智能化混凝土性能測試儀的研究（下）

（續(xù)上）

2 　技術方案的確定

2.1 　技術原理

    本研究研制的新拌混凝土性能測試儀是利用混凝土的流變特性原理，直接采用旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器測量混凝土的流變阻力矩，通過流變阻力矩與混凝土技術指標的相關關系計算出混凝土的主要技術指標。本技術的創(chuàng)新點在于采用單片機技術，自動計算和校正測量數(shù)據(jù)，并可以實現(xiàn)混凝土工程強度和水化溫度的預測。這種測量方式的最大優(yōu)點是:采用已知參數(shù)預置方式檢測，可以不依賴試驗室而直接顯示檢測結果，能較準確反映出流態(tài)混凝土的整體特性，特別是

    對大流動性混凝土反應敏感，而且可以使測量精度至少提高一個數(shù)量級，方便現(xiàn)場使用。

    工作原理如下圖：

    首先通過預置電路將混凝土的相關參數(shù)預置進測試儀，作為微處理機的計算參考值。扭矩傳感器將混凝土反剪切阻力矩直接變換成電壓，經(jīng)過信號處理后變換成數(shù)字信號送入微處理機進行數(shù)據(jù)處理和計算。同時微處理機還輸出一控制信號以校正傳感器的誤差，保證測試精度，并將結果送給顯示電路顯示出來。也可以通過接口電路把測量信號送給計算機進行實時控制或打印輸出。

2.2 　實現(xiàn)功能

    本研究研制的混凝土綜合測試儀可直接測量混凝土的坍落度、溫度、粘稠度、水灰比、28 天強度等主要技術指標，并可完成平均值計算和檢測數(shù)據(jù)的任意檢索，同時可以通過計算機進行混凝土生產(chǎn)的實時控制或打印輸出等功能。實現(xiàn)了多項主要混凝土技術指標準確、快捷地綜合測試，使混凝土生產(chǎn)和施工的質(zhì)量得到控制成為可能。

2.3 　技術性能

2.3.1 　技術指標

坍落度　(120mm～270mm) ±10 %

測試時間< 8s

溫度( - 25 ℃～ + 102 ℃) ±5 %

測試時間30s

28 天強度(10MPa～70MPa) ±10 %

水灰比(012～017) ±10 %

數(shù)據(jù)存儲832 個

接口標準RS232

速率9600bps

內(nèi)置電源NiHM 9V/ 1300mAh

尺寸150mm ×100mm ×53mm

重量300g

2.3.2 　可靠性指標

工作溫度- 20 ℃～ + 70 ℃

儲存溫度- 40 ℃～ + 90 ℃

相對濕度≤100 %RH

海拔高度≮4000m

沖擊980m/ s²

絕緣電壓≮5000V

3 　硬件設計

3.1 　結構組成

    硬件部分由電路板、液晶顯示器、扭矩傳感器、扭矩傳感器探頭、溫度傳感器、電池組、開關及接口部件和殼體等部分組成。

    微處理機采用最新型68HC08 微型化單片機，功能強，使外圍電路大為簡化。

    控制電路采用PWM 技術，提高了儀器的可控性和效率。

    為適應便攜要求，儀器采用9V NiHM 可充電電池，為克服電池電壓變化的影響，內(nèi)部采用穩(wěn)壓供電。

    采用漢字字符液晶顯示器及RS232 接口技術，使數(shù)據(jù)輸出更為直觀。

3.2 　產(chǎn)品結構

    產(chǎn)品采用工業(yè)化結構設計，適應施工中的惡劣環(huán)境。儀器采用工程塑料密封設計，1 米高自然落地或掉入水中1 分鐘，儀器無需任何處理，仍能正常使用。

    另外儀器還配有佩帶式皮套，即方便攜帶又保護儀器。

    同時儀器還采用人性化設計，更符合人的使用習慣。

4 　軟件設計

    軟件是嵌入式匯編軟件，其載體是高性能CMOS單片機68HC08 ， 該單片機具有內(nèi)置4096bytes 的FLASH存儲器，可以有效地抗擊來自傳感器等的干擾；2 通道16 位定時器模塊，有效地解決PWM傳感器控制。

4.1 　功能說明

4.1.1 　測量坍落度

    根據(jù)傳感器的特性，我們設置粒形和粒徑，根據(jù)模糊設置的方法測量坍落度。首先選擇是卵石、碎石、碎卵石，軟件記錄選擇類型；接著選擇粒徑(mm) :10 、16 、20 、31 、40 ， 并記錄下來； 然后啟動傳感器， 用PWM方式控制傳感器，采取特殊的控制方式，消除傳感器滯留特性帶來的誤差，精確調(diào)整傳感器。在規(guī)定的時間內(nèi)快速連續(xù)測量，采用數(shù)字濾波技術，濾除傳感器干擾和其他噪聲干擾。存儲測試結果。根據(jù)預先設置的參數(shù)，分類處理，計算出坍落度值，顯示并存儲。

4.1.2 　計算強度

    由非線性回歸方程得出測量值與灰水比的關系，再由灰水比與強度之間的關系，根據(jù)不同的水泥標號值，用浮點的方法精確計算出混凝土的強度，供現(xiàn)場技術人員和驗收人員提供現(xiàn)場的測量儀器。

4.1.3 　測量溫度

    由溫度傳感器調(diào)理電路，輸入到AD 口，軟件以慢變的采集率，及時顯示實際的溫度測量，等到溫度變化穩(wěn)定時，軟件自動采集并穩(wěn)定顯示實際溫度值，存儲顯示結果。再顯示多次測量的結果平均值，供技術人員參考。軟件設計了自動判別溫度溢出，自己檢測溫度電路的正常與否，并報警提示操作人員檢查是否正確操作，重新測量功能。

4.1.4 　自動監(jiān)測電池電壓

    本軟件具有自動監(jiān)測電池電壓的功能，如果電壓充足，就顯示全滿的電池符號；如果欠電壓，就顯示不滿的電池符號；等電壓不足以提供整機工作，尤其傳感器的工作需求，然后顯示半滿的電池符號，提示低電壓告警“LOWBATTER”，執(zhí)行中斷程序，告知用戶重新充電池。

4.1.5 　數(shù)據(jù)查閱功能

    本軟件具有存儲三組各99 個溫度和99 個坍落度及強度、水灰比等平均值，這些數(shù)據(jù)掉電不會丟失。能夠查閱過去的測試記錄，并進行統(tǒng)計平均，提供可靠測量手段。查閱時選擇查閱數(shù)據(jù)類，即坍落度和溫度，還有強度。按“翻屏”鍵，可以迅速地查閱以前測量的數(shù)據(jù)。如果存儲數(shù)據(jù)超過99 個，那么軟件自動將最早的數(shù)據(jù)替換掉。

4.1.6 　完成與計算機的數(shù)據(jù)通信

    以RS232 接口協(xié)議與主機通信，回放所有測量存儲的數(shù)據(jù)，供用戶存儲記錄備案。主機上的軟件可以統(tǒng)計分析所有的數(shù)據(jù)，可以供用戶對所有混凝土進行評定，建立完備數(shù)據(jù)庫。

4.2 　軟件模塊

4.2.1 　初始化模塊

    (1) 閉MCU 的WATCH DOG功能，設置I/ O 的輸入輸出方向；

    (2) 初始化LCD 顯示功能，設置顯示方式，初始化8 個顯示圖符；

     (3) 調(diào)用存儲器存儲的粒形、粒徑、RC 等參數(shù)預設值，及坍落度、溫度、強度等存儲的序號；

    (4) 顯示軟件名稱，調(diào)用按鍵子程序，查閱“翻屏”鍵是否按下，且等待“翻屏”鍵按下。

4.2.2 　功能選擇模塊

    (1) 顯示坍落度、溫度、參數(shù)初始化設置、數(shù)據(jù)查閱、數(shù)據(jù)通信五個菜單；

    (2) 按“選擇”鍵，選擇相應的功能；

    (3) 按“確認”鍵，執(zhí)行調(diào)用相應的功能。

4.2.3 　坍落度測量模塊

    (1) 顯示粒形粒徑，按“選擇”鍵選擇要設置的參數(shù)；

    (2) 按“選擇”鍵，可以修改參數(shù)的設置，并保存設置值；

    (3) 顯示坍落度待測字符，按測量鍵進行測量，顯示正在測量字符；

    (4) 按設定的程序，自動跟蹤傳感器控制技術，完成一次測量；

    (5) 測量數(shù)據(jù)，進行數(shù)字濾波，排除干擾；

    (6) 根據(jù)事先設定的參數(shù)，計算出強度值；

    (7) 顯示坍落度和強度值，依照先后順序存儲坍落度和強度值；

    (8) 返回待測狀態(tài)，如果繼續(xù)，可以按“測量”鍵，如果不進行，則按“翻屏”鍵。

4.2.4 　溫度測量模塊

    (1) 初始化顯示溫度待測字符；

    (2) 按“測量”鍵，設置測量時間，A/ D 采樣率，采集數(shù)據(jù)；

    (3) 判斷數(shù)據(jù)是否在測量范圍內(nèi)，如果不在則告警，告知操作者是否是因為沒有操作好，而要重新操作。如果確實是超出范圍，則要真正報警；

    (4) 顯示溫度測量瞬時值，計算多次測量的平均值，并且顯示；

    (5) 存儲當次測量值，刷新溫度平均值。

4.2.5 　數(shù)據(jù)查閱功能模塊

    (1) 始化顯示查閱的坍落度和溫度及強度的菜單；

    (2) 用“選擇”鍵選擇查閱的數(shù)據(jù)類型；

    (3) 顯示查閱的數(shù)據(jù)，用“翻屏”鍵翻閱依次存儲的數(shù)據(jù)，并顯示查閱的數(shù)據(jù)的序號；

    (4) 用“PAGE UP”和“PAGE DOWN ”鍵，可以隨意翻頁查閱。

4.2.6 　數(shù)據(jù)通信模塊

    (1) 置通信協(xié)議，通信波特率、通信碼位等與通信有關的事宜；

    (2) 與主機通信握手，如果握手成功，則顯示發(fā)送數(shù)據(jù)字符；否則超時顯示握手不成功，告知操作者電纜線是否連接好，或主機沒有準備好；

    (3) 依次發(fā)送三種數(shù)據(jù)，并對每種數(shù)據(jù)之間標記，讓主機識別數(shù)據(jù)類型；

    (4) 發(fā)送成功，且發(fā)送完所有的數(shù)據(jù)，就顯示“數(shù)據(jù)輸出完畢”字符。

5 　調(diào)試與仿真

    在軟硬件設計成功的基礎上，軟件采用MotorolaHC08 開發(fā)裝置在線調(diào)試，確認功能正確，符合設計要求。在仿真調(diào)試過程中，經(jīng)過反反復復的調(diào)試，不斷的修改和完善，儀表滿足了設計要求。經(jīng)過多次現(xiàn)場使用，基本確認程序設計正確，功能符合現(xiàn)場檢測要求，并能準確反映混凝土的各項技術參數(shù)，較好地完成功能需求。

6 　儀器研制結論

    混凝土綜合測試儀是利用混凝土的流變特性來測量混凝土的基本參數(shù)的。它通過傳感器的旋轉(zhuǎn)剪切運動測量出混凝土的粘滯阻力矩，利用混凝土粘滯阻力矩與混凝土基本參數(shù)的相關性，將傳感器測量出的混凝土粘滯阻力矩直接變換成電壓信號，經(jīng)過信號處理后變換成數(shù)字信號送入MCU 進行數(shù)據(jù)處理和計算。同時MCU 還輸出一控制信號以校正傳感器的誤差，保證測試精度，并將結果送給顯示電路顯示出來。

    新儀器采用了傳感技術和微電腦技術，完全不同于以往坍落度儀的測量原理。能直接通過液晶顯示器顯示坍落度值、溫度，預測28 天強度，為工程施工和混凝土生產(chǎn)人員提供水灰比、用水量等參考值，并進行平均值計算等。他還能根據(jù)要求直接連接計算機進行數(shù)據(jù)打印輸出或作在線測試的二次儀表使用。實現(xiàn)了多功能合一，使用簡便、可靠、直觀。它為混凝土的準確測量提供了技術基礎。

    本項目產(chǎn)品由于采用了新型的電路結構和工業(yè)化結構設計，及全密封注塑成型技術，使產(chǎn)品的防震、防水性能完全能夠滿足在惡劣現(xiàn)場環(huán)境條件下使用的可靠性和安全性要求。