基于LabVIEW的無線溫度測控系統設計方案

一、引言

溫度是機械工業生產和科學研究實驗中的一個非常重要的參數，許多系統的工作都是在一定的溫度范圍內進行的。因此，測量溫度和控制溫度的應用場景非常廣泛。傳統的溫度測量儀器功能單一，用戶無法根據自己的需求進行改變。而NI公司提出的虛擬儀器概念，徹底打破了傳統儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，使測控儀器發生了巨大變革。本文介紹了一種基于LabVIEW的無線溫度測控系統設計方案，通過低功耗單片機和低功耗溫度傳感器組成溫度采集節點，并通過無線通信模塊實現遠程通信，最終通過LabVIEW軟件平臺實現溫度數據的顯示、分析及控制。

二、系統總體設計

本系統基于虛擬儀器設計理論，以LabVIEW8.5為軟件開發平臺，低功耗單片機P89LV51RD2為硬件核心，設計了一個實時溫度測控系統。系統主要由計算機、單片機、溫度測量電路、溫度控制電路以及無線通信電路組成。

2.1 主控芯片型號及其作用

2.1.1 主控芯片型號

主控芯片采用低功耗單片機P89LV51RD2。P89LV51RD2是一款高性能、低功耗的8位單片機，內部提供了3個16位定時器/計數器以及1個全雙工串行通信口，非常適合用于本系統的數據采集和控制。

2.1.2 主控芯片作用

1. 數據采集：P89LV51RD2通過I2C總線與溫度傳感器TMPll2通信，讀取溫度數據。

2. 數據處理：單片機將讀取到的溫度數據進行初步處理，并通過數碼管LED電路進行現場顯示。

3. 無線通信：單片機通過無線通信模塊SZ05將溫度數據發送給遠程計算機。

4. 溫度控制：單片機接收來自上位機的控制量，通過PWM信號驅動溫度控制電路，實現對加熱對象的溫度控制。

2.2 溫度傳感器型號及其作用

2.2.1 溫度傳感器型號

溫度傳感器采用TI公司于2009年6月推出的高精度低功耗數字溫度傳感器TMPll2。

2.2.2 溫度傳感器作用

TMPll2具有測溫范圍廣、精度高、分辨率高、功耗低等特點，非常適合用于本系統的溫度測量。其主要作用是將被測對象的溫度轉換為數字信號，并傳送給單片機進行處理。

2.3 無線通信模塊型號及其作用

2.3.1 無線通信模塊型號

無線通信模塊采用上海順舟網絡科技有限公司的SZO5系列ZigBee無線數據通信模塊。

2.3.2 無線通信模塊作用

SZO5系列ZigBee無線數據通信模塊提供RS232、RS485和TTL三種接口標準，傳輸距離可達100～2000m。本系統采用RS232接口，實現單片機與計算機的串行無線通信，使得軟件編程變得簡單，并且降低了系統成本。

三、硬件設計

3.1 溫度測量電路

溫度測量電路主要由TMPll2溫度傳感器和P89LV51RD2單片機組成。TMPll2溫度傳感器通過SMBus/兩線式串行接口與單片機通信，將溫度數字量傳送給單片機。單片機通過I2C總線讀取溫度數據，并進行初步處理。

3.2 溫度控制電路

溫度控制電路主要由NPN型晶體管Q1、TLP521-1型光電耦合器U1和大功率NMOS管Q2組成。上位機程序控制系統將檢測溫度值與系統設定值進行比較，按照PID控制算法進行運算，從單片機的P1.2口輸出占空比可調的PWM信號，經晶體管Q1驅動后，控制光電耦合器U1的通斷，繼而控制NMOS管Q2的通斷時間，從而控制加熱對象——大功率電阻R的加熱時間，使其達到設定的溫度值。

3.3 無線通信電路

無線通信電路采用SZO5系列ZigBee無線數據通信模塊，實現單片機與計算機的遠程通信。模塊提供RS232接口，通過串口線與單片機連接，實現數據的無線傳輸。

四、軟件設計

4.1 上位機軟件設計

上位機軟件采用LabVIEW圖形化編程語言完成控制平臺的設計。LabVIEW提供了一個非常簡潔直觀的圖形化編程環境，設計者可以輕松組建測量系統，構造友好美觀的操作界面，無需編寫繁瑣的計算機程序代碼，大大簡化了程序設計，提高了開發效率。

上位機軟件主要由數據采集與顯示、數據處理與報警、數據存儲及PID控制等模塊組成。

4.1.1 數據采集與顯示模塊

數據采集與顯示模塊主要通過計算機串口及無線通信模塊接收單片機發送來的溫度數據，并進行實時顯示。為了保證計算機與單片機的順利通信，首先應進行串口初始化，如設置串口號COM1、波特率9600、8個數據位、1個停止位，無奇偶校驗及流控制。程序運行時，單擊“開始采集”按鈕，系統便能接收到單片機發送來的溫度數據，通過溫度儀表控件顯示當前采集到的溫度值。此外，數據采集模塊所接收到的是一組離散的溫度信號值，通過波形圖表顯示控件進行逐點顯示并連線，可繪制出溫度趨勢曲線，拖動曲線圖右下方的滑塊，可查看歷史溫度曲線。

4.1.2 數據處理與報警模塊

數據處理主要實現對采集到的溫度數據進行直方圖統計。單擊系統界面上的“創建直方圖”按鈕，系統便執行相應程序對溫度數據進行統計，在波形圖控件中顯示溫度直方圖，便于用戶進行統計分析。溫度報警模塊主要實現高溫報警和低溫報警。用戶在系統界面中設置溫度上下限值，當實際溫度大于溫度上限或小于溫度下限時，系統通過指示燈給出高溫報警（紅燈亮）或低溫報警（黃燈亮），提示用戶溫度超限，以確保人員及設備安全。

4.1.3 數據存儲模塊

數據存儲模塊主要實現將采集到的溫度數據保存至Excel表格，方便用戶日后調出歷史溫度數據進行查閱分析。首先利用“數組大小”VI獲取采集到的溫度數組的大小，并判斷其能否被10整除，若能整除，執行“條件結構”的“真”分支程序，將采集時間及10個溫度數據寫入電子表格文件后換行，然后再進行條件判斷。這樣，溫度數據便以10個為一行記錄到電子表格文件中，同時每一行的開頭均記錄下了采集本組數據的日期與時間。另外，利用“方法節點”和“寫入JPEG文件”VI可將溫度曲線以JPEG格式存儲。

4.1.4 PID控制模塊

LabVIEW提供了功能強大的PID控制器，使用戶避免了繁瑣的PID算法的編寫，提高了開發效率。進行PID控制時，首先將溫度信號輸入至PID控制器，并輸入溫度設定值和PID增益，包括比例系數Kc、積分時間常數Ti及微分時間常數Td。單擊“PID控制”按鈕，程序按照PID算法對溫度進行控制，使溫度逼近設定值。

4.2 單片機程序設計

單片機程序采用C語言進行設計。在系統初始化時，設置8位串行口模式1，以及單片機的定時器T2工作在波特率發生器模式，產生串行通信所需的波特率。再令單片機的定時器T0工作在定時器模式，用于產生指定的控制周期。在TO的中斷程序中，首先將采集到的溫度數據通過無線模塊發送給上位機進行實時顯示，然后上位機利用LabVIEW中的PID控制器，確定系統輸出控制量的大小并發送回單片機，單片機根據控制量輸出PWM信號，驅動控制電路對被測對象進行溫度控制。

五、系統測試與驗證

系統測試主要包括功能測試和性能測試。功能測試主要驗證系統是否能夠正確采集溫度數據、顯示溫度數據、進行溫度報警、存儲溫度數據以及實現PID控制。性能測試主要測試系統的測量精度、響應時間以及穩定性等。

通過多次測試，系統能夠正確采集溫度數據，并通過LabVIEW軟件平臺進行實時顯示、報警、存儲及控制。系統的測量精度高，響應時間快，穩定性好，能夠滿足實際應用需求。

六、結論

本文介紹了一種基于LabVIEW的無線溫度測控系統設計方案，通過低功耗單片機P89LV51RD2和低功耗溫度傳感器TMPll2組成溫度采集節點，并通過ZigBee無線通信模塊實現單片機系統與上位機的遠程通信，最終通過LabVIEW軟件平臺實現溫度數據的顯示、分析及控制。系統具有功耗低、測量精度高、界面友好、易于操作、可擴展性強且成本低等特點，具有良好的應用前景。

通過本文的設計和實現，可以看出虛擬儀器技術在溫度測控領域具有巨大的優勢，能夠大大提高系統的靈活性和可擴展性，降低系統成本，提高開發效率。未來，隨著物聯網技術的不斷發展，無線溫度測控系統將會得到更廣泛的應用和推廣。