基于LabVIEW的无线温度测控系统设计方案

一、引言

温度是机械工业生产和科学研究实验中的一个非常重要的参数，许多系统的工作都是在一定的温度范围内进行的。因此，测量温度和控制温度的应用场景非常广泛。传统的温度测量仪器功能单一，用户无法根据自己的需求进行改变。而NI公司提出的虚拟仪器概念，彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，使测控仪器发生了巨大变革。本文介绍了一种基于LabVIEW的无线温度测控系统设计方案，通过低功耗单片机和低功耗温度传感器组成温度采集节点，并通过无线通信模块实现远程通信，最终通过LabVIEW软件平台实现温度数据的显示、分析及控制。

二、系统总体设计

本系统基于虚拟仪器设计理论，以LabVIEW8.5为软件开发平台，低功耗单片机P89LV51RD2为硬件核心，设计了一个实时温度测控系统。系统主要由计算机、单片机、温度测量电路、温度控制电路以及无线通信电路组成。

2.1 主控芯片型号及其作用

2.1.1 主控芯片型号

主控芯片采用低功耗单片机P89LV51RD2。P89LV51RD2是一款高性能、低功耗的8位单片机，内部提供了3个16位定时器/计数器以及1个全双工串行通信口，非常适合用于本系统的数据采集和控制。

2.1.2 主控芯片作用

1. 数据采集：P89LV51RD2通过I2C总线与温度传感器TMPll2通信，读取温度数据。

2. 数据处理：单片机将读取到的温度数据进行初步处理，并通过数码管LED电路进行现场显示。

3. 无线通信：单片机通过无线通信模块SZ05将温度数据发送给远程计算机。

4. 温度控制：单片机接收来自上位机的控制量，通过PWM信号驱动温度控制电路，实现对加热对象的温度控制。

2.2 温度传感器型号及其作用

2.2.1 温度传感器型号

温度传感器采用TI公司于2009年6月推出的高精度低功耗数字温度传感器TMPll2。

2.2.2 温度传感器作用

TMPll2具有测温范围广、精度高、分辨率高、功耗低等特点，非常适合用于本系统的温度测量。其主要作用是将被测对象的温度转换为数字信号，并传送给单片机进行处理。

2.3 无线通信模块型号及其作用

2.3.1 无线通信模块型号

无线通信模块采用上海顺舟网络科技有限公司的SZO5系列ZigBee无线数据通信模块。

2.3.2 无线通信模块作用

SZO5系列ZigBee无线数据通信模块提供RS232、RS485和TTL三种接口标准，传输距离可达100～2000m。本系统采用RS232接口，实现单片机与计算机的串行无线通信，使得软件编程变得简单，并且降低了系统成本。

三、硬件设计

3.1 温度测量电路

温度测量电路主要由TMPll2温度传感器和P89LV51RD2单片机组成。TMPll2温度传感器通过SMBus/两线式串行接口与单片机通信，将温度数字量传送给单片机。单片机通过I2C总线读取温度数据，并进行初步处理。

3.2 温度控制电路

温度控制电路主要由NPN型晶体管Q1、TLP521-1型光电耦合器U1和大功率NMOS管Q2组成。上位机程序控制系统将检测温度值与系统设定值进行比较，按照PID控制算法进行运算，从单片机的P1.2口输出占空比可调的PWM信号，经晶体管Q1驱动后，控制光电耦合器U1的通断，继而控制NMOS管Q2的通断时间，从而控制加热对象——大功率电阻R的加热时间，使其达到设定的温度值。

3.3 无线通信电路

无线通信电路采用SZO5系列ZigBee无线数据通信模块，实现单片机与计算机的远程通信。模块提供RS232接口，通过串口线与单片机连接，实现数据的无线传输。

四、软件设计

4.1 上位机软件设计

上位机软件采用LabVIEW图形化编程语言完成控制平台的设计。LabVIEW提供了一个非常简洁直观的图形化编程环境，设计者可以轻松组建测量系统，构造友好美观的操作界面，无需编写繁琐的计算机程序代码，大大简化了程序设计，提高了开发效率。

上位机软件主要由数据采集与显示、数据处理与报警、数据存储及PID控制等模块组成。

4.1.1 数据采集与显示模块

数据采集与显示模块主要通过计算机串口及无线通信模块接收单片机发送来的温度数据，并进行实时显示。为了保证计算机与单片机的顺利通信，首先应进行串口初始化，如设置串口号COM1、波特率9600、8个数据位、1个停止位，无奇偶校验及流控制。程序运行时，单击“开始采集”按钮，系统便能接收到单片机发送来的温度数据，通过温度仪表控件显示当前采集到的温度值。此外，数据采集模块所接收到的是一组离散的温度信号值，通过波形图表显示控件进行逐点显示并连线，可绘制出温度趋势曲线，拖动曲线图右下方的滑块，可查看历史温度曲线。

4.1.2 数据处理与报警模块

数据处理主要实现对采集到的温度数据进行直方图统计。单击系统界面上的“创建直方图”按钮，系统便执行相应程序对温度数据进行统计，在波形图控件中显示温度直方图，便于用户进行统计分析。温度报警模块主要实现高温报警和低温报警。用户在系统界面中设置温度上下限值，当实际温度大于温度上限或小于温度下限时，系统通过指示灯给出高温报警（红灯亮）或低温报警（黄灯亮），提示用户温度超限，以确保人员及设备安全。

4.1.3 数据存储模块

数据存储模块主要实现将采集到的温度数据保存至Excel表格，方便用户日后调出历史温度数据进行查阅分析。首先利用“数组大小”VI获取采集到的温度数组的大小，并判断其能否被10整除，若能整除，执行“条件结构”的“真”分支程序，将采集时间及10个温度数据写入电子表格文件后换行，然后再进行条件判断。这样，温度数据便以10个为一行记录到电子表格文件中，同时每一行的开头均记录下了采集本组数据的日期与时间。另外，利用“方法节点”和“写入JPEG文件”VI可将温度曲线以JPEG格式存储。

4.1.4 PID控制模块

LabVIEW提供了功能强大的PID控制器，使用户避免了繁琐的PID算法的编写，提高了开发效率。进行PID控制时，首先将温度信号输入至PID控制器，并输入温度设定值和PID增益，包括比例系数Kc、积分时间常数Ti及微分时间常数Td。单击“PID控制”按钮，程序按照PID算法对温度进行控制，使温度逼近设定值。

4.2 单片机程序设计

单片机程序采用C语言进行设计。在系统初始化时，设置8位串行口模式1，以及单片机的定时器T2工作在波特率发生器模式，产生串行通信所需的波特率。再令单片机的定时器T0工作在定时器模式，用于产生指定的控制周期。在TO的中断程序中，首先将采集到的温度数据通过无线模块发送给上位机进行实时显示，然后上位机利用LabVIEW中的PID控制器，确定系统输出控制量的大小并发送回单片机，单片机根据控制量输出PWM信号，驱动控制电路对被测对象进行温度控制。

五、系统测试与验证

系统测试主要包括功能测试和性能测试。功能测试主要验证系统是否能够正确采集温度数据、显示温度数据、进行温度报警、存储温度数据以及实现PID控制。性能测试主要测试系统的测量精度、响应时间以及稳定性等。

通过多次测试，系统能够正确采集温度数据，并通过LabVIEW软件平台进行实时显示、报警、存储及控制。系统的测量精度高，响应时间快，稳定性好，能够满足实际应用需求。

六、结论

本文介绍了一种基于LabVIEW的无线温度测控系统设计方案，通过低功耗单片机P89LV51RD2和低功耗温度传感器TMPll2组成温度采集节点，并通过ZigBee无线通信模块实现单片机系统与上位机的远程通信，最终通过LabVIEW软件平台实现温度数据的显示、分析及控制。系统具有功耗低、测量精度高、界面友好、易于操作、可扩展性强且成本低等特点，具有良好的应用前景。

通过本文的设计和实现，可以看出虚拟仪器技术在温度测控领域具有巨大的优势，能够大大提高系统的灵活性和可扩展性，降低系统成本，提高开发效率。未来，随着物联网技术的不断发展，无线温度测控系统将会得到更广泛的应用和推广。