基于LabVIEW的无线温度测控系统设计
引言
传统的温度测量仪器，其功能及规格是单一固定的，用户无法根据自己的需要改变。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。LabVIEW是NI公司开发的一种虚拟仪器平台，而目前利用LabVIEW进行的开发通常都是建立在LabVIEW所支持的价格昂贵的数据采集板卡之上的。为解决这一问题，本系统采用低功耗单片机P89LV51RD2和低功耗温度传感器TMPll2组成温度采集节点，并通过无线通信模块实现单片机系统与上位机的远程通信，不仅取代了价格昂贵的数据采集卡，大大降低了系统成本，而且实现了数据的无线传输。同时，温度采集节点的低功耗特性，降低了ZigBee组网时对电源的要求，便于进行组网实现多点测温。
1 系统的组成及工作原理
图1给出了系统组成框图，该温度测控系统主要由计算机、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。TMPll2温度传感器进行温度采集，将温度数字量传送给P89LV51RD2后，通过数码管LED电路进行现场温度显示。同时，P89LV51RD2将温度数据通过无线通信模块SZ05发送给远程计算机，运行于PC机上的LabVIEW控制平台对温度进行实时显示，并进行数据处理、温度报警及数据存储等。另外，控制平台采样输入信号，利用LabVIEW中的PID控制器进行PID控制，将控制量通过无线模块发送给单片机，单片机输出控制量实现温度控制。
2 系统硬件设计
2．1 温度测量显示电路
本系统采用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来实现温度测量。该传器具有如下特点：
◆测温范围为-40～125℃；
◆0～65℃温度范同内精度达O．5℃，-40～125℃范围内精度达1℃；
◆12位分辨率，测量值的读取精度达到0．0625℃；
◆正常操作模式的最大静态电流为10μA，关机模式则为1μA；
◆电源范围1．4～3．6 V；
◆SMBus／两线式串行接口，总线上最多可连接4个该传感器。
◆0～65℃温度范同内精度达O．5℃，-40～125℃范围内精度达1℃；
◆12位分辨率，测量值的读取精度达到0．0625℃；
◆正常操作模式的最大静态电流为10μA，关机模式则为1μA；
◆电源范围1．4～3．6 V；
◆SMBus／两线式串行接口，总线上最多可连接4个该传感器。
从功耗、精度、接口等方面综合考虑，采用P89LV51RD2与TMPll2组成温度测量节点。虽然P89LV51RD2单片机没有专用的I2C总线接口，但可以使用软件模拟I2C总线，来实现单片机与TMPll2的通信。利用单片机的I／O口P1．0和P1．1分别模拟I2C总线的SDA和SCL信号，故只需将单片机的P1．O和P1．1引脚分别与TMPll2的SDA和SCL引脚相连(注意需要上拉)。P89LV51RD2通过I2C总线读取温度数据后，由5个数码管显示温度值，包括百位(或符号位)、十位、个位与2个小数位。
2．2 温度控制电路
温度控制电路如图2所示，它主要由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(IRF840A)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。为方便实验，采用的R为大功率线绕电阻，额定功率10W，额定电阻10Ω，采用+12V直流电源供电。由于流过加热电阻R的电流较大，故为R供电的+12V直流电源必须与为其他模拟器件供电的+12V直流电源分开。
2．3 无线通信电路
无线通信电路采用上海顺舟网络科技有限公司的SZO5系列ZigBee无线数据通信模块来实现。该模块提供RS232、RS485和TTL三种接口标准，传输距离可达100～2 000m。为了提高开发效率，采用该模块的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。若系统对距离并无要求，只需使用1根串口线便能实现单片机与计算机的通信，而不必更改软件设计，通用性强，适合各种应用场合。
3 系统软件设计
3．1 上位机软件设计
上位机软件采用LabVIEW图形化编程语言来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，提高开发效率。
图3给出了上位机LabVIEW控制平台的温度监控界面(正在进行温度采集显示时的界面)。采用模块化设计思想，该系统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。用户通过鼠标在界面上操作，便可实现温度的采集、显示、处理、报警、保存及控制等功能。
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