SPCE061A型單片機在土木工程測溫儀中的應用與設計

　　1 引言

　　在土木工程中，許多大型的橋梁和大壩都是采用現場(chǎng)澆注的鋼筋混凝土結構。在此類(lèi)工程中混凝土澆注以后，由于水泥的水化熱作用，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，形成溫度梯度并產(chǎn)生溫度應力。與外力作用于結構時(shí)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(zhù)齡期的增長(cháng)，混凝土的強度和彈性模量提高，對混凝土變形的約束越來(lái)越大，以致產(chǎn)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(shí)，開(kāi)始出現溫度裂紋。這將嚴重影響土木工程的質(zhì)量，所以很有必要對混凝土澆注后的一段時(shí)期內的溫度參數進(jìn)行監測，可為其合理的澆注和養護提供可靠的數據。采用凌陽(yáng)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于土木工程溫度的智能化監測裝置。

　　2 SPCE061A的特性

　　2.1 SPCE061A簡(jiǎn)介

　　SPCE061A是凌陽(yáng)科技公司生產(chǎn)的一款性?xún)r(jià)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(yǔ)音的播放。另外，凌陽(yáng)16位單片機易學(xué)易用，具有一套高效率的指令系統和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。在此環(huán)境中，支持標準C語(yǔ)言，可以實(shí)現C語(yǔ)言與凌陽(yáng)匯編語(yǔ)言的互相調用，為軟件開(kāi)發(fā)提供了方便的條件。

　　SPCE061A內部還集成了1個(gè)ICE(在線(xiàn)仿真電路)接口，對其進(jìn)行編程、仿真非常方便，而且ICE接口不占用芯片上的硬件資源，結合凌陽(yáng)科技公司提供的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(μ’nSPIDE)，可以利用它對SPCE06lA進(jìn)行真實(shí)的仿真;而程序的下載(燒寫(xiě))也是通過(guò)該接口進(jìn)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’nSP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(shí)鐘：0.32 MHz~49.152 MHz;

　　內置2K字SRAM;

　　內置32K閃存ROM;

　　可編程音頻處理;

　　晶體振蕩器;

　　系統處于備用狀態(tài)下(時(shí)鐘處于停止狀態(tài))，耗電量小于2 μA@3.6 V;

　　2個(gè)16位可縮程定時(shí)器/計數器(可自動(dòng)預置初始計數值);

　　2個(gè)lO位DAC(數/模轉換)輸出通道;

　　32位通用可編程輸入/輸出端口;

　　14個(gè)中斷源可來(lái)自定時(shí)器A/B，時(shí)基，2個(gè)外部時(shí)鐘源輸入，鍵喚醒;

　　具備觸鍵喚醒的功能;

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

　　鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統時(shí)鐘信號;

　　32 768 Hz實(shí)時(shí)時(shí)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(fēng)放大器和自動(dòng)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(xiàn)仿真(ICE，In-Circuit Emulator)接口。

　　3 系統硬件設計

　　該系統是由一個(gè)SPCE061A精簡(jiǎn)開(kāi)發(fā)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(shí)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，其硬件結構框圖如圖2所示，SPCE06lA與其他器件的連接如圖3所示。

　　4 系統軟件的設計

　　4.1 主程序的設計

　　主程序流程如圖4所示。主函數比較簡(jiǎn)單，在程序開(kāi)始后將系統時(shí)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(xiě)控制時(shí)序，其中軟件延時(shí)就是按照這個(gè)時(shí)鐘計算的。然后初始化I/O端口，打開(kāi)2 Hz中斷，為定時(shí)lOmin做準備。調用開(kāi)機顯示界面，在液晶1602上顯示所需字樣，持續一段時(shí)間，重新初始化1602，初始化SIO和UART，為使用SIO和UART做準備。然后進(jìn)入循環(huán)，調用測溫函數測溫，調用顯示函數顯示，調用發(fā)送數據函數發(fā)送數據，判斷是否為設定的時(shí)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(mén)狗操作，然后繼續循環(huán)。

　　4.2 子程序的設計

　　4.2.1 溫子程序

　　測溫時(shí)首先設置DSl8B20的DQ為高電平，然后初始化DSl8B20，DSl8B20接收單片機的命令，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，這里跳過(guò)ROM命令設置匹配過(guò)程，然后再次初始化DSl8B20，啟動(dòng)測溫，然后保存溫度并返回。DSl8B20的驅動(dòng)程序可以參考DSl8B20的讀寫(xiě)時(shí)序圖進(jìn)行編程。測溫子程序如圖5所示。

　　4.2.2 顯示子程序

　　測得溫度后，將溫度數據轉換為十進(jìn)制數的溫度表示，再通過(guò)查表(在C語(yǔ)言中是一個(gè)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(lèi)似于由二進(jìn)制轉換為十進(jìn)制，再由十進(jìn)制轉換為ASCⅡ碼，讀者可以參考相關(guān)的說(shuō)明。

　　4.2.3 存儲子程序

　　調用SPR1024的用戶(hù)函數，完成存儲功能，存儲的數據沒(méi)有經(jīng)過(guò)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

　　通信子程序采用查詢(xún)的方法，數據格式為先發(fā)數據oxAA，然后是溫度數據的高字節和溫度數據的低字節，最后是0x55結束。

　　4.2.5 中斷的處理

　　在程序中打開(kāi)2 Hz的中斷作為計時(shí)使用，設置全局變量g_Minl0為計數器，每進(jìn)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(kāi)始計數。

　　5 結束語(yǔ)

　　該智能化溫度監測儀將單片機和大規模集成電路技術(shù)應用于土木工程測試中。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(xiàn)簡(jiǎn)單，使用維護方便，可以覆蓋幾乎所有的中低溫測量場(chǎng)合。