大體積混凝土無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：針對混凝土施工過程中溫度檢測的需要，設(shè)計一種無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于STC89C52微控制器，采用K型熱電偶配接熱電偶轉(zhuǎn)換器采集溫度，并以nRF905實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)無線收發(fā)。系統(tǒng)在混凝土澆筑過程中定時自動多點(diǎn)溫度采集，溫度數(shù)據(jù)無線傳輸，自動記錄測量點(diǎn)溫度及測量時間。
關(guān)鍵詞：混凝土溫度；單片機(jī)；無線通信

引言
    施工混凝土內(nèi)部熱量較難散發(fā)，外部表面熱量散發(fā)較快，內(nèi)部和外部熱脹冷縮過程相應(yīng)會在混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。溫差大到一定程度，混凝土表面拉應(yīng)力超過當(dāng)時的混凝土極限抗拉強(qiáng)度時，在混凝土表面會產(chǎn)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(chǎn)生收縮。由于受到地基約束，會產(chǎn)生很大外約束力，當(dāng)超過當(dāng)時的混凝土極限抗拉強(qiáng)度時，也會產(chǎn)生裂縫。為了了解基礎(chǔ)大體積混凝土內(nèi)部由于水化熱引起的溫度升降規(guī)律，掌握基礎(chǔ)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(shí)施實(shí)時監(jiān)測。傳統(tǒng)監(jiān)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(shù)據(jù)及時間。本設(shè)計為一種無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，能定時、自動對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，無線傳送至監(jiān)控中心并作記錄。

1 硬件設(shè)計
1．1 工作原理
    本系統(tǒng)由溫度采集節(jié)點(diǎn)和中心控制節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。各節(jié)點(diǎn)以單片機(jī)STC89C52為控制元件。溫度采集節(jié)點(diǎn)由K偶溫度采集器、時鐘電路、數(shù)字顯示、無線發(fā)射電路等部分組成；中心控制節(jié)點(diǎn)由無線數(shù)據(jù)收發(fā)電路、RS232接口電路組成。溫度采集節(jié)點(diǎn)利用熱電偶測得混泥土測點(diǎn)實(shí)際溫度并轉(zhuǎn)換成毫伏級電壓信號。該電壓信號經(jīng)過溫度檢測電路轉(zhuǎn)換成與溫度相對應(yīng)的數(shù)字信號送入單片機(jī)。單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過4位LED顯示溫度值，同時將溫度與時鐘數(shù)據(jù)無線發(fā)射。中心控制節(jié)點(diǎn)無線接收溫度數(shù)據(jù)，并控制溫度采集節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)發(fā)送。
    無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1．2 溫度檢測電路
    本系統(tǒng)采用的K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶，可測量1312℃以內(nèi)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號與CPU通信。傳統(tǒng)的溫度檢測電路采用“傳感器-濾波器-放大器-冷端補(bǔ)償-線性化處理-A／D轉(zhuǎn)換”模式，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、電路復(fù)雜、精度低。在本系統(tǒng)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(zhuǎn)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(fā)的K型熱電偶轉(zhuǎn)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(bǔ)償，能將K型熱電偶輸出的電勢直接轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量，分辨率為0．25℃。溫度數(shù)據(jù)通過SPI端口輸出給單片機(jī)，其冷端補(bǔ)償?shù)姆秶?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(dāng)P2．7為低電平且P1．6口產(chǎn)生時鐘脈沖時，MAX6675的SO腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在每一個脈沖信號的下降沿輸出一個數(shù)據(jù)，16個脈沖信號完成一串完整的數(shù)據(jù)輸出，先輸出高電位D15，最后輸出低電位DO，D14～D3為相應(yīng)的溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。當(dāng)P2．7為高電平時，MAX6675開始進(jìn)行新的溫度轉(zhuǎn)換。在使用MAX6675時應(yīng)該注意：將其布置在遠(yuǎn)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(shù)字地混淆而影響芯片讀數(shù)的準(zhǔn)確性。
1．3 時鐘電路
    PCF8593用于產(chǎn)生定時中斷，接收到中斷后單片機(jī)先讀取日歷和時鐘數(shù)據(jù)并存儲，然后比較是否到定時時間。若是，便啟動溫度轉(zhuǎn)換，再讀取溫度并存儲。單片機(jī)構(gòu)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(nèi)，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(dú)立按鍵進(jìn)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(jī)的P3．1口相連。通過外部中斷P3．4，CPU每到設(shè)定溫度采集時間便脫離掉電模式。單片機(jī)讀1次PCF8593內(nèi)部時間寄存器，得到當(dāng)前的時間，啟動MAX6675完成溫度數(shù)據(jù)采集并存儲。電路如圖2(b)所示。
1．4 無線收發(fā)電路
    系統(tǒng)采用無線收發(fā)器nRF905。nRF905片內(nèi)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(nèi)硬件完成，無需用戶對數(shù)據(jù)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(yīng)由MCU先根據(jù)需要寫好配置寄存器，或是按照默認(rèn)配置工作，其后的工作主要是兩個：發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)時，MCU應(yīng)先把nRF905置于待機(jī)模式(PWR_UP引腳為高、TRX_CE引腳為低)然后通過SPI總線把發(fā)送地址和待發(fā)送的數(shù)據(jù)都寫入相應(yīng)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(shù)據(jù)就會自動通過天線發(fā)送出去。若射頻配置寄存器中的自動重發(fā)位(AUTO_RETRAN)設(shè)為有，數(shù)據(jù)包就會重復(fù)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(shù)據(jù)更可靠地傳輸，多使用此種方式。接收數(shù)據(jù)時，MCU先在nRF905的待機(jī)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(yàn)正確的有效數(shù)據(jù)，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(jī)模式，通過SPI總線從接收數(shù)據(jù)寄存器中讀出有效數(shù)據(jù)。
    根據(jù)不同需要，nRF905在使用中的電路圖不盡相同。圖3所示為應(yīng)用原理圖。該電路天線部分使用的是50 Ω單端天線。

1．5 數(shù)據(jù)存儲
    本數(shù)據(jù)存儲器是防止中心控制節(jié)點(diǎn)掉電時數(shù)據(jù)丟失，因?yàn)橹行目刂乒?jié)點(diǎn)要和PC機(jī)通信，PC發(fā)給中心控制節(jié)點(diǎn)的信息需要存儲起來。可是，如果中心控制節(jié)點(diǎn)掉電，這些數(shù)據(jù)就會丟失，這樣會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰，所以需要外接一個數(shù)據(jù)存儲芯片把這些數(shù)據(jù)存起來。如果中心控制節(jié)點(diǎn)掉電，還可以從這個數(shù)據(jù)存儲芯片中取回需要的數(shù)據(jù)，恢復(fù)整個系統(tǒng)運(yùn)作。本數(shù)據(jù)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(diǎn)。

2 軟件設(shè)計
    數(shù)據(jù)包格式：每幀數(shù)據(jù)包括2字節(jié)的起始幀頭，1字節(jié)的地址，1字節(jié)的幀類型，1字節(jié)的數(shù)據(jù)長度，3字節(jié)的數(shù)據(jù)，2字節(jié)的校驗(yàn)和。
    (1)中心控制節(jié)點(diǎn)
    中心控制節(jié)點(diǎn)一方面要和該區(qū)域內(nèi)的所有無線傳感器節(jié)點(diǎn)配合，另一方面還要和PC機(jī)通信，根據(jù)需要把溫度數(shù)據(jù)顯示出來。據(jù)此，中心控制節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計如圖4所示。

    (2)溫度采集節(jié)點(diǎn)
    溫度采集節(jié)點(diǎn)在設(shè)定時間完成溫度數(shù)據(jù)采集及存儲，并由無線收發(fā)器nRF905將該溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給中心控制節(jié)點(diǎn)。溫度采集節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計如圖5所示。

結(jié)語
    系統(tǒng)可根據(jù)用戶要求設(shè)定測溫時間，實(shí)現(xiàn)在混凝土澆筑過程中定時自動多點(diǎn)溫度檢測，自動記錄測量點(diǎn)溫度及測量時間，在混凝土澆筑過程中實(shí)現(xiàn)無人值守溫度變化實(shí)時監(jiān)測。該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用靈活方便。