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施工混凝土內部熱量較難散發，外部表面熱量散發較快，內部和外部熱脹冷縮過程相應會在混凝土表面產生拉應力。溫差大到一定程度，混凝土表面拉應力超過當時的混凝土極限抗拉強度時，在混凝土表面會產生有害裂縫，有時甚至貫穿裂縫。另外，混凝土硬化后隨溫度降低產生收縮。由于受到地基約束，會產生很大外約束力，當超過當時的混凝土極限抗拉強度時，也會產生裂縫。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，需對混凝土澆筑過程中溫度變化實施實時監測。傳統監測方法要配專職測溫人員，使用電子測溫儀按時按孔測溫，并記錄測溫數據及時間。本設計為一種無線溫度監測系統，能定時、自動對溫度數據進行采集，無線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和中心控制節點構成。各節點以單片機STC89C52為控制元件。溫度采集節點由K偶溫度采集器、時鐘電路、數字顯示、無線發射電路等部分組成；中心控制節點由無線數據收發電路、RS232接口電路組成。溫度采集節點利用熱電偶測得混泥土測點實際溫度并轉換成毫伏級電壓信號。該電壓信號經過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。單片機進行數據處理后，通過4位LED顯示溫度值，同時將溫度與時鐘數據無線發射。中心控制節點無線接收溫度數據，并控制溫度采集節點完成數據發送。 無線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℃以內的溫度，其線性度較好，而且價格便宜。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-線性化處理-A／D轉換”模式，轉換環節多、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來完成“熱電偶電勢-溫度”的轉換，不需外圍電路、I／O接線簡單、精度高、成本低。 MAX6675是Maxim公司開發的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口產生時鐘脈沖時，MAX6675的SO腳輸出轉換數據。在每一個脈沖信號的下降沿輸出一個數據，16個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，MAX6675開始進行新的溫度轉換。在使用MAX6675時應該注意：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 時鐘電路 PCF8593用于產生定時中斷，接收到中斷后單片機先讀取日歷和時鐘數據并存儲，然后比較是否到定時時間。若是，便啟動溫度轉換，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)，采樣中斷時間值保存在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，可停止測溫。采樣時間間隔通過獨立按鍵進行修改。PCF8593具有時鐘、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、時鐘更新中斷可由軟件屏蔽或測試。使用時不需任何外圍電路，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。通過外部中斷P3．4，CPU每到設定溫度采集時間便脫離掉電模式。單片機讀1次PCF8593內部時間寄存器，得到當前的時間，啟動MAX6675完成溫度數據采集并存儲。電路如圖2(b)所示。 1．4 無線收發電路 系統采用無線收發器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，無需用戶對數據進行曼徹斯特編碼，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：發送數據和接收數據。發送數據時，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SPI總線把發送地址和待發送的數據都寫入相應的寄存器中，之后把 nRF905置于發送模塊(PWR_UP、TRX_CE和TX_EN全置高)，數據就會自動通過天線發送出去。若射頻配置寄存器中的自動重發位 (AUTO_RETRAN)設為有，數據包就會重復不斷地一直向外發，直到MCU把TRX_CE拉低，退出發送模式為止。為了數據更可靠地傳輸，多使用此種方式。接收數據時，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好，然后置其于接收模式(PWR UP="1"、TRX_CE=1、TX_EN=O)，nRF905就會自動接收空中的載波。若收到地址匹配的和校驗正確的有效數據，DR引腳會自動置高，MCU在檢測到這個信號后，可以改其為待機模式，通過SPI總線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。該電路天線部分使用的是50 Ω單端天線。 1．5 數據存儲 本數據存儲器是防止中心控制節點掉電時數據丟失，因為中心控制節點要和PC機通信，PC發給中心控制節點的信息需要存儲起來。可是，如果中心控制節點掉電，這些數據就會丟失，這樣會導致整個系統的崩潰，所以需要外接一個數據存儲芯片把這些數據存起來。如果中心控制節點掉電，還可以從這個數據存儲芯片中取回需要的數據，恢復整個系統運作。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，連線簡單，工作可靠等特點。 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字節的幀類型，1字節的數據長度，3字節的數據，2字節的校驗和。 (1)中心控制節點 中心控制節點一方面要和該區域內的所有無線傳感器節點配合，另一方面還要和PC機通信，根據需要把溫度數據顯示出來。據此，中心控制節點的程序設計如圖4 所示。 (2)溫度采集節點 溫度采集節點在設定時間完成溫度數據采集及存儲，并由無線收發器nRF905將該溫度數據發送給中心控制節點。溫度采集節點的程序設計如圖5所示。 結語 系統可根據用戶要求設定測溫時間，實現在混凝土澆筑過程中定時自動多點溫度檢測，自動記錄測量點溫度及測量時間，在混凝土澆筑過程中實現無人值守溫度變化實時監測。該系統實際運行穩定可靠，使用靈活方便。 |
