溫度控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文.pdf

1 基 于 Labview 的 溫 濕 度 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 設 計摘 要 : 本 論 文 研 究 的 是 短 距 離 無 線 通 信 技 術 在 工 業(yè) 數 據 控 制 上 的 一 個 具 體 應 用 ， 主 要 介 紹 了 系 統(tǒng) 的 總 體 設 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 據 的 無 線 傳 輸 ， 控 制ICL7135 完 成 傳 感 器 數 據 的 AD 轉 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 據 存 儲 ，可 實 現 對 復 雜 環(huán) 境 的 溫 濕 度 精 確 控 制 。關 鍵 詞 : 光 學 濾 光 片 ； 鍍 膜 ； Labview； MatlabTheDesignofTemperatureandhumiditymonitoringsystemWANG 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 thesoftware. Adopting the PIC SCM as the controlling kernel, controlling the RF chip(nRF24E1) to achievethe the wireless data transmission, controlling the chip ICL7135 to achieve the AD converion of the datafrom the sensor, adopting the Labview to compile the software. Adopting this system, the accuratemonitoring of temperature and humidity in complicate circumstance can be obtain , the monitoring curvereal-time displaying ,the data saving is also obtainable.K eyword: lightfilterflake,filmcoating,Labview,Matlab0 引 言隨 著 科 學 技 術 的 發(fā) 展 ， 許 多 新 興 產 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 制 藥 需 要 精 確 的 溫 濕度 控 制 。 因 此 ， 對 溫 、 濕 度 和 一 些 基 本 數 據 的 監(jiān) 測 和 控 制 已 成 為 生 產 過 程 中 非 常 重 要 的 技 術 要求 。 PIC 單 片 機 （ PeripheralInterfaceController）是 由 美 國 Microchip 公 司 推 出 的 ， 由 于 它 的 硬 件系 統(tǒng) 設 計 便 捷 、 指 令 系 統(tǒng) 設 計 精 煉 、 采 用 精 簡 指令 集 和 哈 佛 總 線 結 構 ， 擁 有 速 度 高 、 功 率 低 、 驅動 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 用 1。本 文 提 出 一 種 采 用 PIC單 片 來 設 計 實 現 的 測量 和 控 制 系 統(tǒng) 。 首 先 進 行 實 例 內 容 描 述 。1 系 統(tǒng) 組 成本 系 統(tǒng) 設 計 內 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 理 前 端 、 AD 模 數 轉 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 采 集 的 數 據 ， 通 過 特 定 的 算 法 判 斷 當 前 的 狀 態(tài) ， 并 輸 出 相應 的 指 令 來 控 制 特 定 的 模 塊 以 控 制 溫 度 。 系 統(tǒng) 結構 框 圖 如 圖 2 所 示 。 2 2 系 統(tǒng) 硬 件 設 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 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 理 電 路和 AD轉 換 電 路 來 實 現 數 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 字 化 的 溫 度 傳 感 器 在 內 部 集 成 了 傳 感 器 、 調 理 電 路 和 AD轉 換 等 電 路 ， 可 以 直 接 輸 出 數 字 信號 ， 也 可 以 直 接 和 PIC單 片 機 相 連 。 常 用 的 數 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 ： 1 A 對 應 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 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 位 電 路 及 晶 振 電 路 ， 即 可 正 常 工 作 ， 顯 得 簡 潔 易 用 。 RA0/AN02 RA1/AN13 RA2/AN2/VREF-4 RA4/T0CKI6 RA5/AN4/SS7 RE0/AN5/RD8 RE1/AN6/WR9 RE2/AN7/CS10 OSC1/CLKIN13 OSC2/CLKOUT14 RC1/T1OSI/CCP2 16RC2/CCP1 17RC3/SCK/SCL 18 RD0/PSP0 19RD1/PSP1 20 RB7/PGD 40RB6/PGC 39RB5 38RB4 37RB3/PGM 36RB2 35RB1 34 RB0/INT 33 RD7/PSP7 30RD6/PSP6 29RD5/PSP5 28RD4/PSP4 27RD3/PSP3 22RD2/PSP2 21 RC7/RX/DT 26RC6/TX/CK 25RC5/SDO 24RC4/SDI/SDA 23 RA3/AN3/VREF+5 RC0/T1OSO/T1CKI 15MCLR/Vpp/THV1 U1 PIC16F877 R110k C11000uC2 1000u X1CRYSTALVCC GND AN0 caleAD590圖 3： PIC單 片 機 最 小 系 統(tǒng) 原 理2.3 A/D轉 換 芯 片ICL7135 是 一 種 四 位 半 的 雙 積 分 A/D 轉 換器 ,具 有 精 度 高 (精 度 相 當 于 14 位 二 進 制 數 )、 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 據 采 集 ,該 方 式 結 構 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 ,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 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 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 是 ICL7135 測 量 得 到 的 脈 沖 數 的 兩倍 。 將 定 時 器 記 錄 的 脈 沖 個 數 除 以 2 所 得 到 是 測 量 的 脈 沖 個 數 。 再 將 測 量 脈 沖 個 數 減 去 10 001就 得 到 了 A/D 轉 換 的 結 果 ,這 樣 就 得 到 了 被 測 的模 擬 量 ,這 些 轉 換 的 實 現 全 部 在 軟 件 中 完 成 ,因 此非 常 簡 單 。 其 軟 件 設 計 如 圖 5 所 示 ,采 用 查 詢 方式 。 3 (MSD)(LSD)MSB(LSB) REF2 ACOM3 INLO9 INHI10 V+11 V-1 INT4 AZ5 BUF6 CREF+8 CREF-7 CLKIN 22UNR 28OVR 27STROBE 26 GND 24 POL 23 D1 20D2 19D3 18D4 17D5 12B1 13B2 14B4 15B8 16RUN/HOLD 25BUSY 21U1 ICL7135R1100kC1470p C21uD1 1N4148R2100k C31u C4100nR3100k+-Vin PSP6PSP5PSP7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 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 制 、 解 調 、 增 強 型 8051內 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 部 結 構 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 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 換 器 ： nRF24E1 A/D轉 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 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 2 A， 外 部中 斷 和 看 門 狗 復 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 計軟 件 部 分 包 括 初 始 化 、 AD數 據 采 集 、 閾值 判 斷 以 及 控 制 輸 入 輸 出 等 幾 個 模 塊 ， 總 體 構 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 領域 優(yōu) 秀 軟 件 ,被 譽 為 工 程 師 的 語 言 ,可 以 加 快 產 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 用 最 廣 、 發(fā) 展 最 快 、 功 能 最 強 的 4 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 雜 性 。 LabVIEW 將 廣 泛 的 數 據 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 據 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 1.55 m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 構 為 ：Air/254.0L,401.2H,406.2L,391.8H/Sub， 監(jiān) 控 曲 線如 圖 8所 示 ：5 結 束 語 本 章 介 紹 了 一 個 完 整 的 溫 度 測 量 、 控 制 系 統(tǒng)的 設 計 方 案 ， 包 括 器 件 的 選 擇 、 硬 件 的 設 計 、 軟件 的 設 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 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 、 5 更 好 的 傳 感 器 ， 從 而 簡 化 后 級 電 路 設 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 計 M.電 子工 業(yè) 出 版 社 ,北 京 ， 2010.22 韓 軍 ,彌 謙 ,楊 曉 軍 . 光 學 薄 膜 厚 度 監(jiān) 控 極值 點 判 斷 方 法 研 究 J. 西 安 工 業(yè) 學 院 學報 ,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 J. 光 通 信 技 術 ,2010 年 第 1 期 :25-27頁4 周 光 亞 .光 學 鍍 膜 機 使 用 手 冊 M. 北 京 光 學儀 器 廠 ,20005 宋 凡 峰 ， 王 開 福 . LabVIEW 調 用 MATLAB 進 行圖 像 處 理 的 實 現 J. 山 東 水 利 職 業(yè) 學 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 計 與應 用 M.北 京 :電 子 工 業(yè) 出 版 社 ， 2005 宋 凡峰 ， 王 開 福 . LabVIEW 調 用 MATLAB 進 行 圖 像處 理 的 實 現 J. 山 東 水 利 職 業(yè) 學 院 院 刊 ， 2009年 9 月 ， 第 3 期 ： 19-21 頁 7 K.F.Wang,A.K.Tieu.Volume-gratingphase-shifting digital speckle patterninterferometry used for measurement ofout-of-plane displacement.OpticsFloattemp;Inint();2、 初 始 化 函 數3、 AD數 據 采 集 函 數 4、 閾 值 判 斷5、 控 制 輸 出 子 函 數6、7、 8、9、10、11、 6 張 春 峰 .MCU架 構 下 溫 濕 度 無 線 采 集 監(jiān) 控 系 統(tǒng) J.電 子 技 術 ,2005,41(9):34-37.王 恒 海 ,陳 照 章 .基 于 LabVIEW的 溫 度 測 控 系 統(tǒng) 設計 J.儀 表 技 術 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 應用 編 程 J.單 片 機 與 嵌 入 式 系 統(tǒng) 應用 ， 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 計 J.工 業(yè) 儀 表 與 自動 化 裝 置 ， 2005(3);38-40 3.1EPP并 口 通 信 協 議增 強 型 并 行 接 口 協 議 EPP(Enhanced Parallel Port),是 PC和 外 設 之 間 定 義 的 并 行 雙 向 通 信 的 標 準 。 該 協 議 通 過 硬 件自 動 握 手 ,能 達 到 500KB/S-2MB/S 的 通 信 速 率 ,適 合 需 要傳 送 大 量 數 據 傳 輸 的 外 設 進 行 高 速 通 信 。 EPP協 議 支 持 4種 操 作 ,包 括 數 據 寫 出 、 地 址 寫 出 ,數 據 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 “ 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 。 3.2LabVIEW8.2環(huán) 境 下 PC與 單 片 機 并 口 通 信設 計LabVIEW 是 實 驗 室 虛 擬 儀 器 集 成 環(huán) 境 的 簡 稱 ,是 目 前 應用 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 雜 性 6。 LabVIEW將 廣 泛 的 數據 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 據通 信 協 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 。 可 以 設 置 單 個 采 集 點或 者 多 個 采 集 點 的 循 環(huán) 采 集 ,還 可 以 設 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 字 代 碼 和 采集 次 數 傳 送 給 接 收 端 的 單 片 機 進 行 識 別 和 處 理 ,對 應 去 控 制 接 收 模 塊 PT2272的 地 址 碼 和 循 環(huán) 接 收 的 次 數 。 當 設 置完 成 后 ,點 擊 開 始 采 集 按 鈕 ,采 集 到 的 數 據 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 據 超 過 采 集 上 下 限 ,系 統(tǒng) 報 警 等 發(fā) 亮 同時 自 動 蜂 鳴 報 警 。