大体积混凝土无线温度监测系统

2011-05-04

摘要：针对混凝土施工过程中温度检测的需要，设计一种无线温度监测系统。该系统基于STC89C52微控制器，采用K型热电偶配接热电偶转换器采集温度，并以nRF905实现温度数据无线收发。系统在混凝土浇筑过程中定时自动多点温度采集，温度数据无线传输，自动记录测量点温度及测量时间。
关键词：混凝土温度；单片机；无线通信

引言
施工混凝土内部热量较难散发，外部表面热量散发较快，内部和外部热胀冷缩过程相应会在混凝土表面产生拉应力。温差大到一定程度，混凝土表面拉应力超过当时的混凝土极限抗拉强度时，在混凝土表面会产生有害裂缝，有时甚至贯穿裂缝。另外，混凝土硬化后随温度降低产生收缩。由于受到地基约束，会产生很大外约束力，当超过当时的混凝土极限抗拉强度时，也会产生裂缝。为了了解基础大体积混凝土内部由于水化热引起的温度升降规律，掌握基础混凝土中心与表面、表面与大气温度间的温度变化情况，需对混凝土浇筑过程中温度变化实施实时监测。传统监测方法要配专职测温人员，使用电子测温仪按时按孔测温，并记录测温数据及时间。本设计为一种无线温度监测系统，能定时、自动对温度数据进行采集，无线传送至监控中心并作记录。

1 硬件设计
1．1 工作原理
本系统由温度采集节点和中心控制节点构成。各节点以单片机STC89C52为控制元件。温度采集节点由K偶温度采集器、时钟电路、数字显示、无线发射电路等部分组成；中心控制节点由无线数据收发电路、RS232接口电路组成。温度采集节点利用热电偶测得混泥土测点实际温度并转换成毫伏级电压信号。该电压信号经过温度检测电路转换成与温度相对应的数字信号送入单片机。单片机进行数据处理后，通过4位LED显示温度值，同时将温度与时钟数据无线发射。中心控制节点无线接收温度数据，并控制温度采集节点完成数据发送。
无线温度监控系统框图如图1所示。

1．2 温度检测电路
本系统采用的K型(镍铬-镍硅)热电偶，可测量1312℃以内的温度，其线性度较好，而且价格便宜。K型热电偶的输出是毫伏级电压信号，最终要将其转换成数字信号与CPU通信。传统的温度检测电路采用“传感器-滤波器-放大器-冷端补偿-线性化处理-A／D转换”模式，转换环节多、电路复杂、精度低。在本系统中，采用的是高精度的集成芯片MAX6675来完成“热电偶电势-温度”的转换，不需外围电路、I／O接线简单、精度高、成本低。

MAX6675是Maxim公司开发的K型热电偶转换器，集成了滤波器、放大器等，并带有热电偶断线检测电路，自带冷端补偿，能将K型热电偶输出的电势直接转换成12位数字量，分辨率为0．25℃。温度数据通过SPI端口输出给单片机，其冷端补偿的范围是-20～80℃，测量范围是O～1 023．75℃。

    MAX6675与STC89C52接口电路如图2(a)所示。当P2．7为低电平且P1．6口产生时钟脉冲时，MAX6675的SO脚输出转换数据。在每一个脉冲信号的下降沿输出一个数据，16个脉冲信号完成一串完整的数据输出，先输出高电位D15，最后输出低电位DO，D14～D3为相应的温度转换数据。当P2．7为高电平时，MAX6675开始进行新的温度转换。在使用MAX6675时应该注意：将其布置在远离其他I／O芯片的地方，以降低电源噪声的影响；MAX6675的T-端必须接地，而且和该芯片的电源地都是模拟地，不要与数字地混淆而影响芯片读数的准确性。
1．3 时钟电路
    PCF8593用于产生定时中断，接收到中断后单片机先读取日历和时钟数据并存储，然后比较是否到定时时间。若是，便启动温度转换，再读取温度并存储。单片机构成的采集装置的缺省采样间隔值为3 h(小时)，采样中断时间值保存在PCF8593警告寄存器中。自混凝土入模至浇捣完毕的4天内，每隔2 h测温1次，以后每隔4 h测温1次。一般10～14天后可停止测温，或温度梯度<200℃时，可停止测温。采样时间间隔通过独立按键进行修改。PCF8593具有时钟、闹钟、12／24 h选择功能；具有可编程方波输出功能；报警中断、周期性中断、时钟更新中断可由软件屏蔽或测试。使用时不需任何外围电路，并具有良好的外围接口。PCF8593的SCL引脚与单片机的P3．1口相连。通过外部中断P3．4，CPU每到设定温度采集时间便脱离掉电模式。单片机读1次PCF8593内部时间寄存器，得到当前的时间，启动MAX6675完成温度数据采集并存储。电路如图2(b)所示。
1．4 无线收发电路
    系统采用无线收发器nRF905。nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器、功率放大器等模块；曼彻斯特编码／解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。
    nRF905在正常工作前应由MCU先根据需要写好配置寄存器，或是按照默认配置工作，其后的工作主要是两个：发送数据和接收数据。发送数据时，MCU应先把nRF905置于待机模式(PWR_UP引脚为高、TRX_CE引脚为低)然后通过SPI总线把发送地址和待发送的数据都写入相应的寄存器中，之后把nRF905置于发送模块(PWR_UP、TRX_CE和TX_EN全置高)，数据就会自动通过天线发送出去。若射频配置寄存器中的自动重发位(AUTO_RETRAN)设为有，数据包就会重复不断地一直向外发，直到MCU把TRX_CE拉低，退出发送模式为止。为了数据更可靠地传输，多使用此种方式。接收数据时，MCU先在nRF905的待机模式中把射频配置寄存器中的接收地址写好，然后置其于接收模式(PWR UP=1、TRX_CE=1、TX_EN=O)，nRF905就会自动接收空中的载波。若收到地址匹配的和校验正确的有效数据，DR引脚会自动置高，MCU在检测到这个信号后，可以改其为待机模式，通过SPI总线从接收数据寄存器中读出有效数据。
    根据不同需要，nRF905在使用中的电路图不尽相同。图3所示为应用原理图。该电路天线部分使用的是50 Ω单端天线。

1．5 数据存储
本数据存储器是防止中心控制节点掉电时数据丢失，因为中心控制节点要和PC机通信，PC发给中心控制节点的信息需要存储起来。可是，如果中心控制节点掉电，这些数据就会丢失，这样会导致整个系统的崩溃，所以需要外接一个数据存储芯片把这些数据存起来。如果中心控制节点掉电，还可以从这个数据存储芯片中取回需要的数据，恢复整个系统运作。本数据存储器选用的是AT24C01芯片，它是美国Atmel公司推出AT24C系列两线制(串口型)电可擦除E2PROM芯片。这些芯片具有体积小，工作电压低，连线简单，工作可靠等特点。

2 软件设计
    数据包格式：每帧数据包括2字节的起始帧头，1字节的地址，1字节的帧类型，1字节的数据长度，3字节的数据，2字节的校验和。
    (1)中心控制节点
    中心控制节点一方面要和该区域内的所有无线传感器节点配合，另一方面还要和PC机通信，根据需要把温度数据显示出来。据此，中心控制节点的程序设计如图4所示。