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換器采集溫度,并以nRF905實現(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溫度采集,溫度數(shù)據(jù)無線傳輸,自動記錄測量點溫度及測量時間。
關鍵詞:混凝土溫度;單片機;無線通信
引言
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(guī)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(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)進行采集,無線傳送至監(jiān)控中心并作記錄。
1 硬件設計
1.1 工作原理
本系統(tǒng)由溫度采集節(jié)點和中心控制節(jié)點構成。各節(jié)點以單片機STC89C52為控制元件。溫度采集節(jié)點由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(shù)字信號送入單片機。單片機進行數(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)點無線接收溫度數(shù)據(jù),并控制溫度采集節(jié)點完成數(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(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-冷端補償-線性化處理-A/D轉換”模式,轉換環(huán)節(jié)多、電路復雜、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”的轉換,不需外圍電路、I/O接線簡單、精度高、成本低。[!--empirenews.page--]
MAX6675是Maxim公司開發(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(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,其冷端補償?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(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為相應的溫度轉換數(shù)據(jù)。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(shù)字地混淆而影響芯片讀數(shù)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(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(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(shù)據(jù)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(jù)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(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)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(fā)送地址和待發(fā)送的數(shù)據(jù)都寫入相應的寄存器中,之后把nRF905置于發(fā)送模塊(PWR_UP、TRX_CE和TX_EN全置高),數(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)設為有,數(shù)據(jù)包就會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(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(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)點掉電時數(shù)據(jù)丟失,因為中心控制節(jié)點要和PC機通信,PC發(fā)給中心控制節(jié)點的信息需要存儲起來??墒?,如果中心控制節(jié)點掉電,這些數(shù)據(jù)就會丟失,這樣會導致整個系統(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),恢復整個系統(tǒng)運作。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。[!--empirenews.page--]
2 軟件設計
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)的校驗和。
(1)中心控制節(jié)點
中心控制節(jié)點一方面要和該區(qū)域內的所有無線傳感器節(jié)點配合,另一方面還要和PC機通信,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)點的程序設計如圖4所示。
(2)溫度采集節(jié)點
溫度采集節(jié)點在設定時間完成溫度數(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。溫度采集節(jié)點的程序設計如圖5所示。
結語
系統(tǒng)可根據(jù)用戶要求設定測溫時間,實現(xiàn)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(xiàn)無人值守溫度變化實時監(jiān)測。該系統(tǒng)實際運行穩(wěn)定可靠,使用靈活方便。