（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(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。這種測量方式的最大優(yōu)點(diǎn)是:采用已知參數(shù)預(yù)置方式檢測，可以不依賴試驗(yàn)室而直接顯示檢測結(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，而且可以使測量精度至少提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，方便現(xiàn)場使用。

    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(qiáng)度等主要技術(shù)指標(biāo)，并可完成平均值計(jì)算和檢測數(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 %

測試時(shí)間< 8s

溫度( - 25 ℃～ + 102 ℃) ±5 %

測試時(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 　測量坍落度

    根據(jù)傳感器的特性，我們設(shè)置粒形和粒徑，根據(jù)模糊設(shè)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(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)場技術(shù)人員和驗(yàn)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(shí)顯示實(shí)際的溫度測量，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，重新測量功能。

4.1.4 　自動(dòng)監(jiān)測電池電壓

    本軟件具有自動(dòng)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(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。能夠查閱過去的測試記錄，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，提供可靠測量手段。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) 顯示坍落度待測字符，按測量鍵進(jìn)行測量，顯示正在測量字符；

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

    (5) 測量數(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) 返回待測狀態(tài)，如果繼續(xù)，可以按“測量”鍵，如果不進(jìn)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(shè)置測量時(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) 顯示溫度測量瞬時(shí)值，計(jì)算多次測量的平均值，并且顯示；

    (5) 存儲(chǔ)當(dāng)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(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)場使用，基本確認(rèn)程序設(shè)計(jì)正確，功能符合現(xiàn)場檢測要求，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(yùn)動(dòng)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(guān)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(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量原理。能直接通過液晶顯示器顯示坍落度值、溫度，預(yù)測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試的二次儀表使用。實(shí)現(xiàn)了多功能合一，使用簡便、可靠、直觀。它為混凝土的準(zhǔn)確測量提供了技術(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)場環(huán)境條件下使用的可靠性和安全性要求。