基于LabVIEW的無線溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

一、引言

溫度是機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)非常重要的參數(shù)，許多系統(tǒng)的工作都是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。因此，測(cè)量溫度和控制溫度的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛。傳統(tǒng)的溫度測(cè)量?jī)x器功能單一，用戶無法根據(jù)自己的需求進(jìn)行改變。而NI公司提出的虛擬儀器概念，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，使測(cè)控儀器發(fā)生了巨大變革。本文介紹了一種基于LabVIEW的無線溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過低功耗單片機(jī)和低功耗溫度傳感器組成溫度采集節(jié)點(diǎn)，并通過無線通信模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，最終通過LabVIEW軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的顯示、分析及控制。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于虛擬儀器設(shè)計(jì)理論，以LabVIEW8.5為軟件開發(fā)平臺(tái)，低功耗單片機(jī)P89LV51RD2為硬件核心，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)時(shí)溫度測(cè)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、溫度測(cè)量電路、溫度控制電路以及無線通信電路組成。

2.1 主控芯片型號(hào)及其作用

2.1.1 主控芯片型號(hào)

主控芯片采用低功耗單片機(jī)P89LV51RD2。P89LV51RD2是一款高性能、低功耗的8位單片機(jī)，內(nèi)部提供了3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及1個(gè)全雙工串行通信口，非常適合用于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制。

2.1.2 主控芯片作用

1. 數(shù)據(jù)采集：P89LV51RD2通過I2C總線與溫度傳感器TMPll2通信，讀取溫度數(shù)據(jù)。

2. 數(shù)據(jù)處理：?jiǎn)纹瑱C(jī)將讀取到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，并通過數(shù)碼管LED電路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)顯示。

3. 無線通信：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過無線通信模塊SZ05將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。

4. 溫度控制：?jiǎn)纹瑱C(jī)接收來自上位機(jī)的控制量，通過PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)溫度控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱對(duì)象的溫度控制。

2.2 溫度傳感器型號(hào)及其作用

2.2.1 溫度傳感器型號(hào)

溫度傳感器采用TI公司于2009年6月推出的高精度低功耗數(shù)字溫度傳感器TMPll2。

2.2.2 溫度傳感器作用

TMPll2具有測(cè)溫范圍廣、精度高、分辨率高、功耗低等特點(diǎn)，非常適合用于本系統(tǒng)的溫度測(cè)量。其主要作用是將被測(cè)對(duì)象的溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。

2.3 無線通信模塊型號(hào)及其作用

2.3.1 無線通信模塊型號(hào)

無線通信模塊采用上海順舟網(wǎng)絡(luò)科技有限公司的SZO5系列ZigBee無線數(shù)據(jù)通信模塊。

2.3.2 無線通信模塊作用

SZO5系列ZigBee無線數(shù)據(jù)通信模塊提供RS232、RS485和TTL三種接口標(biāo)準(zhǔn)，傳輸距離可達(dá)100～2000m。本系統(tǒng)采用RS232接口，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的串行無線通信，使得軟件編程變得簡(jiǎn)單，并且降低了系統(tǒng)成本。

三、硬件設(shè)計(jì)

3.1 溫度測(cè)量電路

溫度測(cè)量電路主要由TMPll2溫度傳感器和P89LV51RD2單片機(jī)組成。TMPll2溫度傳感器通過SMBus/兩線式串行接口與單片機(jī)通信，將溫度數(shù)字量傳送給單片機(jī)。單片機(jī)通過I2C總線讀取溫度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行初步處理。

3.2 溫度控制電路

溫度控制電路主要由NPN型晶體管Q1、TLP521-1型光電耦合器U1和大功率NMOS管Q2組成。上位機(jī)程序控制系統(tǒng)將檢測(cè)溫度值與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行比較，按照PID控制算法進(jìn)行運(yùn)算，從單片機(jī)的P1.2口輸出占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，經(jīng)晶體管Q1驅(qū)動(dòng)后，控制光電耦合器U1的通斷，繼而控制NMOS管Q2的通斷時(shí)間，從而控制加熱對(duì)象——大功率電阻R的加熱時(shí)間，使其達(dá)到設(shè)定的溫度值。

3.3 無線通信電路

無線通信電路采用SZO5系列ZigBee無線數(shù)據(jù)通信模塊，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程通信。模塊提供RS232接口，通過串口線與單片機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

四、軟件設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用LabVIEW圖形化編程語言完成控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)。LabVIEW提供了一個(gè)非常簡(jiǎn)潔直觀的圖形化編程環(huán)境，設(shè)計(jì)者可以輕松組建測(cè)量系統(tǒng)，構(gòu)造友好美觀的操作界面，無需編寫繁瑣的計(jì)算機(jī)程序代碼，大大簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)，提高了開發(fā)效率。

上位機(jī)軟件主要由數(shù)據(jù)采集與顯示、數(shù)據(jù)處理與報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及PID控制等模塊組成。

4.1.1 數(shù)據(jù)采集與顯示模塊

數(shù)據(jù)采集與顯示模塊主要通過計(jì)算機(jī)串口及無線通信模塊接收單片機(jī)發(fā)送來的溫度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。為了保證計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的順利通信，首先應(yīng)進(jìn)行串口初始化，如設(shè)置串口號(hào)COM1、波特率9600、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)及流控制。程序運(yùn)行時(shí)，單擊“開始采集”按鈕，系統(tǒng)便能接收到單片機(jī)發(fā)送來的溫度數(shù)據(jù)，通過溫度儀表控件顯示當(dāng)前采集到的溫度值。此外，數(shù)據(jù)采集模塊所接收到的是一組離散的溫度信號(hào)值，通過波形圖表顯示控件進(jìn)行逐點(diǎn)顯示并連線，可繪制出溫度趨勢(shì)曲線，拖動(dòng)曲線圖右下方的滑塊，可查看歷史溫度曲線。

4.1.2 數(shù)據(jù)處理與報(bào)警模塊

數(shù)據(jù)處理主要實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)。單擊系統(tǒng)界面上的“創(chuàng)建直方圖”按鈕，系統(tǒng)便執(zhí)行相應(yīng)程序?qū)囟葦?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在波形圖控件中顯示溫度直方圖，便于用戶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。溫度報(bào)警模塊主要實(shí)現(xiàn)高溫報(bào)警和低溫報(bào)警。用戶在系統(tǒng)界面中設(shè)置溫度上下限值，當(dāng)實(shí)際溫度大于溫度上限或小于溫度下限時(shí)，系統(tǒng)通過指示燈給出高溫報(bào)警（紅燈亮）或低溫報(bào)警（黃燈亮），提示用戶溫度超限，以確保人員及設(shè)備安全。

4.1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要實(shí)現(xiàn)將采集到的溫度數(shù)據(jù)保存至Excel表格，方便用戶日后調(diào)出歷史溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱分析。首先利用“數(shù)組大小”VI獲取采集到的溫度數(shù)組的大小，并判斷其能否被10整除，若能整除，執(zhí)行“條件結(jié)構(gòu)”的“真”分支程序，將采集時(shí)間及10個(gè)溫度數(shù)據(jù)寫入電子表格文件后換行，然后再進(jìn)行條件判斷。這樣，溫度數(shù)據(jù)便以10個(gè)為一行記錄到電子表格文件中，同時(shí)每一行的開頭均記錄下了采集本組數(shù)據(jù)的日期與時(shí)間。另外，利用“方法節(jié)點(diǎn)”和“寫入JPEG文件”VI可將溫度曲線以JPEG格式存儲(chǔ)。

4.1.4 PID控制模塊

LabVIEW提供了功能強(qiáng)大的PID控制器，使用戶避免了繁瑣的PID算法的編寫，提高了開發(fā)效率。進(jìn)行PID控制時(shí)，首先將溫度信號(hào)輸入至PID控制器，并輸入溫度設(shè)定值和PID增益，包括比例系數(shù)Kc、積分時(shí)間常數(shù)Ti及微分時(shí)間常數(shù)Td。單擊“PID控制”按鈕，程序按照PID算法對(duì)溫度進(jìn)行控制，使溫度逼近設(shè)定值。

4.2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序采用C語言進(jìn)行設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)初始化時(shí)，設(shè)置8位串行口模式1，以及單片機(jī)的定時(shí)器T2工作在波特率發(fā)生器模式，產(chǎn)生串行通信所需的波特率。再令單片機(jī)的定時(shí)器T0工作在定時(shí)器模式，用于產(chǎn)生指定的控制周期。在TO的中斷程序中，首先將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，然后上位機(jī)利用LabVIEW中的PID控制器，確定系統(tǒng)輸出控制量的大小并發(fā)送回單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)控制量輸出PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)控制電路對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行溫度控制。

五、系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證

系統(tǒng)測(cè)試主要包括功能測(cè)試和性能測(cè)試。功能測(cè)試主要驗(yàn)證系統(tǒng)是否能夠正確采集溫度數(shù)據(jù)、顯示溫度數(shù)據(jù)、進(jìn)行溫度報(bào)警、存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)以及實(shí)現(xiàn)PID控制。性能測(cè)試主要測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量精度、響應(yīng)時(shí)間以及穩(wěn)定性等。

通過多次測(cè)試，系統(tǒng)能夠正確采集溫度數(shù)據(jù)，并通過LabVIEW軟件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)及控制。系統(tǒng)的測(cè)量精度高，響應(yīng)時(shí)間快，穩(wěn)定性好，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

六、結(jié)論

本文介紹了一種基于LabVIEW的無線溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過低功耗單片機(jī)P89LV51RD2和低功耗溫度傳感器TMPll2組成溫度采集節(jié)點(diǎn)，并通過ZigBee無線通信模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通信，最終通過LabVIEW軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的顯示、分析及控制。系統(tǒng)具有功耗低、測(cè)量精度高、界面友好、易于操作、可擴(kuò)展性強(qiáng)且成本低等特點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。

通過本文的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，可以看出虛擬儀器技術(shù)在溫度測(cè)控領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢(shì)，能夠大大提高系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，降低系統(tǒng)成本，提高開發(fā)效率。未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線溫度測(cè)控系統(tǒng)將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用和推廣。