1、1基于 Labview 的温湿度监控系统设计摘 要: 本论文研究的是短距离无线通信技术在工业数据控制上的一个具体应用，主要介绍了系统的总体设计和软硬件组成，硬件部分选择 PIC 单片机作为控制核心，控制微功率 RF 芯片（nRF24E1）完成数据的无线传输，控制 ICL7135 完成传感器数据的 AD 转换，选择 Labview 软件编写控制界面。该系统能实时显示监控曲线和数据存储，可实现对复杂环境的温湿度精确控制。关键词: 光学滤光片；镀膜；Labview；Matlab The Design of Temperature and humidity monitoring systemWANG
2、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 a
3、s 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 a
4、nd 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, Matlab0 引 言随着科学技术的发展，许多新兴产业对环境提出了更高的要求：制造大规模集成电路需要极高的空气洁净度，生物化学制药需要精确的温湿度控制。因此，对温、湿度和一些基本数据的监测和控制已成为生产过程中非常重要的技术要求
5、。PIC 单片机（Peripheral Interface Controller）是由美国 Microchip 公司推出的，由于它的硬件系统设计便捷、指令系统设计精炼、采用精简指令集和哈佛总线结构，拥有速度高、功率低、驱动电流大及控制能力强等优点，能满足用户的各种需要，因此得到广泛的应用 1。本文提出一种采用 PIC 单片来设计实现的测量和控制系统。首先进行实例内容描述。1 系统组成本系统设计内容分成两大部分：温度的测量和控制。1.1 温度测量部分温度测量部分如图 1 所示，由传感器、信号调理前端、AD 模数转换部分和无线收发模块组成。待 测 区 域温 度温 度 传 感器（ A D 5 9 0
6、 ）信 号 调 理前 端A D 转 换 芯 片I C L 7 1 3 5P I C 控 制 核 心（ P I C 1 6 F 8 7 7 ）图 1 ： 温 度 测 量 部 分 模 块无 线 收 发 模 块（ n R F 2 4 E 1 ）1.2 温度控制回馈部分控制回馈，就是控制核心 MCU 根据采集的数据，通过特定的算法判断当前的状态，并输出相应的指令来控制特定的模块以控制温度。系统结构框图如图 2 所示。2数 据 曲 线 显 示 和 文 本 显 示电 平 转 换P I C 控 制 核 心（ P I C 1 6 F 8 7 7 ）图 2 ： 温 度 显 示 、 回 馈 模 块无 线 收 发
7、模 块（ n R F 2 4 E 1 ）历 史 数 据 回 放数 据 处 理驱动电路驱动电路驱动电路加热片风扇半导体制冷模块温 度 控 制 区 域2 系统硬件设计2.1 温度传感器的选择温度传感器大致可以分为模拟温度传感器和数字温度传感器两类。模拟温度传感器，其输出的是信号通常是电流、电压等线性信号，要通过信号前端调理电路和 AD 转换电路来实现数字化，才能输入 PIC 控制核心来运算。这类常用的型号如：热敏电阻、热电偶、ADI 公司出品的 AD590、美信公司出品的MAX6613 等。数字化的温度传感器在内部集成了传感器、调理电路和 AD 转换等电路，可以直接输出数字信号，也可以直接和 PI
8、C 单片机相连。常用的数字温度传感器有达拉斯公司出品的 DS18B20、ADI 公司出品的 ADT75 等。本系统选用 ADI 公司出品的 AD590，其主要特点如下：（1） 线性化的电流输出：1A 对应1K（K 是绝对温度单位）（2） 宽温度测量范围：-55+150（3） 优异的线性：全温度范围内达到0.3（4） 宽泛的供电范围：+4V+30V（5） 低廉的价格2.2 PIC 单片机硬件PIC 单片机作为控制核心，其最小系统原理如图所示。图中 PIC16F877 接上供电电压（+5V和 GND） ，复位电路及晶振电路，即可正常工作，显得简洁易用。RA0/N021/13RA2/N2/VREF-
9、4RA4/T0CKI65/N4/S7RE0/AN5/RD81/6/W9RE2/AN7/CS10OSC1/LKIN132/OUT4RC1/TOSI/CP216R2/17C3/SK/SCL18RD0/PS0191/120RB7/PGD406/C39RB58437RB3/PGM6RB23514RB0/INT3RD7/PS7306/629RD5/PS584/427RD3/PS32/21RC7/X/DT266/T/CK5R5/SDO244/I/A33/3/+5 0/ /T1KI5MCLR/Vp/HV1UPIC16F87R110kC110uC210u X1CRYSTALVCGNDAN0caleAD590图
10、 3：PIC 单片机最小系统原理2.3 A/D 转换芯片 ICL7135 是一种四位半的双积分 A/D 转换器,具有精度高(精度相当于 14 位二进制数)、价格低廉、抗干扰能力强等优点。本系统利用 ICL7135 进行串行数据采集,该方式结构简单、编程简洁、占用单片机资源少。通过单片机 PIC16F877 的定时器T0 来计脉冲个数,定时器 T0 所用的频率是系统晶振频率的 1/12。为了使定时器 T0 的计数脉冲与ICL7135 工作所需的脉冲同步,可以将 ICL7135 的BUSY 信号接至 PIC16F877 的 PSP5 引脚上,此时定时器 T0 是否工作将受 BUSY 信号的控制。当
11、ICL7135 开始工作时,也就是 ICL7135 的 BUSY 信号跳高时,定时器 T0 才开始工作。ICL7135 与单片机的接口电路如图 4 所示。将单片机的 ALE 端的信号经过 D 触发器 4 分频后连接到 ICL7135 的 CLK 端。这样,定时器 T0 所记录的脉冲数是 ICL7135 测量得到的脉冲数的两倍。将定时器记录的脉冲个数除以 2 所得到是测量的脉冲个数。再将测量脉冲个数减去 10 001 就得到了 A/D 转换的结果,这样就得到了被测的模拟量,这些转换的实现全部在软件中完成,因此非常简单。其软件设计如图 5 所示,采用查询方式。3(MSD)(LSD)MB(LSB)R
12、EF2ACOM3INLO9IHI10 V+1V-1INT4AZ5BUF6CREF+8-7CLKIN2UR28OV7TROE26GN24PL2312021938417521132441586UN/HLD5BSY1U1ICL7135R10kC1470pC21uDN48R210k C31uC410nR310k+-Vin PS657图 4：ICL7135 与单片机接口电路图2.4 无线收发芯片 nRF24E1 是挪威 Nordic 公司 2003 年开发的一种嵌入了高性能单片机内核的高速单片无线收发模块。采用 QFN 封装，将射频发射、接收、GMSK 调制、解调、增强型 8051 内核、9 输入 12
13、 位 ADC、125 频道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT 全部集成到单芯片中。芯片的内部结构如图所示：图 5 nRF24E1 的硬件模块 主要组成模块有：1、 微处理器：增强型 8051 内核2、 可编程控制的 PWM 输出3、 SPI 接口：nRF24E1 的 SPI 总线中含3 条串口线（SDI，SCK 和 SDO）4、 RTC 唤醒定时器、WTD 和 RC 振荡器5、 A/D 转换器：nRF24E1 A/D 转换器有10 位的动态范围6、 无线收发器：nRF2401 工作于全球开放的 2.42.5GHz 频段。收发器由 1个完整的频率合成器、1 个功率放大器、1 个调节器和
14、2 个接收器组成。7、 电源管理：在程序的控制下，nRF24E1 可进入 POWER DOWN 省电模式，此时电流消耗仅为 2A，外部中断和看门狗复位能使系统退出省电模式。8、 抗干扰能力：采用 nRF24E1 芯片很容易引入跳频机制，采用频点躲避方式降低同频干扰的影响。3 系统软件设计软件部分包括初始化、AD 数据采集、阈值判断以及控制输入输出等几个模块，总体构成如图所示：程序开始初始化函数读取 A D 数据运算 ， 得到当前温度阈值判断控制信号输出图：软件系统组成3.1 软件系统介绍本系统的 PC 机端的软件采用美国 NI 公司的图形化编程语言 LabVIEW 平台,该平台是测控领域优秀软
15、件,被誉为工程师的语言,可以加快产品开发速度。LabVIEW 是实验室虚拟仪器集成环境的简称,是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形4化软件开发集成环境,摒弃了传统开发工具的复杂性。LabVIEW 将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在同一个环境,且功能强大。图：监控系统界面图：部分框图程序3.2 数据采集系统流程图P S P 5 为低电平N o初始化P S P 5 为高电平Y e sN O计脉冲个数P S P 5 为低电平停止计数数据处理结束开始N o数据采集子程序流程图4 程序验证镀膜实验测试对膜厚监控系统的验证主要是镀制 1.55m宽带滤光片实验，镀膜材料为 SiO2，TiO2，折射率
16、分别为 1.46 和 2.61，它的膜系结构为： Air/254.0L,401.2H,406.2L,391.8H/Sub，监控曲线如图 8 所示：5 结束语本章介绍了一个完整的温度测量、控制系统的设计方案，包括器件的选择、硬件的设计、软件的设计，以及代码注释。本例采用了 PIC 单片机上自带的 ADC 模块，用户在自行设计时，可以考虑将其换成外部的高精度或高速的 ADC 器件，从而将精度、速度提高；也可以采用更新、更好5的传感器，从而简化后级电路设计，也可以达到提高性能的目的。参 考 文 献1 刘向宇. PIC 单片机 C 语言程序设计M.电子工业出版社,北京，2010.22 韩军,弥谦,杨晓
17、军. 光学薄膜厚度监控极值点判断方法研究J. 西安工业学院学报,2001,21 卷第 2 期:105-1093 龙小平，张阳安，周黎明. DWDM 系统中光信道监测的实现J. 光通信技术,2010 年第 1期:25-27 页4 周光亚.光学镀膜机使用手册M. 北京光学仪器厂,2000 5 宋凡峰，王开福. LabVIEW 调用 MATLAB 进行图像处理的实现J. 山东水利职业学院院刊，2009 年 9 月，第 3 期：19-21 页6 杨乐平，李海涛，杨磊.LabVIEW 程序设计与应用M.北京:电子工业出版社，2005 宋凡峰，王开福. LabVIEW 调用 MATLAB 进行图像处理的实
18、现J. 山东水利职业学院院刊，2009年 9 月，第 3 期：19-21 页7 K.F.Wang,A.K.Tieu.Volume-grating phase-shifting digital speckle pattern interferometry used for measurement of out-of-plane displacement.OpticsFloat temp;Inint();2、 初始化函数3、 AD 数据采集函数4、 阈值判断5、 控制输出子函数6、7、8、9、10、11、6张春峰.MCU 架构下温湿度无线采集监控系统J.电子技术, 2005, 41 (9): 34
19、-37.王恒海,陈照章.基于 LabVIEW 的温度测控系统设计J.仪表技术与传感器, 2007, 43 (4): 26-28.郑启忠，朱宏辉.系统级 RF 芯片 nRF24E1 收发原理与应用编程J.单片机与嵌入式系统应用，2004,(7):42-45王桂静,梁得胜,田锡天.基于 nRF24E1 的生命信号实时无线采集系统设计J.工业仪表与自动化装置，2005(3);38-403.1 EPP 并口通信协议增强型并行接口协议 EPP (Enhanced Parallel Port),是 PC 和外设之间定义的并行双向通信的标准。该协议通过硬件自动握手,能达到 500 KB/S-2MB/S 的通
20、信速率,适合需要传送大量数据传输的外设进行高速通信。EPP 协议支持 4 种操作,包括数据写出、地址写出,数据读取和地址读取。EPP 模式分为 EPP1.7 和 EPP1.9 两种,二者之间的区别是 : EPP1.9需要判断超时(避免出现“死循环 ”)以及 nwait 信号是否有效,而 EPP1.7 不需要判断 ,则传输速度更快。本系统采用EPP1.9 模式,支持超时和 nwait 判断。3.2 LabVIEW8.2 环境下 PC 与单片机并口通信设计LabVIEW 是实验室虚拟仪器集成环境的简称,是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境,摒弃了传统开发工具的复杂性6。Lab
21、VIEW 将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在同一个环境,且功能强大。因此本系统采用 LabVIEW8.0 编程环境和 EPP 高速数据通信协议,通过 LPT 打印机接口与单片机处理模块通信。PC 机软件系统主界面如图 5 所示。可以设置单个采集点或者多个采集点的循环采集,还可以设置采集上下限以及采集时间间隔。通过 LPT 并口将采集点的数字代码和采集次数传送给接收端的单片机进行识别和处理,对应去控制接收模块 PT2272 的地址码和循环接收的次数。当设置完成后 ,点击开始采集按钮,采集到的数据就会显示到波形图表上,并可自动保存成文本文件,直到停止采集为止。若某采集点的采集数据超过采集上下限,系统报警等发亮同时自动蜂鸣报警。
