溫度控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文.doc

基于Labview的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計摘 要: 本論文研究的是短距離無線通信技術(shù)在工業(yè)數(shù)據(jù)控制上的一個具體應(yīng)用，主要介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計和軟硬件組成，硬件部分選擇PIC單片機作為控制核心，控制微功率RF芯片（nRF24E1）完成數(shù)據(jù)的無線傳輸，控制ICL7135完成傳感器數(shù)據(jù)的AD轉(zhuǎn)換，選擇Labview軟件編寫控制界面。該系統(tǒng)能實時顯示監(jiān)控曲線和數(shù)據(jù)存儲，可實現(xiàn)對復(fù)雜環(huán)境的溫濕度精確控制。關(guān)鍵詞: 光學(xué)濾光片；鍍膜；Labview；Matlab The Design of Temperature and humidity monitoring systemWANG Hai-Feng( GuangDong Institute of Technology， ZhuHai 519090,China )Abstract: This paper emphasizes the short range wireless communication technique in an industrial data acquisition application ，this paper mainly focus on the system architecture , the hardware and the software. Adopting the PIC SCM as the controlling kernel, controlling the RF chip(nRF24E1) to achieve the the wireless data transmission, controlling the chip ICL7135 to achieve the AD converion of the data from the sensor, adopting the Labview to compile the software. Adopting this system, the accurate monitoring of temperature and humidity in complicate circumstance can be obtain , the monitoring curve real-time displaying ,the data saving is also obtainable. Keyword: light filter flake, film coating, Labview, Matlab60 引 言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新興產(chǎn)業(yè)對環(huán)境提出了更高的要求：制造大規(guī)模集成電路需要極高的空氣潔凈度，生物化學(xué)制藥需要精確的溫濕度控制。因此，對溫、濕度和一些基本數(shù)據(jù)的監(jiān)測和控制已成為生產(chǎn)過程中非常重要的技術(shù)要求。PIC單片機（Peripheral Interface Controller）是由美國Microchip公司推出的，由于它的硬件系統(tǒng)設(shè)計便捷、指令系統(tǒng)設(shè)計精煉、采用精簡指令集和哈佛總線結(jié)構(gòu)，擁有速度高、功率低、驅(qū)動電流大及控制能力強等優(yōu)點，能滿足用戶的各種需要，因此得到廣泛的應(yīng)用1。本文提出一種采用PIC單片來設(shè)計實現(xiàn)的測量和控制系統(tǒng)。首先進行實例內(nèi)容描述。1 系統(tǒng)組成本系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容分成兩大部分：溫度的測量和控制。1.1溫度測量部分溫度測量部分如圖1所示，由傳感器、信號調(diào)理前端、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換部分和無線收發(fā)模塊組成。 1.2溫度控制回饋部分控制回饋，就是控制核心MCU根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，通過特定的算法判斷當前的狀態(tài)，并輸出相應(yīng)的指令來控制特定的模塊以控制溫度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1溫度傳感器的選擇溫度傳感器大致可以分為模擬溫度傳感器和數(shù)字溫度傳感器兩類。模擬溫度傳感器，其輸出的是信號通常是電流、電壓等線性信號，要通過信號前端調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)數(shù)字化，才能輸入PIC控制核心來運算。這類常用的型號如：熱敏電阻、熱電偶、ADI公司出品的AD590、美信公司出品的MAX6613等。數(shù)字化的溫度傳感器在內(nèi)部集成了傳感器、調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換等電路，可以直接輸出數(shù)字信號，也可以直接和PIC單片機相連。常用的數(shù)字溫度傳感器有達拉斯公司出品的DS18B20、ADI公司出品的ADT75等。本系統(tǒng)選用ADI公司出品的AD590，其主要特點如下：（1） 線性化的電流輸出：1A對應(yīng)1K（K是絕對溫度單位）（2） 寬溫度測量范圍：-55+150（3） 優(yōu)異的線性：全溫度范圍內(nèi)達到0.3（4） 寬泛的供電范圍：+4V+30V（5） 低廉的價格2.2 PIC單片機硬件PIC單片機作為控制核心，其最小系統(tǒng)原理如圖所示。圖中PIC16F877接上供電電壓（+5V和GND），復(fù)位電路及晶振電路，即可正常工作，顯得簡潔易用。 圖3：PIC單片機最小系統(tǒng)原理2.3 A/D轉(zhuǎn)換芯片 ICL7135是一種四位半的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器,具有精度高(精度相當于14位二進制數(shù))、價格低廉、抗干擾能力強等優(yōu)點。本系統(tǒng)利用ICL7135進行串行數(shù)據(jù)采集,該方式結(jié)構(gòu)簡單、編程簡潔、占用單片機資源少。通過單片機PIC16F877的定時器T0來計脈沖個數(shù),定時器T0所用的頻率是系統(tǒng)晶振頻率的1/12。為了使定時器T0的計數(shù)脈沖與ICL7135工作所需的脈沖同步,可以將ICL7135的BUSY信號接至PIC16F877的PSP5引腳上,此時定時器T0是否工作將受BUSY信號的控制。當ICL7135開始工作時,也就是ICL7135的BUSY信號跳高時,定時器T0才開始工作。ICL7135與單片機的接口電路如圖4所示。將單片機的ALE端的信號經(jīng)過D觸發(fā)器4分頻后連接到ICL7135的CLK端。這樣,定時器T0所記錄的脈沖數(shù)是ICL7135測量得到的脈沖數(shù)的兩倍。將定時器記錄的脈沖個數(shù)除以2所得到是測量的脈沖個數(shù)。再將測量脈沖個數(shù)減去10 001就得到了A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果,這樣就得到了被測的模擬量,這些轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)全部在軟件中完成,因此非常簡單。其軟件設(shè)計如圖5所示,采用查詢方式。 圖4：ICL7135與單片機接口電路圖2.4 無線收發(fā)芯片 nRF24E1是挪威Nordic公司2003年開發(fā)的一種嵌入了高性能單片機內(nèi)核的高速單片無線收發(fā)模塊。采用QFN封裝，將射頻發(fā)射、接收、GMSK調(diào)制、解調(diào)、增強型8051內(nèi)核、9輸入12位ADC、125頻道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到單芯片中。芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示： 圖5 nRF24E1的硬件模塊 主要組成模塊有：1、 微處理器：增強型8051內(nèi)核2、 可編程控制的PWM輸出3、 SPI接口：nRF24E1的SPI總線中含3條串口線（SDI，SCK和SDO）4、 RTC喚醒定時器、WTD和RC振蕩器5、 A/D轉(zhuǎn)換器：nRF24E1 A/D轉(zhuǎn)換器有10位的動態(tài)范圍6、 無線收發(fā)器：nRF2401工作于全球開放的2.42.5GHz頻段。收發(fā)器由1個完整的頻率合成器、1個功率放大器、1個調(diào)節(jié)器和2個接收器組成。7、 電源管理：在程序的控制下，nRF24E1可進入POWER DOWN省電模式，此時電流消耗僅為2A，外部中斷和看門狗復(fù)位能使系統(tǒng)退出省電模式。8、 抗干擾能力：采用nRF24E1芯片很容易引入跳頻機制，采用頻點躲避方式降低同頻干擾的影響。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件部分包括初始化、AD數(shù)據(jù)采集、閾值判斷以及控制輸入輸出等幾個模塊，總體構(gòu)成如圖所示： 圖：軟件系統(tǒng)組成3.1 軟件系統(tǒng)介紹 本系統(tǒng)的PC機端的軟件采用美國NI公司的圖形化編程語言LabVIEW平臺,該平臺是測控領(lǐng)域優(yōu)秀軟件,被譽為工程師的語言,可以加快產(chǎn)品開發(fā)速度。LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境的簡稱,是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境,摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復(fù)雜性。LabVIEW將廣泛的數(shù)據(jù)采集、分析與顯示功能集中在同一個環(huán)境,且功能強大。 圖：監(jiān)控系統(tǒng)界面 圖：部分框圖程序3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖4 程序驗證鍍膜實驗測試對膜厚監(jiān)控系統(tǒng)的驗證主要是鍍制1.55m寬帶濾光片實驗，鍍膜材料為SiO2，TiO2，折射率分別為1.46和2.61，它的膜系結(jié)構(gòu)為： Air/254.0L,401.2H,406.2L,391.8H/Sub，監(jiān)控曲線如圖8所示：5 結(jié)束語本章介紹了一個完整的溫度測量、控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，包括器件的選擇、硬件的設(shè)計、軟件的設(shè)計，以及代碼注釋。本例采用了PIC單片機上自帶的ADC模塊，用戶在自行設(shè)計時，可以考慮將其換成外部的高精度或高速的ADC器件，從而將精度、速度提高；也可以采用更新、更好的傳感器，從而簡化后級電路設(shè)計，也可以達到提高性能的目的。參 考 文 獻1 劉向宇. PIC單片機C語言程序設(shè)計M.電子工業(yè)出版社,北京，2010.22 韓軍,彌謙,楊曉軍. 光學(xué)薄膜厚度監(jiān)控極值點判斷方法研究J. 西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2001,21卷第2期:105-1093 龍小平，張陽安，周黎明. DWDM系統(tǒng)中光信道監(jiān)測的實現(xiàn)J. 光通信技術(shù),2010年第1期:25-27頁4 周光亞.光學(xué)鍍膜機使用手冊M. 北京光學(xué)儀器廠,2000 5 宋凡峰，王開福. LabVIEW調(diào)用MATLAB進行圖像處理的實現(xiàn)J. 山東水利職業(yè)學(xué)院院刊，2009年9月，第3期：19-21頁6 楊樂平，李海濤，楊磊.LabVIEW程序設(shè)計與應(yīng)用M.北京:電子工業(yè)出版社，2005宋凡峰，王開福. LabVIEW調(diào)用MATLAB進行圖像處理的實現(xiàn)J. 山東水利職業(yè)學(xué)院院刊，2009年9月，第3期：19-21頁7 K.F.Wang,A.K.Tieu.Volume-grating phase-shifting digital speckle pattern interferometry used for measurement of out-of-plane displacement.Optics&Laser TechnologyJ.2004,36:117120 8 范壽康.基于LabVIEW平臺的虛擬儀器實驗室的實現(xiàn)M南京：三江學(xué)院學(xué)報，2005年6月第1卷第1、2期9 基于LabVIEW可視化數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)探討，周華，陜西郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2010年第1期10 裴鋒，汪翠英，李資榮.基于LabVIEW的虛擬儀器算法解決方案J.自動化儀表，2005，26（8）：63-65.投稿欄目：通信與信息技術(shù)溫度測量軟件編寫：1、 主函數(shù)mainVoid main()Unsigned int result=0x0000;Float temp;Inint();2、 初始化函數(shù)3、 AD數(shù)據(jù)采集函數(shù)4、 閾值判斷5、 控制輸出子函數(shù)6、7、8、9、10、11、張春峰.MCU架構(gòu)下溫濕度無線采集監(jiān)控系統(tǒng)J.電子技術(shù), 2005, 41 (9): 34-37.王恒海,陳照章.基于LabVIEW的溫度測控系統(tǒng)設(shè)計J.儀表技術(shù)與傳感器, 2007, 43 (4): 26-28.鄭啟忠，朱宏輝.系統(tǒng)級RF芯片nRF24E1收發(fā)原理與應(yīng)用編程J.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004,(7):42-45王桂靜,梁得勝,田錫天.基于nRF24E1的生命信號實時無線采集系統(tǒng)設(shè)計J.工業(yè)儀表與自動化裝置，2005(3);38-403.1 EPP并口通信協(xié)議增強型并行接口協(xié)議EPP (Enhanced Parallel Port),是PC和外設(shè)之間定義的并行雙向通信的標準。該協(xié)議通過硬件自動握手,能達到500 KB/S-2MB/S的通信速率,適合需要傳送大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐庠O(shè)進行高速通信。EPP協(xié)議支持4種操作,包括數(shù)據(jù)寫出、地址寫出,數(shù)據(jù)讀取和地址讀取。EPP模式分為EPP1.7和EPP1.9兩種,二者之間的區(qū)別是: EPP1.9需要判斷超時(避免出現(xiàn)“死循環(huán)”)以及nwait信號是否有效,而EPP1.7不需要判斷,則傳輸速度更快。本系統(tǒng)采用EPP1.9模式,支持超時和nwait判斷。3.2 LabVIEW8.2環(huán)境下PC與單片機并口通信設(shè)計LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境的簡稱,是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境,摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復(fù)雜性6。LabVIEW將廣泛的數(shù)據(jù)采集、分析與顯示功能集中在同一個環(huán)境,且功能強大。因此本系統(tǒng)采用LabVIEW8.0編程環(huán)境和EPP高速數(shù)據(jù)通信協(xié)議,通過LPT打印機接口與單片機處理模塊通信。PC機軟件系統(tǒng)主界面如圖5所示?？梢栽O(shè)置單個采集點或者多個采集點的循環(huán)采集,還可以設(shè)置采集上下限以及采集時間間隔。通過LPT并口將采集點的數(shù)字代碼和采集次數(shù)傳送給接收端的單片機進行識別和處理,對應(yīng)去控制接收模塊PT2272的地址碼和循環(huán)接收的次數(shù)。當設(shè)置完成后,點擊開始采集按鈕,采集到的數(shù)據(jù)就會顯示到波形圖表上,并可自動保存成文本文件,直到停止采集為止。若某采集點的采集數(shù)據(jù)超過采集上下限,系統(tǒng)報警等發(fā)亮同時自動蜂鳴報警。