基於單片機和DSl8B20傳感器實現土木工程溫度監測系統的設計

2020-12-11 電子發燒友

基於單片機和DSl8B20傳感器實現土木工程溫度監測系統的設計

陳娟 發表於 2020-12-09 10:17:09

1 引言

在土木工程中，許多大型的橋梁和大壩都是採用現場澆注的鋼筋混凝土結構。在此類工程中混凝土澆注以後，由於水泥的水化熱作用，混凝土內溫度將逐漸上升，混凝土厚度的差異導致不同的溫升，形成溫度梯度並產生溫度應力。與外力作用於結構時引起的應力不同，混凝土的溫度應力是由變形引起的;混凝土的導熱性能較差，澆注初期其強度和彈性模量都較低，溫度變化引起的變形不明顯。隨著齡期的增長，混凝土的強度和彈性模量提高，對混凝土變形的約束越來越大，以致產生很大的拉應力，當混凝土的抗拉強度不足以抵抗這種拉應力時，開始出現溫度裂紋。這將嚴重影響土木工程的質量，所以很有必要對混凝土澆注後的一段時期內的溫度參數進行監測，可為其合理的澆注和養護提供可靠的數據。採用凌陽科技公司的高性能SPCE061A型單片機、美國DALLAS公司的DSl8B20型傳感器、SPRl024型大容量存儲器、1602型液晶顯示構成一種適用於土木工程溫度的智能化監測裝置。

2 SPCE061A的特性

2.1 SPCE061A簡介

SPCE061A是凌陽科技公司生產的一款性價比很高的16位單片機，該單片機具有8路10位ADC，2路10位DAC，只需外接功率放大器（SPY0030A）即可完成語音的播放。另外，凌陽16位單片機易學易用，具有一套高效率的指令系統和集成開發環境。在此環境中，支持標準C語言，可以實現C語言與凌陽彙編語言的互相調用，為軟體開發提供了方便的條件。

SPCE061A內部還集成了1個ICE（在線仿真電路）接口，對其進行編程、仿真非常方便，而且ICE接口不佔用晶片上的硬體資源，結合凌陽科技公司提供的集成開發環境（μ inSPIDE），可以利用它對SPCE06lA進行真實的仿真;而程序的下載（燒寫）也是通過該接口進行的。圖1示出SPCE061A型單片機的內部結構框圖。

2.2 SPCE061A的特性

16位μ inSP微處理器;

工作電壓：內核工作電壓VDD為3.0 V～3.6V（CPU），I/O口的工作電壓VDDH為VDD「5.5 V（I/0）;

CPU時鐘：0.32 MHz」49.152 MHz;

內置2K字SRAM;

內置32K快閃記憶體ROM;

可編程音頻處理;

晶體振蕩器;

系統處於備用狀態下（時鐘處於停止狀態），耗電量小於2 μA@3.6 V;

2個16位可縮程定時器/計數器（可自動預置初始計數值）;

2個lO位DAC（數/模轉換）輸出通道;

32位通用可編程輸入/輸出埠;

14個中斷源可來自定時器A/B，時基，2個外部時鐘源輸入，鍵喚醒;

具備觸鍵喚醒的功能;

使用凌陽公司的音頻編碼SACMl_S240方式（2.4 kbit/s），能容納210 s的語音數據

鎖相環PLL振蕩器提供系統時鐘信號;

32 768 Hz實時時鐘;

7通道10位電壓模數轉換器（ADC）和單通道聲音模數轉換器;

聲音模數轉換器輸入通道內置麥克風放大器和自動增益控制（AGC）功能;

具備串行設備接口;

低電壓復位（LVR）和低電壓監測（LVD）功能;

內置在線仿真（ICE，In-Circuit Emulator）接口。

3 系統硬體設計

該系統是由一個SPCE061A精簡開發板（61板）、DSl8B20型l-Wire數字溫度傳感器、SPRl024型128 Kx8 bit Flash、1602型液晶顯示器和外擴UART串口電平轉換電路組成，可以實現溫度的測量、顯示、存儲與PC通信等功能。此系統以SPCE061A為核心，其硬體結構框圖如圖2所示，SPCE06lA與其他器件的連接如圖3所示。

4 系統軟體的設計

4.1 主程序的設計

主程序流程如圖4所示。主函數比較簡單，在程序開始後將系統時鐘調到24.576 MHz，程序中控制1602型液晶顯示器與DSl8B20需要嚴格的讀寫控制時序，其中軟體延時就是按照這個時鐘計算的。然後初始化I/O埠，打開2 Hz中斷，為定時lOmin做準備。調用開機顯示界面，在液晶1602上顯示所需字樣，持續一段時間，重新初始化1602，初始化SIO和UART，為使用SIO和UART做準備。然後進入循環，調用測溫函數測溫，調用顯示函數顯示，調用發送數據函數發送數據，判斷是否為設定的時間（10 min），如果是，調用存儲函數存儲數據;如果不是，直接執行下一步清看門狗操作，然後繼續循環。

4.2 子程序的設計

4.2.1 溫子程序

測溫時首先設置DSl8B20的DQ為高電平，然後初始化DSl8B20，DSl8B20接收單片機的命令，為了簡單起見，這裡跳過ROM命令設置匹配過程，然後再次初始化DSl8B20，啟動測溫，然後保存溫度並返回。DSl8B20的驅動程序可以參考DSl8B20的讀寫時序圖進行編程。測溫子程序如圖5所示。

4.2.2 顯示子程序

測得溫度後，將溫度數據轉換為十進位數的溫度表示，再通過查表（在C語言中是一個數組，參考Display函數中的Data［101］數組）調用1602顯示在液晶上，數據處理類似於由二進位轉換為十進位，再由十進位轉換為ASCⅡ碼，讀者可以參考相關的說明。

4.2.3 存儲子程序

調用SPR1024的用戶函數，完成存儲功能，存儲的數據沒有經過轉換，只是將溫度數據分為高低字節分兩次存儲。

4.2.4 UART通信子程序

通信子程序採用查詢的方法，數據格式為先發數據oxAA，然後是溫度數據的高字節和溫度數據的低字節，最後是0x55結束。

4.2.5 中斷的處理

在程序中打開2 Hz的中斷作為計時使用，設置全局變量g_Minl0為計數器，每進入中斷1次計數器加1。在主函數中判斷是否到達預定值（10 min），如果達到，計數器清0，重新開始計數。

5 結束語

該智能化溫度監測儀將單片機和大規模集成電路技術應用於土木工程測試中。在混凝土水化熱溫度監測、鋼結構表面溫度監測、大型機械設備溫度監測以及糧食、倉儲系統的溫度監測中取得成功的應用。它的成本低，布線簡單，使用維護方便，可以覆蓋幾乎所有的中低溫測量場合。

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