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1 基于基于 LabviewLabview 的温湿度监控系统设计的温湿度监控系统设计 摘摘 要要: :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。 关键词关键词: :光学滤光片；镀膜；Labview；Matlab The Design of Temperature and humidity monitoring system WANGWANG Hai-FengHai-Feng (GuangDong Institute of Technology， ZhuHai519090,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 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 and humidity in complicate circumstance can be obtain , themonitoring curve real-time displaying ,the data saving is also obtainable. Keyword:light filter flake, film coating, Labview, Matlab 0 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。 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。 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 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 PIC 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/AN0 2 RA1/AN1 3 RA2/AN2/VREF- 4 RA4/T0CKI 6 RA5/AN4/SS 7 RE0/AN5/RD 8 RE1/AN6/WR 9 RE2/AN7/CS 10 OSC1/CLKIN 13 OSC2/CLKOUT 14 RC1/T1OSI/CCP2 16 RC2/CCP1 17 RC3/SCK/SCL 18 RD0/PSP0 19 RD1/PSP1 20 RB7/PGD 40 RB6/PGC 39 RB5 38 RB4 37 RB3/PGM 36 RB2 35 RB1 34 RB0/INT 33 RD7/PSP7 30 RD6/PSP6 29 RD5/PSP5 28 RD4/PSP4 27 RD3/PSP3 22 RD2/PSP2 21 RC7/RX/DT 26 RC6/TX/CK 25 RC5/SDO 24 RC4/SDI/SDA 23 RA3/AN3/VREF+ 5 RC0/T1OSO/T1CKI 15 MCLR/Vpp/THV 1 U1 PIC16F877 R1 10k C1 1000u C2 1000u X1 CRYSTAL VCC GND AN0 cale AD590 图 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 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) MSB (LSB) REF 2 ACOM 3 INLO 9 INHI 10 V+ 11 V- 1 INT 4 AZ 5 BUF 6 CREF+ 8 CREF- 7 CLKIN 22 UNR 28 OVR 27 STROBE 26 GND 24 POL 23 D1 20 D2 19 D3 18 D4 17 D5 12 B1 13 B2 14 B4 15 B8 16 RUN/HOLD 25 BUSY 21 U1 ICL7135 R1 100k C1 470p C2 1u D1 1N4148 R2 100k C3 1u C4 100n R3 100k + -Vin PSP6 PSP5 PSP7 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 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 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： 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 4 图形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 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、 5 更好的传感器，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,北京，2010.2 2韩军,弥谦,杨晓军. 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:105-109 3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 处理的实现J. 山东水利职业学院院刊， 2009 年 9 月，第 3 期：19-21 页 7K.F.Wang,A.K.Tieu.Volume-grating phase-shifting digital speckle pattern interferometry used for measurement of out-of-plane displacement.Optics Float 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): 34-37. 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);38-40 3.1 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