（續(xù)上）

2 　技術(shù)方案的確定

2.1 　技術(shù)原理

    本研究研制的新拌混凝土性能測(cè)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(cè)量混凝土的流變阻力矩，通過流變阻力矩與混凝土技術(shù)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系計(jì)算出混凝土的主要技術(shù)指標(biāo)。本技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)在于采用單片機(jī)技術(shù)，自動(dòng)計(jì)算和校正測(cè)量數(shù)據(jù)，并可以實(shí)現(xiàn)混凝土工程強(qiáng)度和水化溫度的預(yù)測(cè)。這種測(cè)量方式的最大優(yōu)點(diǎn)是:采用已知參數(shù)預(yù)置方式檢測(cè)，可以不依賴試驗(yàn)室而直接顯示檢測(cè)結(jié)果，能較準(zhǔn)確反映出流態(tài)混凝土的整體特性，特別是

    對(duì)大流動(dòng)性混凝土反應(yīng)敏感，而且可以使測(cè)量精度至少提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，方便現(xiàn)場(chǎng)使用。

    工作原理如下圖：

    首先通過預(yù)置電路將混凝土的相關(guān)參數(shù)預(yù)置進(jìn)測(cè)試儀，作為微處理機(jī)的計(jì)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(hào)處理后變換成數(shù)字信號(hào)送入微處理機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算。同時(shí)微處理機(jī)還輸出一控制信號(hào)以校正傳感器的誤差，保證測(cè)試精度，并將結(jié)果送給顯示電路顯示出來。也可以通過接口電路把測(cè)量信號(hào)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制或打印輸出。

2.2 　實(shí)現(xiàn)功能

    本研究研制的混凝土綜合測(cè)試儀可直接測(cè)量混凝土的坍落度、溫度、粘稠度、水灰比、28 天強(qiáng)度等主要技術(shù)指標(biāo)，并可完成平均值計(jì)算和檢測(cè)數(shù)據(jù)的任意檢索，同時(shí)可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行混凝土生產(chǎn)的實(shí)時(shí)控制或打印輸出等功能。實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)主要混凝土技術(shù)指標(biāo)準(zhǔn)確、快捷地綜合測(cè)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(shù)性能

2.3.1 　技術(shù)指標(biāo)

坍落度　(120mm～270mm) ±10 %

測(cè)試時(shí)間< 8s

溫度( - 25 ℃～ + 102 ℃) ±5 %

測(cè)試時(shí)間30s

28 天強(qiáng)度(10MPa～70MPa) ±10 %

水灰比(012～017) ±10 %

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)832 個(gè)

接口標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)

工作溫度- 20 ℃～ + 70 ℃

儲(chǔ)存溫度- 40 ℃～ + 90 ℃

相對(duì)濕度≤100 %RH

海拔高度≮4000m

沖擊980m/ s²

絕緣電壓≮5000V

3 　硬件設(shè)計(jì)

3.1 　結(jié)構(gòu)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(guān)及接口部件和殼體等部分組成。

    微處理機(jī)采用最新型68HC08 微型化單片機(jī)，功能強(qiáng)，使外圍電路大為簡(jiǎn)化。

    控制電路采用PWM 技術(shù)，提高了儀器的可控性和效率。

    為適應(yīng)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(shù)，使數(shù)據(jù)輸出更為直觀。

3.2 　產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

    產(chǎn)品采用工業(yè)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適應(yīng)施工中的惡劣環(huán)境。儀器采用工程塑料密封設(shè)計(jì)，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(hù)儀器。

    同時(shí)儀器還采用人性化設(shè)計(jì)，更符合人的使用習(xí)慣。

4 　軟件設(shè)計(jì)

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

4.1 　功能說明

4.1.1 　測(cè)量坍落度

    根據(jù)傳感器的特性，我們?cè)O(shè)置粒形和粒徑，根據(jù)模糊設(shè)置的方法測(cè)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(dòng)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(shí)間內(nèi)快速連續(xù)測(cè)量，采用數(shù)字濾波技術(shù)，濾除傳感器干擾和其他噪聲干擾。存儲(chǔ)測(cè)試結(jié)果。根據(jù)預(yù)先設(shè)置的參數(shù)，分類處理，計(jì)算出坍落度值，顯示并存儲(chǔ)。

4.1.2 　計(jì)算強(qiáng)度

    由非線性回歸方程得出測(cè)量值與灰水比的關(guān)系，再由灰水比與強(qiáng)度之間的關(guān)系，根據(jù)不同的水泥標(biāo)號(hào)值，用浮點(diǎn)的方法精確計(jì)算出混凝土的強(qiáng)度，供現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員和驗(yàn)收人員提供現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量?jī)x器。

4.1.3 　測(cè)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(shí)顯示實(shí)際的溫度測(cè)量，等到溫度變化穩(wěn)定時(shí)，軟件自動(dòng)采集并穩(wěn)定顯示實(shí)際溫度值，存儲(chǔ)顯示結(jié)果。再顯示多次測(cè)量的結(jié)果平均值，供技術(shù)人員參考。軟件設(shè)計(jì)了自動(dòng)判別溫度溢出，自己檢測(cè)溫度電路的正常與否，并報(bào)警提示操作人員檢查是否正確操作，重新測(cè)量功能。

4.1.4 　自動(dòng)監(jiān)測(cè)電池電壓

    本軟件具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)電池電壓的功能，如果電壓充足，就顯示全滿的電池符號(hào)；如果欠電壓，就顯示不滿的電池符號(hào)；等電壓不足以提供整機(jī)工作，尤其傳感器的工作需求，然后顯示半滿的電池符號(hào)，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(chǔ)三組各99 個(gè)溫度和99 個(gè)坍落度及強(qiáng)度、水灰比等平均值，這些數(shù)據(jù)掉電不會(huì)丟失。能夠查閱過去的測(cè)試記錄，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，提供可靠測(cè)量手段。查閱時(shí)選擇查閱數(shù)據(jù)類，即坍落度和溫度，還有強(qiáng)度。按“翻屏”鍵，可以迅速地查閱以前測(cè)量的數(shù)據(jù)。如果存儲(chǔ)數(shù)據(jù)超過99 個(gè)，那么軟件自動(dòng)將最早的數(shù)據(jù)替換掉。

4.1.6 　完成與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信

    以RS232 接口協(xié)議與主機(jī)通信，回放所有測(cè)量存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，供用戶存儲(chǔ)記錄備案。主機(jī)上的軟件可以統(tǒng)計(jì)分析所有的數(shù)據(jù)，可以供用戶對(duì)所有混凝土進(jìn)行評(píng)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(shè)置I/ O 的輸入輸出方向；

    (2) 初始化LCD 顯示功能，設(shè)置顯示方式，初始化8 個(gè)顯示圖符；

     (3) 調(diào)用存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的粒形、粒徑、RC 等參數(shù)預(yù)設(shè)值，及坍落度、溫度、強(qiáng)度等存儲(chǔ)的序號(hào)；

    (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(shè)置、數(shù)據(jù)查閱、數(shù)據(jù)通信五個(gè)菜單；

    (2) 按“選擇”鍵，選擇相應(yīng)的功能；

    (3) 按“確認(rèn)”鍵，執(zhí)行調(diào)用相應(yīng)的功能。

4.2.3 　坍落度測(cè)量模塊

    (1) 顯示粒形粒徑，按“選擇”鍵選擇要設(shè)置的參數(shù)；

    (2) 按“選擇”鍵，可以修改參數(shù)的設(shè)置，并保存設(shè)置值；

    (3) 顯示坍落度待測(cè)字符，按測(cè)量鍵進(jìn)行測(cè)量，顯示正在測(cè)量字符；

    (4) 按設(shè)定的程序，自動(dòng)跟蹤傳感器控制技術(shù)，完成一次測(cè)量；

    (5) 測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字濾波，排除干擾；

    (6) 根據(jù)事先設(shè)定的參數(shù)，計(jì)算出強(qiáng)度值；

    (7) 顯示坍落度和強(qiáng)度值，依照先后順序存儲(chǔ)坍落度和強(qiáng)度值；

    (8) 返回待測(cè)狀態(tài)，如果繼續(xù)，可以按“測(cè)量”鍵，如果不進(jìn)行，則按“翻屏”鍵。

4.2.4 　溫度測(cè)量模塊

    (1) 初始化顯示溫度待測(cè)字符；

    (2) 按“測(cè)量”鍵，設(shè)置測(cè)量時(shí)間，A/ D 采樣率，采集數(shù)據(jù)；

    (3) 判斷數(shù)據(jù)是否在測(cè)量范圍內(nèi)，如果不在則告警，告知操作者是否是因?yàn)闆]有操作好，而要重新操作。如果確實(shí)是超出范圍，則要真正報(bào)警；

    (4) 顯示溫度測(cè)量瞬時(shí)值，計(jì)算多次測(cè)量的平均值，并且顯示；

    (5) 存儲(chǔ)當(dāng)次測(cè)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(qiáng)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(chǔ)的數(shù)據(jù)，并顯示查閱的數(shù)據(jù)的序號(hào)；

    (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(guān)的事宜；

    (2) 與主機(jī)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(shí)顯示握手不成功，告知操作者電纜線是否連接好，或主機(jī)沒有準(zhǔn)備好；

    (3) 依次發(fā)送三種數(shù)據(jù)，并對(duì)每種數(shù)據(jù)之間標(biāo)記，讓主機(jī)識(shí)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(shè)計(jì)成功的基礎(chǔ)上，軟件采用MotorolaHC08 開發(fā)裝置在線調(diào)試，確認(rèn)功能正確，符合設(shè)計(jì)要求。在仿真調(diào)試過程中，經(jīng)過反反復(fù)復(fù)的調(diào)試，不斷的修改和完善，儀表滿足了設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過多次現(xiàn)場(chǎng)使用，基本確認(rèn)程序設(shè)計(jì)正確，功能符合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求，并能準(zhǔn)確反映混凝土的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，較好地完成功能需求。

6 　儀器研制結(jié)論

    混凝土綜合測(cè)試儀是利用混凝土的流變特性來測(cè)量混凝土的基本參數(shù)的。它通過傳感器的旋轉(zhuǎn)剪切運(yùn)動(dòng)測(cè)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(guān)性，將傳感器測(cè)量出的混凝土粘滯阻力矩直接變換成電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理后變換成數(shù)字信號(hào)送入MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算。同時(shí)MCU 還輸出一控制信號(hào)以校正傳感器的誤差，保證測(cè)試精度，并將結(jié)果送給顯示電路顯示出來。

    新儀器采用了傳感技術(shù)和微電腦技術(shù)，完全不同于以往坍落度儀的測(cè)量原理。能直接通過液晶顯示器顯示坍落度值、溫度，預(yù)測(cè)28 天強(qiáng)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(jìn)行平均值計(jì)算等。他還能根據(jù)要求直接連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)打印輸出或作在線測(cè)試的二次儀表使用。實(shí)現(xiàn)了多功能合一，使用簡(jiǎn)便、可靠、直觀。它為混凝土的準(zhǔn)確測(cè)量提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

    本項(xiàng)目產(chǎn)品由于采用了新型的電路結(jié)構(gòu)和工業(yè)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，及全密封注塑成型技術(shù)，使產(chǎn)品的防震、防水性能完全能夠滿足在惡劣現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件下使用的可靠性和安全性要求。