基于LabVIEW的多功能温度测控系统设计

    李春辉

    

    

    

    摘要： 针对医院精密仪器室温度测控系统中遇到的设备控温不精确，结构和操作复杂，功能不全等问题，设计了一种以LabVIEW为开发平台的新型温度测控系统。该系统采用DS18B20为温度传感器，将采集到的温度信号由STC89C52RC单片机处理后通过串口送到计算机，对温度数据进行实时显示、存储、报警与控制，并能够通过GSM模块把报警信息发到管理人员的手机，且管理人员可发送相应的短信指令去控制继电器开启制冷或加热设备。此外，管理人员还可以通过网页浏览器访问WEB服务器发布的前面板页面，实现远程监控。该系统具有硬件电路简单、控温精确、功能全面等特点，能够完全满足实际应用要求。

    关键词：LabVIEW;GSM模块;温度测控;远程监控

    中图分类号：TP274? ? ? 文献标识码：A

    文章编号：1009-3044（2021）17-0066-03

    开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

    Multi-functional Temperature Measurement and Control System Based on LabVIEW

    LI Chun-hui

    （Zhumadian Vocational and Technical College， Zhumadian 463000，China）

    Abstract： For the problems of temperature control inaccuracy， complex structure and operations，and insufficiency in the precision instrument room of hospital， Using LabVIEW software as the development platform to design a new temperature control system， and using temperature sensor DS18B20 to acquire the temperature information. Will be collected by the STC89C52RC microcontroller temperature signal sent to the computer through the serial port. the temperature data was displayed and stored. As temperature was over the one set in advanced， the system will give an alarm and by controlling the relay action， the temperture will restored to the setting range， and the GSM module sends the alarm message to the managers ' mobile phone， and the manager can send a message instruction to control the relay to turn on the cooling or heating equipment. In addition， managers can also access the WEB server`s front panel pages via a web browser， and then realize the remote monitoring. The system has the characteristics of simple hardware circuit， accuracy control of? temperature and full-featured features， and meet requirement of parctical application.

    Key words： LabVIEW; GSM module; temperature control; remote monitoring

    目前使用的任何器械和設备仪器都需要根据使用频率定期进行维护和保养，只有这样才能保证器械及仪器的正常安全使用。其他器械和仪器尚且如此，那么供给医院使用的精密仪器就需要更加注意维护和保养，因为医用的仪器特别是实验室使用的各种医疗器械和设备，价格比较昂贵，并且它能否正常工作及其测量精度至关重要，所以，科学的维护和保养至关重要。现在大部分精密仪器对环境温度要求比较高，实验室温度一般在17-25℃范围内，温度波动应小于1℃/h。现有的温度测控系统还有一些不足，如温度测量不精确，功能少，操控不便和结构复杂等等。本设计以LabVIEW为开发平台，结合单片机、温度传感器和GSM短信模块，具有功能多样，测量的温度精度高（可精确到0.1度），操作方便，结构简单，开发和维护成本低，升级维护方便等优点，是延长医院精密仪器使用寿命、降低医院运行成本的有效途径。

    1 系统总体结构

    该系统采用软硬件相结合的控制结构，软件部分采用LabVIEW编写监控程序，实现实时温度的仪表和数字显示、实时温度曲线显示、接收的短信指令和号码显示、温度数据存储和报警等功能[1][2]。硬件部分以ATC89C52RC为主控芯片，短信收发模块由GSM模块构成，温度采集模块由DS18B20温度传感器[3]构成，将采集到的温度由单片机处理后通过串口传到计算机。当温度超过或低于设置的报警温度时会发出报警信号，并经过单片机处理后发出相应的控制指令，然后驱动对应的继电器去启动制冷或加热设备，同时把报警信息编辑成短信通过GSM模块发送给管理人员的手机，管理人员可通过GSM模块把编辑好的控制指令传给单片机，单片机处理后产生对应的控制指令去控制继电器，进而启动制冷或加热设备。这样可增加了管理人员的态势感知能力，使其能够及时了解到仪器室的动态。另外，管理人员还可通过网页浏览器访问WEB服务器发布的温控前面板页面，查看仪器室当前温度，实现远程监控。系统结构框图如图1所示。

    2 系统硬件设计

    2.1 温度采集模块

    本设计采用温度传感器DS18B20进行温度的采集，它是一种一线通信接口的数字温度传感器，其原理是温度的改变引起传感器的输出的数字信号变化。它的优点是可以直接读出被测对象的温度值，采用单总线与单片机连接，硬件电路设计简单，开发率高。温度传感器DS18B20的三个引脚GND、DQ、VCC分别与地、单片机的16引脚和电源相连。

    2.2 GSM短信收发模块

    目前，国内GSM模块有很多，而且这些模块的功能、用法差别不大。本设计采用德国西门子TC35I模块，它比一般的GSM模块设计更加紧凑，大大缩小了产品的体积。温度传感器检测到的数据经单片机处理后通过串口传送给GSM模块，以短信的方式将数据发送到管理者的手机。单片机通过GSM模块接收管理者的手机发送的短信指令来控制继电器，启动制冷或加热设备。同时在LabVIEW前面板面显示短信内容和来电号码。

    2.3 温度控制模块

    执行模块由继电器、加热和制冷设备组成。继电器采用电磁式继电器，通过输入小电流控制被测设备的导通和切断，本设计由继电器1和继电器2分别控制加热和制冷设备的关断[5-6]。另外，当温度超过或低于报警预设值时，报警灯点亮。

    3 系统软件设计

    3.1 下位机程序设计

    系统主程序主要实现的功能是查询串行中断接收标志Recflag，而后根据中断标志进行对应的处理。下位机主程序的程序流程图如图2所示。

    3.2 上位机LabVIEW软件设计

    上位机软件部分使用LabVIEW编写，接收单片机采集的数据并对其进行数据显示、存储、报警等功能，上位机的流程图如图3所示。

    3.2.1 LabVIEW前面板程序设计

    上位机前面板包括通信串口资源检测、温度数值和仪表显示、实时曲线显示、报警指示灯、短信和号码显示和文件路径输入控件。前面板图如图4所示。

    3.2.2 LabVIEW程序面板设计

    LabVIEW程序面板的主程序图如图5所示。先把采集到的数据转换成精确度0.1的十进制数，通过字符串VI、仪表VI和实时曲线VI在前面板显示。另外，报警运用了与设定值比较，当采集到温度高于上限设定值时，上限指示灯亮。当温度值低于下限设定值时，下限指示灯亮。当温度处于上下限设定值之间时，上下限指示灯灭。数据存储是通过写入报表的形式存于Excel中，10分钟存储一次。

    LabVIEW程序面板的短信显示程序图如图6所示。管理员向监控中心的GSM模块控制发送短信后，系统前面板会显示短信内容和来电号码。本设计接收的短信只能由数字和英文字符组成。当接收到的短信为open1或open2时，继电器1或2打开，当接收到的短信是close1或close2时，继电器1或2关闭。

    4 网络远程监测

    传统的温控系统往往在现场操作，这给管理带来不便。网络技术拓展了虚拟仪器的使用范围，使之能通过局域网或Internet实现远程测控的功能。本系统运用LabVIEW自身具有的Web发布功能，实现系统的网络与远程控制[4]。首先配置好服务器目录与日志配置、客户端可见VI配置和客户端访问权限配置，在客户端通过网页浏览器输入地址打开服务器上的VI，浏览器操作方式只需要在客户端安装一个Run-Time Engine就可远程操作。Web发布时保存网页的面板如图7所示。

    5 系统测试与结果

    为了验证该系统能否达到预想的效果，把该设备置于实验室中测得了三种情况下的实验数据，当温度高于25度时，上限报警灯亮起，并发出报警声，且继电器2动作，制冷设备开始制冷，另外收到了高温报警短信。当温度介于17～25之间时，声光报警、继电器2和制冷设备均停止。当温度低于17度时，下限报警灯亮起，并发出警报声，且继电器1动作，加热设备开始制热，另外收到了低温报警短信，编辑短信发送open1后，上位机LabVIEW前面板显示收到的短信内容如图8所示。温度检测实验如图9所示。从检测的效果来看，该系统工作正常，并具有良好稳定性，达到了预想的效果。

    该系统生成的报表保存了日期和对应时间的温度值。报表数据如图10所示，从报表数据可以看出该系统测的温度可精确到0.1度，说明该系统具有更高的精度。

    6 结束语

    基于LabVIEW的温度测控系统功能齐全、控温精确和操作方便。特别是增加了短信提醒和控制功能，大大提高管理者的态势感知能力，降低了管理者的工作量，相对市面上的温度测控系统更具有优势，系统结构简单，开发周期短，大大节省医院运行成本。然而由于外界干扰因素多而复杂，为了进一步提高系统的性能，建议在后续开发中增加湿度等其他测控功能。该系统不仅可以用于医院精密仪器室的温度测量和控制，还可以应用于温室大棚、粮仓和发电厂锅炉等地方。

    参考文献：

    [1] 刘振通.焓差实验室测控系统的设计与实现[D].济南：山东建筑大学，2016.

    [2] 陶茂升，常士楠，杨诗雨，等.基于LabVIEW的电热防除冰温控系统设计[J].测控技术，2017，36（3）：111-114.

    [3] 高继昆.基于继电反馈PID自整定控制算法的环境温控系统实现[J].电子器件，2019，42（3）：679-683.

    [4] 管杰.基于网络远程实现的电气测控平台的研究——温度测量与控制系统的研究[D].南京：东南大学，2017.

    [5] Zhang B，Lin F，Zhang C Z，et al.Design and implementation of model predictive control for an open-cathode fuel cell thermal management system[J].Renewable Energy，2020，154：1014-1024.

    [6] Ma X T，Luo G Y，Li Z F，et al.Microwave power control scheme for potatoes based on dielectric loss factor feedback[J].Journal of Food Engineering，2021，288：110134.

    【通联编辑：唐一東】