SPCE061A型單片機(jī)在土木工程測溫儀中的應(yīng)用與設(shè)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(xiàn)場澆注的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在此類工程中混凝土澆注以后，由于水泥的水化熱作用，混凝土內(nèi)溫度將逐漸上升，混凝土厚度的差異導(dǎo)致不同的溫升，形成溫度梯度并產(chǎn)生溫度應(yīng)力。與外力作用于結(jié)構(gòu)時引起的應(yīng)力不同，混凝土的溫度應(yīng)力是由變形引起的;混凝土的導(dǎo)熱性能較差，澆注初期其強(qiáng)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(qiáng)度和彈性模量提高，對混凝土變形的約束越來越大，以致產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗這種拉應(yīng)力時，開始出現(xiàn)溫度裂紋。這將嚴(yán)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期內(nèi)的溫度參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，可為其合理的澆注和養(yǎng)護(hù)提供可靠的數(shù)據(jù)。采用凌陽科技公司的高性能SPCE061A型單片機(jī)、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(gòu)成一種適用于土木工程溫度的智能化監(jiān)測裝置。

　　2 SPCE061A的特性

　　2.1 SPCE061A簡介

　　SPCE061A是凌陽科技公司生產(chǎn)的一款性價比很高的16位單片機(jī)，該單片機(jī)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(jī)易學(xué)易用，具有一套高效率的指令系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境。在此環(huán)境中，支持標(biāo)準(zhǔn)C語言，可以實現(xiàn)C語言與凌陽匯編語言的互相調(diào)用，為軟件開發(fā)提供了方便的條件。

　　SPCE061A內(nèi)部還集成了1個ICE(在線仿真電路)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(jié)合凌陽科技公司提供的集成開發(fā)環(huán)境(μ’nSPIDE)，可以利用它對SPCE06lA進(jìn)行真實的仿真;而程序的下載(燒寫)也是通過該接口進(jìn)行的。圖1示出SPCE061A型單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

　　2.2 SPCE061A的特性

　　16位μ’nSP微處理器;

　　工作電壓：內(nèi)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(nèi)置2K字SRAM;

　　內(nèi)置32K閃存ROM;

　　可編程音頻處理;

　　晶體振蕩器;

　　系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時鐘處于停止?fàn)顟B(tài))，耗電量小于2 μA@3.6 V;

　　2個16位可縮程定時器/計數(shù)器(可自動預(yù)置初始計數(shù)值);

　　2個lO位DAC(數(shù)/模轉(zhuǎn)換)輸出通道;

　　32位通用可編程輸入/輸出端口;

　　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(shù)據(jù);

　　鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號;

　　32 768 Hz實時時鐘;

　　7通道10位電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模數(shù)轉(zhuǎn)換器;

　　聲音模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動增益控制(AGC)功能;

　　具備串行設(shè)備接口;

　　低電壓復(fù)位(LVR)和低電壓監(jiān)測(LVD)功能;

　　內(nèi)置在線仿真(ICE，In-Circuit Emulator)接口。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　該系統(tǒng)是由一個SPCE061A精簡開發(fā)板(61板)、DSl8B20型l-Wire數(shù)字溫度傳感器、SPRl024型128 Kx8 bit Flash、1602型液晶顯示器和外擴(kuò)UART串口電平轉(zhuǎn)換電路組成，可以實現(xiàn)溫度的測量、顯示、存儲與PC通信等功能。此系統(tǒng)以SPCE061A為核心，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，SPCE06lA與其他器件的連接如圖3所示。

　　4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

　　4.1 主程序的設(shè)計

　　主程序流程如圖4所示。主函數(shù)比較簡單，在程序開始后將系統(tǒng)時鐘調(diào)到24.576 MHz，程序中控制1602型液晶顯示器與DSl8B20需要嚴(yán)格的讀寫控制時序，其中軟件延時就是按照這個時鐘計算的。然后初始化I/O端口，打開2 Hz中斷，為定時lOmin做準(zhǔn)備。調(diào)用開機(jī)顯示界面，在液晶1602上顯示所需字樣，持續(xù)一段時間，重新初始化1602，初始化SIO和UART，為使用SIO和UART做準(zhǔn)備。然后進(jìn)入循環(huán)，調(diào)用測溫函數(shù)測溫，調(diào)用顯示函數(shù)顯示，調(diào)用發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，判斷是否為設(shè)定的時間(10 min)，如果是，調(diào)用存儲函數(shù)存儲數(shù)據(jù);如果不是，直接執(zhí)行下一步清看門狗操作，然后繼續(xù)循環(huán)。

　　4.2 子程序的設(shè)計

　　4.2.1 溫子程序

　　測溫時首先設(shè)置DSl8B20的DQ為高電平，然后初始化DSl8B20，DSl8B20接收單片機(jī)的命令，為了簡單起見，這里跳過ROM命令設(shè)置匹配過程，然后再次初始化DSl8B20，啟動測溫，然后保存溫度并返回。DSl8B20的驅(qū)動程序可以參考DSl8B20的讀寫時序圖進(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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)的溫度表示，再通過查表(在C語言中是一個數(shù)組，參考Display函數(shù)中的Data[101]數(shù)組)調(diào)用1602顯示在液晶上，數(shù)據(jù)處理類似于由二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，再由十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為ASCⅡ碼，讀者可以參考相關(guān)的說明。

　　4.2.3 存儲子程序

　　調(diào)用SPR1024的用戶函數(shù)，完成存儲功能，存儲的數(shù)據(jù)沒有經(jīng)過轉(zhuǎn)換，只是將溫度數(shù)據(jù)分為高低字節(jié)分兩次存儲。

　　4.2.4 UART通信子程序

　　通信子程序采用查詢的方法，數(shù)據(jù)格式為先發(fā)數(shù)據(jù)oxAA，然后是溫度數(shù)據(jù)的高字節(jié)和溫度數(shù)據(jù)的低字節(jié)，最后是0x55結(jié)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(shè)置全局變量g_Minl0為計數(shù)器，每進(jìn)入中斷1次計數(shù)器加1。在主函數(shù)中判斷是否到達(dá)預(yù)定值(10 min)，如果達(dá)到，計數(shù)器清0，重新開始計數(shù)。

　　5 結(jié)束語

　　該智能化溫度監(jiān)測儀將單片機(jī)和大規(guī)模集成電路技術(shù)應(yīng)用于土木工程測試中。在混凝土水化熱溫度監(jiān)測、鋼結(jié)構(gòu)表面溫度監(jiān)測、大型機(jī)械設(shè)備溫度監(jiān)測以及糧食、倉儲系統(tǒng)的溫度監(jiān)測中取得成功的應(yīng)用。它的成本低，布線簡單，使用維護(hù)方便，可以覆蓋幾乎所有的中低溫測量場合。