基于LabVIEW的单片机水箱温度控制系统

传感检测系统 自动化应用 632010 7期 基于 LabVIEW的单片机水箱温度控制系统 彭 坚，祝常红 （广东科学技术职业学院机电学院，广东 珠海 519090） 摘　要：利用DS1820数字信号式温度传感器和固态继电器对水箱温度进行实时测量与控制，由DS1820数字温度传感 器通过ISP端口和AT89S51型单片机通信，利用LabVIEW软件实现对温度的采集、PID精确运算、实时监测、显示等功能。 关键词：PID控制；温度传感器；A/D 转换；LabVIEW软件；ISP端口；单片机 MCU Tank Temperature Control System Based on LabVIEW PENG Jian, ZHU Chang-hong (Guangdong Institute of Science and Technology Mechatronic Engineering College, Zhuhai 519090, China) Abstract: DS1820 digital temperature sensor and solid state relay are used to measure and control tank temperature. The DS1820 communicates with AT89S51 with ISP port. The temperature data collection, PID accurate operation, real-time monitoring, display functions are implemented by LabVIEW. Keywords: PID control; temperature sensor; A/D convert; LabVIEW; ISP port; MCU 0 引言 在日常生活及工农业生产中，经常要用到温度的 检测及控制，其技术水平高低直接影响到产品的质量。 以供暖水箱温度控制应用为例，采用AT89S51型单片 机、美国DALLAS公司最新推出的DS1820数字信号式温 度传感器和固态继电器对水箱温度进行实时测量与 控制，利用美国NI公司LabVIEW软件的PID精确控制，实 现对温度的采集、实时监测、显示等功能。 1 系统硬件 图1是系统硬件组成框图。该系统集AT89S51型单 片机、DS1820温度传感器、计算机和采集模块化硬件于 一体，建立以单片机为辅、计算机为主的测量及控制方 案。利用D S 1 8 2 0数字式传感器获取温度信号，再由 AT89S51型单片机组成的最小系统对水箱温度信号进 行测量、控制，然后通过NI公司的USB6009数据采集模 块将数据送给上位机，上位机用LabVIEW软件进行PID 运算控制、监测、实时显示等；得到温度输出信号，由 USB6009数据采集模块将温度输出信号传输至外部单 片机组成的最小系统温度控制，以实现温度的PID 闭环控制。 1.1 温度测量控制电路设计 图2是温度测量电路。数字式温度传感器DSl820可 直接将被测温度转化成串行数字信号供USB6009数据 采集模块采集，在PC机上用LabVIEW软件进行PID运算 控制、滤波调理等，再通过USB6009数据采集模块输出 给AT89S51型单片机进行简单的编程，对固态继电器实 现9位的温度读数控制、调整。 1.2 温度控制执行电路设计 控温系统如图3所示。选用AT89S51型单片机，可以 通过增强版SP200S编程器对目标板的ISP端口调试和写 程序。DS18B20温度传感器芯片采用“一线制”与单片机 作者简介：彭坚（1964-），教研室主任，主研方向为汽车电子电 器与科研。 收稿日期：2010-02-05 图 1 系统硬件组成框图 温 度 测 控 对 象 DS1820 温 度 传感器 温度控 制电路 温度执行 控制电路 AT89S51 单 片 机 USB6009 计 算 机 数 据 采 集 模 块 计 算 机 AB DB CB V －+ AT89S51 单片机 固态继电器 DS1820 温度传感器ISP 端 口 ~220V 供暖水箱 加热管 图 2 温度测量电路 Y 0~5V USB 6009 模 块 64 自动化应用www.auto-apply.com 传感检测系统 相连。首先，由DS1820温度传感器芯片测量水箱当前的 温度，并将结果通过I S P端口送入单片机；然后，通过 AT89S5I单片机芯片对送来的水箱测量温度读数进行 计算和转换，将此结果送入USB6009数据采集模块；并 且运用P ID图形编程的闭环控制，进行加温、降温的操 作。 1.3 温度传感器测量设计 使用温度传感器D S1 8 20完成对温度的检测与补 偿，使用AT89S51单片机完成对DS1820芯片的控制和数 据传输。DS1820芯片与单片机连接图如图4所示。 1.4 ISP端口 图5为单片机的最小系统和ISP端口连接图。 1.5 USB6009数据采集模块 NI USB6009数据采集模块可以提供即插即用USB 接口，数据采集的输入电压范围0~5V，通过1个模拟输 入通道（14位、48位kS/s采样速度）、1个14位模拟输出通 道，实现输入 / 输出的温度传感器信号测试，通过 A T 8 9 S 5 1型单片机将反应温度大小的电信号送入 USB6009数据采集模块，再用LabVIEW软件图形编程进 行PID计算，进行水箱温度的闭环控制。 1.6 继电器控制电路设计 继电器控制模块的硬件设计如图6所示。当用户设 置温度大于实时检测温度时，P2.1端口变为低电平，三 极管导通，则三极管Q1的C极的电平变为高电平，继电 器K1线圈得电，常开触点闭合，加温设备工作；当用户 设置温度小于实时检测温度时，P2.0端口变为低电平， 三极管Q2的C极的电平变为高电平，继电器K2线圈得 电，常开触点闭合，降温设备工作；当用户设置温度等 于实时检测温度时，P2.0与P2.1的端口都为高电平，三极 管Q1与Q2都不导通，K1与K2继电器线圈都无电，所以 加温、降温设备不工作，处于恒温状态。 USB6009数据 采集模块连接P C机 键盘输入电路 ISP端口 温度传感器 AT89S51 单片机 输出量 升 温 恒 温 降 温 图 3 单片机控温系统的方框图 2 系统软件设计 2.1 上位机软件设计 主要利用LabVIEW软件的强大的图形编程能力和 数据计算处理能力，完成温度实际数据采集、测量、控 制，测试结果的、计算和保存等，同时为用户提供 优美、方便的操作界面。图7为上位机的LabVIEW监控 界面。该LabVIEW软件主要由温度实际数据采集、数据 图 7 上位机 LabVIEW监控界面 P1.2 J3 DS1820 1 2 3 +5V R3 470 图 4 DS1820 芯片与单片机连接图 P1.5 1 GND 3 RST 5 P1.7 7 P1.6 9 MOSI GND RESET SCK MISO VCC GND GND GND GND J1 ISP +5V2 4 6 8 1 0 图 5 IS P 端口与单片机连接图 K 2 RELAY-SPST Y 1 K 1 D 1 P2.1 +5V +5V Y 1 D 1 J2 1 2 1D 2 J3 Q 2 9012 P2.0 SU D 2Y 1 RELAY-SPST Q 1 9012 图 6 继电器控制模块的硬件设计 降温设备 加温设备 A D 传感检测系统 自动化应用 652010 7期 检测、数据存取及PID控制器等模块组成。基于LabVIEW 的测控系统软件采用模块化的思想来编写，每个功能 的实现均由一个模块完成，从而最终实现数据采集、处 理、显示和控制等功能。 2.1.1 数据采集 USB6009数据采集模块采用差分输入（采样次数为 100，采样率1000Hz）的方式从AT89S51单片机的P1.2脚中 自动采集温度信息，通过固态继电器实现水箱温度的 控制，并把采集到的温度数据用LabVIEW软件界面实 时显示、检测、控制并保存到数据表中，以备后续的数 据处理、计算及打印。 2.1.2 LabVIEW数据处理 USB6009数据采集模块通过Measurement & Automa- tion驱动软件对温度信号进行实时输入、读写、启动、停 止和输出等的循环以及曲线显示等。用户可以改动 LabVIEW图形代码以适宜自己的应用。采样程序循环 一次，就预处理采集数据，主要是对数据的数字滤波。 为了减少对采样数据的干扰，提高USB6009数据采集模 块性能，在数据处理之前，需对采样数据进行数字滤 波，减少干扰信号在有用信号中所占的比例，它实质上 是一种程序滤波。 2.1.3 数据存取 数据存储部分主要是将采集到的温度数据以txt文 件和E x c e l文件存储，建立集，执行数据文件的操 作，满足历史报表数据的查询和打印。LabVIEW软件的 文本读写函数在Function Palette中的位置为Programming/ File I/O/Write to Text File 和Read from Text File,如图8所示。 只需要将字符串作为文件的输入就可以简单地将字 符串写入文件。在File I/O面板下提供了Format Into File 函数，它直接把字符串输入到了文件。 2.1.4 PID控制及其参数整定 模拟PID控制器公式： (1) 图 8 读取数据文件数据 控制器的传递函数： (2) 其中，KP为比例系数，T i为积分时间常数，T d为微分时间 常数。PID控制器的这些参数对水温控制系统将产生不 同的影响。LabVIEW软件的图形编程需要将模拟的PID 控制器变换成相应的PID数字控制器才能使用，其递推 算式为： (3) 其中 式中，k为采样序列；u (k )为第k次采样时刻的计算机输 出值：e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值；e(k－1)为第 k－1次采样时刻输入的偏差值。这里，T为采样周期，数 字控制器与模拟控制器不同之处就在于此，采样周期 直接影响到系统的控制性能。式（2）、（3）能够近似等价 的前提是采样周期要足够小。 在数字控制系统中，参数的整定是十分重要的， 连续PID水箱温度闭环控制系统能否良好工作，主要决 定于P、I、D三个参数的选择与配合是否恰当。一般取： KP＝20％～60％；TI＝3～15min；TD＝0.5～3min。如过渡过 程时间过长，被控量迟迟回不到设定值，往往是K P选大 了或者T I选长了。用LabVIEW试探法逐步调试确定，使 PID系数分别为1、0.01、2，设定值取50℃，使控温质量符 合设计要求。图9为PID控制器的LabVIEW图形编程程 序。 2.2 下位机软件设计 选用A T8 9 S 51单片机和C语言编程。通过增强版 SP200S附带的10Pin ISP 下载连接头连接到自己的目标 板，直接在线下载程序到目标CPU。图10给出单片机程 序流程框图。在不断查询的中断程序中，首先将 图 9 P ID 控制器的图形程序 (下转第 67 页) 传感检测系统 自动化应用 672010 7期 流器，灯具由安置在办公室内的控制面板或远程的主 控上位机来控制，现场检测通过热释电红外传感器 S1~S4和光敏传感器S5~S7实现。 热释电红外传感器是一种检测物体辐射红外能 量的传感器，利用具有极化现象的热晶体制作。红外 辐射的物理本质是热辐射，当红外线照射热释电元 件时，其极化强度发生变化，变化部分作为电荷被释 放出来，从外部取出该电荷就变成传感器的输出电 压。输出信号的强弱取决于温度变化的快慢，从而反 映出入射的红外辐射的强弱。利用热释红外传感器， 可分别对各办公区域进行动静探测，即主动式（检测 静止或移动极慢的人体）和被动式（检测运动人体） 的监测。 图1中，在办公室中央天花板上安装4个热释电红 外传感器S1~S4分别对4个区域进行动静监测，在晚上 或加班工作状态，它可起到重要的节能作用。 办公室智能控制系统中光敏传感器S5~S7用于检 测各办公区域工作面照度。自然光随时间推移在强度 和光谱上都会发生变化，会使室内工作面的照度不均 匀。通过光敏传感器的检测，制定相应的控制策略，平 衡室内的照度分布，可以使工作面照度保持相对稳定。 预设2个极限照度值E 1和E 2，其取值可依据光源的光通 量Φ、光源数量N、灯具的维护系数K、探测区域面积S， 由平均照度的计算公式E=ΦNUK/S得出。当探测到的 工作面照度E≤E 1时，探测区域的灯具全部打开到额定 光通量；当探测到的照度E>E2，并持续15min时，探测区 域的灯具全部关闭。另外，设置2个照度阀值E 3和E 4，E 3 高于预设值E1的25%，若探测到的工作面照度E>E3，并 持续15min，则降低人工照明，通过电子整流器调节荧 光灯到额定光通量的80%；E4高于预设值E3的25%，若探 测到的工作面照度E>E4，并持续15min，则调节荧光灯到 额定光通量的50%。 热释电红外传感器和光敏传感器的综合应用，可 实现对办公照明管理中的照度感应控制、人体感应控 制，以便充分利用自然光源，达到自动化绿色节能减排 效果。 4 结语 以上办公智能照明控制措施，不仅能够提供办公 室舒适的视觉环境，而且方便日常管理与维护，节约了 能源，可推广应用于各类照明用电场合。 参考文献 [1] 周希章.节电技术与方法[M].北京： 机械工业出版社, 2004 [2] 唐海.建筑电气设计与[M].北京：中国建筑工业出 版社，2007 [3] 贾正松.基于单片机实现智能照明控制系统的设计[J]. 现代电子技术，2009，（17） [4] 李建 .热释电传感器原理与应用 [ J ] .传感器世界， 2005，（7） 图 1 办公室典型布置示意图 S7 区域4 区域1 S5 S4 S1 S2 S3 区域2 S6 区域3 阳 光 USB6009模块采集的温度信息传输至上位机，上位机利 用LabVIEW软件做PID控制算法，求出系统输出控制量 开 始 初始化DS18B20 检测DS18B20 是否存在？ I= 1，等待 温度转换 发送跳过R O M指令 U S B 6 0 0 9采集模块将采 集温度送给计算机 U S B 6 0 0 9采集模块输出 控制量 图 1 0 单片机程序流程框图 N Y (上接第 65 页) 的大小并传输至单片机，再由单片机输出控制继电器， 实现实时温度控制与调整。 3 结语 利用LabVIEW设计的温度测控系统，可在计算机 上完成被控温度的实时显示、曲线波形图显示和PID控 制，可将采集的温度数据保存到数据库中，以备系统运 行中随时查阅和分析。该系统已用于供暖的家庭和水 族馆水箱中，经调试能达到系统的设计要求。它与传统 仪器构建的系统相比，界面友好、测量精度高、易于扩 展。