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(huì)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(shí)的混凝土極限抗拉強(qiáng)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(dāng)超過當(dāng)時(shí)的混凝土極限抗拉強(qiáng)度時(shí),，也會(huì)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(duì)混凝土澆筑過程中溫度變化實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法要配專職測(cè)溫人員，使用電子測(cè)溫儀按時(shí)按孔測(cè)溫,，并記錄測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)及時(shí)間,。本設(shè)計(jì)為一種無線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能定時(shí),、自動(dòng)對(duì)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(jì)

　　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(shí)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(cè)得混泥土測(cè)點(diǎn)實(shí)際溫度并轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)經(jīng)過溫度檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成與溫度相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)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(shí)將溫度與時(shí)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(cè)電路

　　本系統(tǒng)采用的K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶,，可測(cè)量1312℃以內(nèi)的溫度，其線性度較好,，而且價(jià)格便宜,。K型熱電偶的輸出是毫伏級(jí)電壓信號(hào)，最終要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)與CPU通信,。傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)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(shì)-溫度”的轉(zhuǎn)換,，不需外圍電路,、I／O接線簡(jiǎn)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(cè)電路,，自帶冷端補(bǔ)償，能將K型熱電偶輸出的電勢(shì)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(cè)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(shí)鐘脈沖時(shí),，MAX6675的SO腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),。在每一個(gè)脈沖信號(hào)的下降沿輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，16個(gè)脈沖信號(hào)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(shí)，MAX6675開始進(jìn)行新的溫度轉(zhuǎn)換,。在使用MAX6675時(shí)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(shí)鐘電路

　　PCF8593用于產(chǎn)生定時(shí)中斷,，接收到中斷后單片機(jī)先讀取日歷和時(shí)鐘數(shù)據(jù)并存儲(chǔ),，然后比較是否到定時(shí)時(shí)間。若是,，便啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換,，再讀取溫度并存儲(chǔ)。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(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(nèi)，每隔2 h測(cè)溫1次,，以后每隔4 h測(cè)溫1次,。一般10～14天后可停止測(cè)溫，或溫度梯度<200℃時(shí),，可停止測(cè)溫,。采樣時(shí)間間隔通過獨(dú)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(bào)警中斷,、周期性中斷,、時(shí)鐘更新中斷可由軟件屏蔽或測(cè)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(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(shí)間便脫離掉電模式,。單片機(jī)讀1次PCF8593內(nèi)部時(shí)間寄存器，得到當(dāng)前的時(shí)間,，啟動(dòng)MAX6675完成溫度數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ),。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(duì)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(gè)：發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),，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(huì)自動(dòng)通過天線發(fā)送出去。若射頻配置寄存器中的自動(dòng)重發(fā)位 (AUTO_RETRAN)設(shè)為有,，數(shù)據(jù)包就會(huì)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(shí)，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(huì)自動(dòng)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(huì)自動(dòng)置高,，MCU在檢測(cè)到這個(gè)信號(hào)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(chǔ)

　　本數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是防止中心控制節(jié)點(diǎn)掉電時(shí)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(chǔ)起來,。可是,，如果中心控制節(jié)點(diǎn)掉電,，這些數(shù)據(jù)就會(huì)丟失，這樣會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰,，所以需要外接一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片中取回需要的數(shù)據(jù),，恢復(fù)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作。本數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jiǎn)單,，工作可靠等特點(diǎn)。

　　2 軟件設(shè)計(jì)

　　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(zhǎng)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(jì)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(shí)間完成溫度數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ),，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(jì)如圖5所示,。

　　結(jié)語

　　系統(tǒng)可根據(jù)用戶要求設(shè)定測(cè)溫時(shí)間,，實(shí)現(xiàn)在混凝土澆筑過程中定時(shí)自動(dòng)多點(diǎn)溫度檢測(cè)，自動(dòng)記錄測(cè)量點(diǎn)溫度及測(cè)量時(shí)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(shí)監(jiān)測(cè),。該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用靈活方便,。