基于单片机和DSl8B20传感器实现土木工程温度监测系统的设计

1 引言

在土木工程中，许多大型的桥梁和大坝都是采用现场浇注的钢筋混凝土结构。在此类工程中混凝土浇注以后，由于水泥的水化热作用，混凝土内温度将逐渐上升，混凝土厚度的差异导致不同的温升，形成温度梯度并产生温度应力。与外力作用于结构时引起的应力不同，混凝土的温度应力是由变形引起的;混凝土的导热性能较差，浇注初期其强度和弹性模量都较低，温度变化引起的变形不明显。随着龄期的增长，混凝土的强度和弹性模量提高，对混凝土变形的约束越来越大，以致产生很大的拉应力，当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时，开始出现温度裂纹。这将严重影响土木工程的质量，所以很有必要对混凝土浇注后的一段时期内的温度参数进行监测，可为其合理的浇注和养护提供可靠的数据。采用凌阳科技公司的高性能SPCE061A型单片机、美国DALLAS公司的DSl8B20型传感器、SPRl024型大容量存储器、1602型液晶显示构成一种适用于土木工程温度的智能化监测装置。

2 SPCE061A的特性

2.1 SPCE061A简介

SPCE061A是凌阳科技公司生产的一款性价比很高的16位单片机，该单片机具有8路10位ADC，2路10位DAC，只需外接功率放大器（SPY0030A）即可完成语音的播放。另外，凌阳16位单片机易学易用，具有一套高效率的指令系统和集成开发环境。在此环境中，支持标准C语言，可以实现C语言与凌阳汇编语言的互相调用，为软件开发提供了方便的条件。

SPCE061A内部还集成了1个ICE（在线仿真威廉希尔官方网站 ）接口，对其进行编程、仿真非常方便，而且ICE接口不占用芯片上的硬件资源，结合凌阳科技公司提供的集成开发环境（μ inSPIDE），可以利用它对SPCE06lA进行真实的仿真;而程序的下载（烧写）也是通过该接口进行的。图1示出SPCE061A型单片机的内部结构框图。

2.2 SPCE061A的特性

16位μ inSP微处理器;

工作电压：内核工作电压VDD为3.0 V～3.6V（CPU），I/O口的工作电压VDDH为VDD“5.5 V（I/0）;

CPU时钟：0.32 MHz”49.152 MHz;

内置2K字SRAM;

内置32K闪存ROM;

可编程音频处理;

晶体振荡器;

系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电量小于2 μA@3.6 V;

2个16位可缩程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）;

2个lO位DAC（数/模转换）输出通道;

32位通用可编程输入/输出端口;

14个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒;

具备触键唤醒的功能;

使用凌阳公司的音频编码SACMl_S240方式（2.4 kbit/s），能容纳210 s的语音数据

锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号;

32 768 Hz实时时钟;

7通道10位电压模数转换器（ADC）和单通道声音模数转换器;

声音模数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制（AGC）功能;

具备串行设备接口;

低电压复位（LVR）和低电压监测（LVD）功能;

内置在线仿真（ICE，In-Circuit Emulator）接口。

3 系统硬件设计

该系统是由一个SPCE061A精简开发板（61板）、DSl8B20型l-Wire数字温度传感器、SPRl024型128 Kx8 bit Flash、1602型液晶显示器和外扩UART串口电平转换威廉希尔官方网站 组成，可以实现温度的测量、显示、存储与PC通信等功能。此系统以SPCE061A为核心，其硬件结构框图如图2所示，SPCE06lA与其他器件的连接如图3所示。

4 系统软件的设计

4.1 主程序的设计

主程序流程如图4所示。主函数比较简单，在程序开始后将系统时钟调到24.576 MHz，程序中控制1602型液晶显示器与DSl8B20需要严格的读写控制时序，其中软件延时就是按照这个时钟计算的。然后初始化I/O端口，打开2 Hz中断，为定时lOmin做准备。调用开机显示界面，在液晶1602上显示所需字样，持续一段时间，重新初始化1602，初始化SIO和UART，为使用SIO和UART做准备。然后进入循环，调用测温函数测温，调用显示函数显示，调用发送数据函数发送数据，判断是否为设定的时间（10 min），如果是，调用存储函数存储数据;如果不是，直接执行下一步清看门狗操作，然后继续循环。

4.2 子程序的设计

4.2.1 温子程序

测温时首先设置DSl8B20的DQ为高电平，然后初始化DSl8B20，DSl8B20接收单片机的命令，为了简单起见，这里跳过ROM命令设置匹配过程，然后再次初始化DSl8B20，启动测温，然后保存温度并返回。DSl8B20的驱动程序可以参考DSl8B20的读写时序图进行编程。测温子程序如图5所示。

4.2.2 显示子程序

测得温度后，将温度数据转换为十进制数的温度表示，再通过查表（在C语言中是一个数组，参考Display函数中的Data［101］数组）调用1602显示在液晶上，数据处理类似于由二进制转换为十进制，再由十进制转换为ASCⅡ码，读者可以参考相关的说明。

4.2.3 存储子程序

调用SPR1024的用户函数，完成存储功能，存储的数据没有经过转换，只是将温度数据分为高低字节分两次存储。

4.2.4 UART通信子程序

通信子程序采用查询的方法，数据格式为先发数据oxAA，然后是温度数据的高字节和温度数据的低字节，最后是0x55结束。

4.2.5 中断的处理

在程序中打开2 Hz的中断作为计时使用，设置全局变量g_Minl0为计数器，每进入中断1次计数器加1。在主函数中判断是否到达预定值（10 min），如果达到，计数器清0，重新开始计数。

5 结束语

该智能化温度监测仪将单片机和大规模集成威廉希尔官方网站 技术应用于土木工程测试中。在混凝土水化热温度监测、钢结构表面温度监测、大型机械设备温度监测以及粮食、仓储系统的温度监测中取得成功的应用。它的成本低，布线简单，使用维护方便，可以覆盖几乎所有的中低温测量场合。

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