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1、基于Labview的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(gè)具體應(yīng)用，主要介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和軟硬件組成，硬件部分選擇PIC單片機(jī)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(shí)時(shí)顯示監(jiān)控曲線和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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 system WANG Ha

2、i-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

3、 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

4、 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, Matlab 6 0 引 言 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新興產(chǎn)業(yè)對(duì)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(duì)溫、濕度和一些基本數(shù)

5、據(jù)的監(jiān)測(cè)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(jī)（Peripheral Interface Controller）是由美國(guó)Microchip公司推出的，由于它的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)便捷、指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)精煉、采用精簡(jiǎn)指令集和哈佛總線結(jié)構(gòu)，擁有速度高、功率低、驅(qū)動(dòng)電流大及控制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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(jì)實(shí)現(xiàn)的測(cè)量和控制系統(tǒng)。首先進(jìn)行實(shí)例內(nèi)容描述。 1 系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容分成兩大部分：溫度的測(cè)量和控制。 1.1溫度測(cè)量部分 溫度測(cè)量部分如圖1所示，由傳感器、信號(hào)調(diào)理前端、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換部分和無線收發(fā)模塊

6、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(dāng)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(jì) 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(hào)通常是電流、電壓等線性信號(hào)，要通過信號(hào)前端調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，才能輸入PIC控制核心來運(yùn)算。這類常用的型號(hào)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

7、等電路，可以直接輸出數(shù)字信號(hào)，也可以直接和PIC單片機(jī)相連。常用的數(shù)字溫度傳感器有達(dá)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(diǎn)如下： （1） 線性化的電流輸出：1μA對(duì)應(yīng)1K（K是絕對(duì)溫度單位） （2） 寬溫度測(cè)量范圍：-55℃～+150℃ （3） 優(yōu)異的線性：全溫度范圍內(nèi)達(dá)到0.3℃ （4） 寬泛的供電范圍：+4V～+30V （5） 低廉的價(jià)格 2.2 PIC單片機(jī)硬件 PIC單片機(jī)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

8、得簡(jiǎn)潔易用。 圖3：PIC單片機(jī)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(dāng)于14位二進(jìn)制數(shù))、價(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)利用ICL7135進(jìn)行串行數(shù)據(jù)采集,該方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程簡(jiǎn)潔、占用單片機(jī)資源少。通過單片機(jī)PIC16F877的定時(shí)器T0來計(jì)脈沖個(gè)數(shù),定時(shí)器T0所用的頻率是系統(tǒng)晶振頻率的1/12。為了使定時(shí)器T0的計(jì)數(shù)脈沖與ICL7135工作所需的脈沖同步,可以將ICL7135的BUSY信號(hào)接至PIC16F877的PSP5引腳上,此時(shí)定時(shí)器T0是否工作將受BUSY信號(hào)的控制。當(dāng)ICL7135開始工

9、作時(shí),也就是ICL7135的BUSY信號(hào)跳高時(shí),定時(shí)器T0才開始工作。 ICL7135與單片機(jī)的接口電路如圖4所示。將單片機(jī)的ALE端的信號(hào)經(jīng)過D觸發(fā)器4分頻后連接到ICL7135的CLK端。這樣,定時(shí)器T0所記錄的脈沖數(shù)是ICL7135測(cè)量得到的脈沖數(shù)的兩倍。將定時(shí)器記錄的脈沖個(gè)數(shù)除以2所得到是測(cè)量的脈沖個(gè)數(shù)。再將測(cè)量脈沖個(gè)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(cè)的模擬量,這些轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)全部在軟件中完成,因此非常簡(jiǎn)單。其軟件設(shè)計(jì)如圖5所示,采用查詢方式。 圖4：ICL7135與單片機(jī)接口電路圖 2.4 無線收發(fā)芯片 nRF24E1是挪威Nordic公司

10、2003年開發(fā)的一種嵌入了高性能單片機(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(dòng)

11、態(tài)范圍 6、 無線收發(fā)器：nRF2401工作于全球開放的2.4~2.5GHz頻段。收發(fā)器由1個(gè)完整的頻率合成器、1個(gè)功率放大器、1個(gè)調(diào)節(jié)器和2個(gè)接收器組成。 7、 電源管理：在程序的控制下，nRF24E1可進(jìn)入POWER DOWN省電模式，此時(shí)電流消耗僅為2μA，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(jī)制，采用頻點(diǎn)躲避方式降低同頻干擾的影響。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 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(gè)模

12、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(jī)端的軟件采用美國(guó)NI公司的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW平臺(tái),該平臺(tái)是測(cè)控領(lǐng)域優(yōu)秀軟件,被譽(yù)為工程師的語(yǔ)言,可以加快產(chǎn)品開發(fā)速度。LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境的簡(jiǎn)稱,是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)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(gè)環(huán)境,且功能強(qiáng)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(yàn)證 鍍膜實(shí)驗(yàn)測(cè)試 對(duì)膜厚監(jiān)控

13、系統(tǒng)的驗(yàn)證主要是鍍制1.55μm寬帶濾光片實(shí)驗(yàn)，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(yǔ) 本章介紹了一個(gè)完整的溫度測(cè)量、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，包括器件的選擇、硬件的設(shè)計(jì)、軟件的設(shè)計(jì)，以及代碼注釋。本例采用了PIC單片機(jī)上自帶的ADC模塊，用戶在自行設(shè)計(jì)時(shí)，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(jiǎn)化后級(jí)電路設(shè)計(jì)，也可以達(dá)到提高性能的目的。 [參 考 文 獻(xiàn)] [1] 劉向宇.

14、 PIC單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社,北京，2010.2 [2] 韓軍,彌謙,楊曉軍. 光學(xué)薄膜厚度監(jiān)控—極值點(diǎn)判斷方法研究[J]. 西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2001,21卷第2期:105-109 [3] 龍小平，張陽(yáng)安，周黎明. DWDM系統(tǒng)中光信道監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)[J]. 光通信技術(shù),2010年第1期:25-27頁(yè) [4] 周光亞.光學(xué)鍍膜機(jī)使用手冊(cè)[M]. 北京光學(xué)儀器廠,2000 [5] 宋凡峰，王開福. LabVIEW調(diào)用MATLAB進(jìn)行圖像處理的實(shí)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(yè) [6] 楊樂平，李海濤，楊磊.LabVIEW

15、程序設(shè)計(jì)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(jìn)行圖像處理的實(shí)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(yè) [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 Technology[J].2004,36:117～120 [8] 范壽康.《基于LabVIEW平

16、臺(tái)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)》[M]南京：三江學(xué)院學(xué)報(bào)，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(dòng)化儀表，2005，26（8）：63-65. 投稿欄目：通信與信息技術(shù) 溫度測(cè)量軟件編寫： 1、 主函數(shù)main Void main() { Unsigned int result=0x0000; Float temp; Inint(); } 2

17、、 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(cè)控系統(tǒng)設(shè) 計(jì)[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(jí)RF芯片nRF24E1收發(fā)原理與應(yīng)用編程[J].單片機(jī)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(hào)實(shí)時(shí)無線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工

18、業(yè)儀表與自 動(dòng)化裝置，2005(3);38-40 3.1 EPP并口通信協(xié)議 增強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議通過硬件自動(dòng)握手,能達(dá)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(jìn)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(shí)(避免出現(xiàn)“死循環(huán)”)以及nwait信號(hào)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

19、時(shí)和nwait判斷。 3.2 LabVIEW8.2環(huán)境下PC與單片機(jī)并口通信 設(shè)計(jì) LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境的簡(jiǎn)稱,是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)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(gè)環(huán)境,且功能強(qiáng)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(jī)接口與單片機(jī)處理模塊通信。 PC機(jī)軟件系統(tǒng)主界面如圖5所示?？梢栽O(shè)置單個(gè)采集點(diǎn)或者多個(gè)采集點(diǎn)的循環(huán)采集,還可以設(shè)置采集上下限以及采集時(shí)間間隔。通過LPT并口將采集點(diǎn)的數(shù)字代碼和采集次數(shù)傳送給接收端的單片機(jī)進(jìn)行識(shí)別和處理,對(duì)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(dāng)設(shè)置完成后,點(diǎn)擊開始采集按鈕,采集到的數(shù)據(jù)就會(huì)顯示到波形圖表上,并可自動(dòng)保存成文本文件,直到停止采集為止。若某采集點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)超過采集上下限,系統(tǒng)報(bào)警等發(fā)亮同時(shí)自動(dòng)蜂鳴報(bào)警。