輸出功能；報警中斷、周期性中斷、時(shí)鐘更新中斷可由軟件屏蔽或測試。使用時(shí)不需任何外圍電路，并具有良好的外圍接口。 PCF8593的SCL引腳與單片機的P3．1口相連。通過(guò)外部中斷P3．4，CPU每到設定溫度采集時(shí)間便脫離掉電模式。單片機讀1次PCF8593內部時(shí)間寄存器，得到當前的時(shí)間，啟動(dòng)MAX6675完成溫度數據采集并存儲。電路如圖2(b)所示。 1．4 無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路 系統采用無(wú)線(xiàn)收發(fā)器nRF905。nRF905片內集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器、功率放大器等模塊；曼徹斯特編碼／解碼由片內硬件完成，無(wú)需用戶(hù)對數據進(jìn)行曼徹斯特編碼，因此使用非常方便。 nRF905在正常工作前應由MCU先根據需要寫(xiě)好配置寄存器，或是按照默認配置工作，其后的工作主要是兩個(gè)：發(fā)送數據和接收數據。發(fā)送數據時(shí)，MCU應先把nRF905置于待機模式(PWR_UP引腳為高、TRX_CE引腳為低)然后通過(guò)SPI總線(xiàn)把發(fā)送地址和待發(fā)送的數據都寫(xiě)入相應的寄存器中，之后把 nRF905置于發(fā)送模塊(PWR_UP、TRX_CE和TX_EN全置高)，數據就會(huì )自動(dòng)通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送出去。若射頻配置寄存器中的自動(dòng)重發(fā)位 (AUTO_RETRAN)設為有，數據包就會(huì )重復不斷地一直向外發(fā)，直到MCU把TRX_CE拉低，退出發(fā)送模式為止。為了數據更可靠地傳輸，多使用此種方式。接收數據時(shí)，MCU先在nRF905的待機模式中把射頻配置寄存器中的接收地址寫(xiě)好，然后置其于接收模式(PWR UP="1"、TRX_CE=1、TX_EN=O)，nRF905就會(huì )自動(dòng)接收空中的載波。若收到地址匹配的和校驗正確的有效數據，DR引腳會(huì )自動(dòng)置高，MCU在檢測到這個(gè)信號后，可以改其為待機模式，通過(guò)SPI總線(xiàn)從接收數據寄存器中讀出有效數據。 根據不同需要，nRF905在使用中的電路圖不盡相同。圖3所示為應用原理圖。該電路天線(xiàn)部分使用的是50 Ω單端天線(xiàn)。 1．5 數據存儲 本數據存儲器是防止中心控制節點(diǎn)掉電時(shí)數據丟失，因為中心控制節點(diǎn)要和PC機通信，PC發(fā)給中心控制節點(diǎn)的信息需要存儲起來(lái)�？墒�，如果中心控制節點(diǎn)掉電，這些數據就會(huì )丟失，這樣會(huì )導致整個(gè)系統的崩潰，所以需要外接一個(gè)數據存儲芯片把這些數據存起來(lái)。如果中心控制節點(diǎn)掉電，還可以從這個(gè)數據存儲芯片中取回需要的數據，恢復整個(gè)系統運作。本數據存儲器選用的是AT24C01芯片，它是美國Atmel公司推出AT24C系列兩線(xiàn)制(串口型)電可擦除 E2PROM芯片。這些芯片具有體積小，工作電壓低，連線(xiàn)簡(jiǎn)單，工作可靠等特點(diǎn)。 2 軟件設計 數據包格式：每幀數據包括2字節的起始幀頭，1字節的地址，1字節的幀類(lèi)型，1字節的數據長(cháng)度，3字節的數據，2字節的校驗和。 (1)中心控制節點(diǎn) 中心控制節點(diǎn)一方面要和該區域內的所有無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)配合，另一方面還要和PC機通信，根據需要把溫度數據顯示出來(lái)。據此，中心控制節點(diǎn)的程序設計如圖4 所示。 (2)溫度采集節點(diǎn) 溫度采集節點(diǎn)在設定時(shí)間完成溫度數據采集及存儲，并由無(wú)線(xiàn)收發(fā)器nRF905將該溫度數據發(fā)送給中心控制節點(diǎn)。溫度采集節點(diǎn)的程序設計如圖5所示。 結語(yǔ) 系統可根據用戶(hù)要求設定測溫時(shí)間，實(shí)現在混凝土澆筑過(guò)程中定時(shí)自動(dòng)多點(diǎn)溫度檢測，自動(dòng)記錄測量點(diǎn)溫度及測量時(shí)間，在混凝土澆筑過(guò)程中實(shí)現無(wú)人值守溫度變化實(shí)時(shí)監測。該系統實(shí)際運行穩定可靠，使用靈活方便。 |
