利用Lab VIEW和单片机实现实时温度采集和控制

　　摘要：设计开发了基于单片机技术、传感技术、虚拟仪器和无线传输的温度采集和控制系统。以Pt100作为温度传感器, STC89C52单片机作为硬件控制芯片, 通过数据采集卡USB-6251将采集的温度数据上传至上位机, 上位机以LabVIEW软件作为开发平台, 对采集的数据进行存储、显示、报警及分析处理。该系统实现了对温度的采集和控制, 所需硬件少、可扩展性强、开发与维护费用低, 能基本满足目前生产领域的温度测控需求, 具有较大的应用前景和市场潜力。

　　关键词：温度传感器; 虚拟仪器; 单片机; 数据采集卡; 采集与控制;

　　Abstract：Temperature acquisition and control system was designed using sensing technique, single-chip microcomputer ( SCM) technology, virtual instrument ( VI) and wireless transmission. The system used Pt100 as temperature sensor, SCM STC89 C52 as controller chip. The acquired temperature data was sent to upper computer through NI USB-6251 data acquisition card ( DAQ) . The upper computer processed the data using Lab VIEW as the software development platform. This system realized the temperature acquisition and control, with less hardware demand, larger expansibility and low cost in development and the maintenance, which can basically meet the demands of current producing and scientific research of the temperature control and it has great application prospect and market potential.

　　Keyword：temperature sensor; LabVIEW; SCM; DAQ; acquisition and control;

　　温度采集和控制技术在工程应用中占有重要地位, 并得到广泛应用与发展[1-3]。传统温度测量系统中, 系统功能是通过固定的硬件模块或者软件设计实现, 单一的物理结构和功能、固定的测量模式使得用户无法根据实际需要来改变仪器的作用, 给实际工程的温度测量带来了很多不便[4]。

　　本文采用Pt100和数据采集卡作为温度采集单元, 单片机作为主控芯片, TC35i作为无线传输模块, 利用Lab VIEW软件平台, 完成温度数据的采集、分析与处理、显示、存储、控制和警报等工作。

　　1、系统原理

　　系统原理框图如图1所示, 主要由计算机、数据采集卡、单片机、报警模块和数据采集模块及控制模块组成。采用Pt100作为温度传感器, 温度变化引起的铂电阻阻值变化, 经过调理电路后, 对应的电压值由USB-6251数据采集卡送至计算机, 然后利用LabVIEW软件平台, 执行电压-温度转换、阈值判断度显示及存储等操作。同时, 当温度超过设定的上下限时, 单片机发出报警信号, 通过数据采集卡发出控制信号到单片机, 启动温度控制电路。同时将报警信息通过GSM模块远程发送给管理人员。

图1 系统总体原理框图

　　2、系统硬件设计

　　系统硬件电路主要包括温度传感器及调理电路、数据采集卡、单片机主控电路、GSM远程报警电路及模拟温控电路等。系统硬件实物图如图2所示。

图2 系统硬件实物图

　　2.1、Pt100及调理电路

　　采用三线制连接的WZP Pt100作为温度传感器[5], 电阻变化率为0.385 1Ω/℃, 测温范围为-100~300℃。调理电路采用LM124作为运算放大电路, 将Pt100阻值变化转换成4~20 m A的电流信号, 误差精度为0.2%。输出端串联500Ω的电阻, 使电流信号转换成2~10 V电压信号, 达到数据采集卡输入接口的电压采集标准。调理电路原理图如图3所示。

　　2.2、数据采集卡

　　系统采用USB-6251数据采集卡。它集成16路模拟输入, 2路模拟输出, 最高模拟采集速率为1.25 MS/s, 16路数字I/O口, 8路时钟, 2个定时/计数器, 最高数字采集速率可达2.86 MS/s, 拥有高达16位的采集分辨率。输入信号的输入范围为-10 V~+10 V, 使用参考单端 (RSE) 工作模式[6]。

图3 Pt100调理电路原理图

　　2.3、单片机电路

　　STC89C52是低功耗、高性能CMOS 8位单片机, 8 K字节可编程Flash, 512字节随机存取数据存储器 (RAM) , 32位I/O口线, 2个中断I/O口, 2个定时器, 最高运作频率为35 MHz[7-8]。

　　2.4、GSM远程报警电路

　　选用双频GSM模块TC35i作为远程报警模块。它是一款工作在900/1 800 MHz双频段的高集成度GSM模块, 支持ASCII码信息和中文信息, 电源范围为直流3.3~4.8 V, 休眠状态电流消耗为3.5 m A, 空闲状态为25 m A, 发射状态平均消耗为300 m A, 可传输语音和数据信号, 功耗在900、1 800 MHz时分别为2、1 W, 波特率一般为9 600 B/s。带有SIM应用工具包、AT命令集控制, 便于集成在其他应用系统中[9]。

　　当温度超过预警值时, 由TC35i短信模块的AT指令集实现。让温度警报信息及时发至相应终端[10]。

　　2.5、模拟温控电路

　　采用5 V电压供电的风扇来模拟设备的控制状态, 同时用不同颜色的LED灯来表示设备的运行状态, 如表1所示。

表1 模拟设备运行状态表

　　当温度高于设定的温度上限时, 数据采集卡输出高温报警信号给单片机, 控制风扇转动和高温警报灯 (红灯) 亮起, 降温操作灯 (蓝灯) 闪烁, 单片机控制TC35i短信模块发出高温报警信息给对应的终端。当温度低于设定的温度下限时, 数据采集卡输出低温报警信号给单片机的另一个I/O口, 低温警报灯 (蓝色) 亮起, 升温操作灯 (红灯) 闪烁, TC35i短信模块发送低温警报给对应终端。当温度回到正常范围内时数据采集卡输出高电平, 警报灯都熄灭, 绿灯亮起, 风扇停止转动, TC35i模块不工作。

　　3、系统软件设计

　　3.1、下位机软件

　　下位机软件以单片机为核心, 通过Pt100实现温度采集, 利用串行通信和上位机进行通讯, 如有报警, 则通过TC35i GSM模块实现短信的发送。主程序流程图如图4所示, TC35i模块短信发送流程图如图5所示。

图4 主程序流程图

图5 短信发送流程图

　　3.2、上位机软件

　　上位机以通用计算机为核心, 采用Lab VIEW软件作为系统的数据分析和处理平台[11-12], 前面板设计界面如图6所示。

　　前面板界面包括控制参数设置、实时温度及曲线显示、工作状态显示、实时温数据存储等功能。程序框图如图7所示。分2部分:一部分是数据采集, 利用数据采集卡模拟输入通道, 完成电压数据的采集、电压-温度转换、温度显示及存储;另一部分是输出控制, 主要功能是通过数据采集卡的数字输出端口, 输出高低电平给单片机控制电路, 执行对应的控制和报警操作。

图6 上位机软件前面板图

　　4、结束语

　　本设计利用Lab VIEW和单片机实现了实时温度采集和控制系统, 有效地将计算机技术、测量技术、监控技术和虚拟仪器技术结合起来, 能够实现多路物理量的采集与监测, 运行稳定, 可扩展性强。可广泛应用到机房、工厂、大棚等领域, 具有一定的参考性和实用性。

图7 上位机软件程序框图

　　参考文献
　　[1]张兴红, 陈鑫, 蒋洪庆, 等.高精度分体式超声波温度测量仪研究[J].传感技术学报, 2015, 28 (9) :1389-1394.
　　[2]潘玉恒, 鲁维佳, 尹万疆.基于Lab VIEW和单片机的温度监测仪的设计[J].仪表技术与传感器, 2014 (7) :43-45.
　　[3]陈永禄, 张莉.基于单片机的温度控制系统设计与实现[J].现代电子技术, 2015, 38 (2) :73-76.
　　[4]才智, 范长胜, 杨冬霞.Pt100铂热电阻温度测量系统的设计[J].现代电子技术, 2008, 20:172-177.
　　[5]王冠, 陈建魁.基于放大器和温度传感器的温度采集方案[J].仪表技术与传感器, 2014 (11) :66-69.
　　[6]封洲燕, 陈丹, 肖乾江.一种闭环式神经电刺激系统的设计[J].仪器仪表学报, 2012, 33 (2) :279-285.
　　[7]周鹏.基于STC89C52单片机的温度检测系统设计[J].现代电子技术, 2012, 35 (22) :10-13.
　　[8]蒋辉平, 周国雄.单片机原理与应用设计[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2007.
　　[9]陈凯, 秦实宏.基于GSM模块TC35I的收发控制系统设计[J].武汉工程大学学报, 2011, 33 (1) :91-95.
　　[10]刘清华, 邹小金.基于AT指令的远程监控与采集系统的设计[J].微计算机信息, 2012 (9) :375-377.
　　[11]岂兴明, 周建兴, 矫津毅.Lab VIEW8.2中文版入门与典型事例[M].北京:人民邮电出版社, 2008.
　　[12]周国全, 孙东振, 彭获然.基于Lab VIEW平台的新型二维微位移传感器设计[J].传感技术学报.2015, 28 (4) :607-612.