基于labview的烤煙房遠程溫濕度測控系統(tǒng)

基于labview的烤煙房遠程溫濕度測控系統(tǒng)

0? 引言

??? 煙葉的烘烤過程是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉的關(guān)鍵步驟，而烤煙的質(zhì)量與烘烤過程中的溫濕度環(huán)境有著密切聯(lián)系。煙農(nóng)使用酒精或煤油玻璃管溫度計，采用人工啟閉回風(fēng)門(用于排濕)和鼓風(fēng)機(控制火爐火勢)的傳統(tǒng)方法測出的溫度不準(zhǔn)確，控制方法被動，加之操作者連續(xù)5天以上的疲勞操作，使其成為制約煙葉烘烤質(zhì)量提高的瓶徑。因此，采用電子設(shè)備來控制烤房溫濕度的遠程測控技術(shù)已成為烤煙技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。本文介紹了一種基于虛擬儀器的烤煙房遠程智能測控系統(tǒng)來提高烤房內(nèi)溫濕度控制精度及烤炯質(zhì)量的設(shè)計方法，該系統(tǒng)具有反應(yīng)靈敏，抗干擾能力強等優(yōu)點，可以大大減輕煙農(nóng)的勞動強度。

1? 系統(tǒng)設(shè)計

??? 烤煙房內(nèi)設(shè)有的鼓風(fēng)機和排風(fēng)扇可以分別調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度和濕度。系統(tǒng)采用計算機中分時系統(tǒng)來給多任務(wù)的各個任務(wù)分配時間片的方法，來實現(xiàn)用一臺計算機和一個數(shù)據(jù)卡對多個烤煙房的溫度和濕度進行檢測與控制。利用數(shù)據(jù)采集卡中的模擬多路開關(guān)來實現(xiàn)各個硬件數(shù)據(jù)通道之間的切換，以達到各個通道分時間片采樣和控制的目的。該設(shè)計方法適用于對時間變化不太敏感的參量的控制(如溫度和濕度等)，可以減少監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜程度。并且還可以利用Remote Panel技術(shù)來實現(xiàn)測控系統(tǒng)的遠程通信，及網(wǎng)絡(luò)上的網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)發(fā)布。該系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件是基礎(chǔ)，軟件是核心。

2硬件設(shè)計

??? 該系統(tǒng)的硬件部分先將溫濕度信號轉(zhuǎn)換成電信號，并將調(diào)理后的數(shù)據(jù)傳人計算機，之后由采集卡輸出控制信號來對溫濕度控制器件進行控制。系統(tǒng)的硬件由溫濕度傳感器，DAO卡(數(shù)據(jù)采集卡)、控制電路、鼓風(fēng)機及排風(fēng)扇組成。圖1所示為硬件結(jié)構(gòu)框圖。

2.1溫濕度信號獲取

??? 系統(tǒng)采用硅單晶溫度傳感器和相應(yīng)的電路來捕獲溫度信號，并將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。同時采用UD-08濕度傳感器和相應(yīng)的電路來捕獲溫度信號，并將其濕度轉(zhuǎn)換成電壓信號。其組成框圖如圖2所示。

2.2控制電路

??? 控制電路的工作原理是傳感器輸出的電信號經(jīng)放大、濾波后，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡進入計算機，計算機根據(jù)實際溫濕度和系統(tǒng)的給定溫濕度求出偏差，利用PID控制算法求出系統(tǒng)的輸出控制信號，然后通過數(shù)據(jù)采集卡輸出控制信號，來控制繼電器的動作．進而控制鼓風(fēng)機和排風(fēng)扇工作，來調(diào)整烤房的溫度和濕度。

??? 本系統(tǒng)使用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡PCI-6024，此卡設(shè)計基于PCI總線，可支持單極性和雙極性模擬信號輸入，其信號輸入范圍分別為-5～+5 V和0～10 V。同時PCI-6024還可提供16路單端／8路差動模擬輸入通道，2路獨立的D／A輸出通道，24線的TTL型數(shù)字I／O，3個16位定時計數(shù)器等多種功能模塊。利用NI公司提供的Measurement Automation軟件對其進行簡單的設(shè)置便可實現(xiàn)系統(tǒng)軟件與數(shù)據(jù)采集卡之間的通訊。

??? 鼓風(fēng)機工作在220VAC電壓下，可用固態(tài)繼電器對它進行控制。排風(fēng)扇的工作電壓是12VDC，用普通繼電器即可實現(xiàn)對它的控制。

3軟件設(shè)計

??? 本測量系統(tǒng)采用LabVIEW7.0 Express作為控制軟件。LabVIEW程序稱為虛擬儀器程序，它是基于圖形化編程語言G的開發(fā)環(huán)境，是儀器控制與數(shù)據(jù)采集的編程平臺。LabVIEW程序是通過對數(shù)據(jù)采集卡的控制來采集數(shù)據(jù)的。電壓模擬信號被數(shù)據(jù)采集卡采集后輸人計算機，用PID算法對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，同時用所產(chǎn)生的控制信號將處理后的數(shù)據(jù)送人輸出通道。系統(tǒng)的采集狀態(tài)由前面板顯示，所采集出的溫濕度數(shù)據(jù)以文件形式保存。以模塊化的編程思想將系統(tǒng)分成數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制、實時顯示、數(shù)據(jù)存儲4個模塊，并把每個模塊編寫成一個子VI，讓各模塊分別完成確定的任務(wù)，然后通過主程序調(diào)用每個子VI。

3.1主控模塊

??? 主控模塊可以使各模塊之間按照系統(tǒng)的框架協(xié)議來協(xié)調(diào)動作和通信，以及實現(xiàn)人機交互功能，該主控模塊提供有用戶接口，主控模塊可以通過調(diào)度各功能模塊來響應(yīng)用戶指令。本系統(tǒng)提供了形象逼真的儀器軟面板，以方便用戶使用。

3.2數(shù)據(jù)采集模塊

??? 數(shù)據(jù)采集模塊的功能就是將溫度信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并傳遞到計算機。NI公司的數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集功能可以由LabVIEW提供的模入模塊中的中級模入函數(shù)組合起來實現(xiàn)。

??? 圖3是使用中級模入設(shè)計的數(shù)據(jù)采集程序框圖。該程序先用Device Open.vi模塊打開數(shù)據(jù)采集設(shè)備；然后用AI Config.vi模塊來配置數(shù)據(jù)采集卡．選擇模擬量輸入通道，指定輸入信號的范圍(調(diào)節(jié)硬件增益)，設(shè)置采集數(shù)據(jù)所占用計算機緩沖區(qū)的大小及設(shè)置掃描間隔：再通過AI Start.vi啟動模入操作，其作用主要是控制數(shù)據(jù)采集速率和要獲得的掃描數(shù)，這里將Number of scans to acquire(獲得的掃描數(shù))輸入端口值設(shè)置為“0”即可選擇連續(xù)采集模式，直到清除模入操作為止(如果設(shè)置為“-1”則只要緩沖區(qū)滿就停止掃描)；AI Read.vi的作用是從AI Config分配的緩沖中讀取數(shù)據(jù)，它能控制每次讀取的點數(shù)、讀取數(shù)據(jù)在緩沖中的位置等，它的輸出是一個二維數(shù)組，其中每一列數(shù)據(jù)對應(yīng)于通道列表中的一個通道；最后，通過AI Clear.vi模塊來清除模入操作和計算機中分配的緩沖，并釋放所有數(shù)據(jù)采集的資源。

??? 系統(tǒng)把采集到的數(shù)據(jù)送到PID控制器的輸入端口，經(jīng)過PID處理后，把控制輸出量通過數(shù)據(jù)采集卡的輸出通道輸出。

3.3? 系統(tǒng)控制模塊

??? 控制電路的工作原理是把傳感器輸出的電信號經(jīng)放大、濾波后，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡輸入計算機，計算機根據(jù)實際溫濕度和系統(tǒng)的給定溫濕度度求出偏差，并利用PID控制算法求出系統(tǒng)的輸出控制信號，然后通過數(shù)據(jù)采集卡輸出的控制信號來控制繼電器的動作，進而控制鼓風(fēng)機和排風(fēng)扇的工作，最終達到調(diào)整烤煙房的溫度和濕度之目的。

??? 該模塊的基本思路是：根據(jù)烤煙時的三階段烘烤要求，在不同階段，先由煙農(nóng)在客戶端VI的前面板上發(fā)出相應(yīng)的控制命令來設(shè)定溫濕度參數(shù)，然后系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)利用PID控制算法進行處理，并通過數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號來控制相關(guān)繼電器的工作。PID是當(dāng)前工業(yè)控制中應(yīng)用最廣泛的算法。圖4是一個典型的PID控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。這里將被控制的系統(tǒng)參數(shù)叫做過程變量(PV-Process variable)，將被控制的過程變量指定的理想值叫做設(shè)定點(SP-setpoint)。PID控制器先確定一個對被控系統(tǒng)的輸出量(U—output)，然后驅(qū)動過程變量使其逼近設(shè)定點。

??? 以溫控為例，當(dāng)溫度低于設(shè)定的閾值范圍時，控制器向數(shù)字I／O通道相應(yīng)位寫入‘1’，控制繼電器隨既接通(鼓風(fēng)機啟動)，溫度升高；反之，控制器向數(shù)字I／O通道相應(yīng)位寫入‘0’，繼電器關(guān)閉(鼓風(fēng)機停止)，溫度降低。如此反復(fù)，從而使溫度值穩(wěn)定在設(shè)定值的閾值范圍內(nèi)。經(jīng)實踐，溫度的浮動范圍定為±2℃，濕度的浮動范圍定為±3.5％。

3.4狀態(tài)顯示模塊

??? 溫濕度報警模塊完成的主要工作是規(guī)定所采集的溫濕度信號的范圍及相對應(yīng)的狀態(tài)，以較為直觀的方式從視覺或聽覺上提示用戶。系統(tǒng)二通道數(shù)據(jù)狀態(tài)分析模塊程序如圖5所示。系統(tǒng)用InRange and Coerce.vi來判定所采集數(shù)據(jù)的范圍，使用Select.vi對判定結(jié)果作出選擇，如果采集數(shù)據(jù)在規(guī)定范圍內(nèi)則顯示“正?！保駝t為“報警”狀態(tài)，采集數(shù)據(jù)與狀態(tài)可同時顯示到前面板上。首先煙農(nóng)在烤煙的三個階段的開始時預(yù)先設(shè)定溫濕度參量，然后由程序自動運用加減圖形代碼的運算得到溫濕度上下限，來隨時查看最后通過前面板的顯示數(shù)據(jù)和狀況。

3.5數(shù)據(jù)存儲模塊

??? 該模塊調(diào)用LabV IEW中Write Characters ToFile。VI將經(jīng)過處理的溫濕度值存入指定的文件中，便于以后分析研究。

3.6網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

??? 本系統(tǒng)采用LabVIEW的遠程面板(RemotePanel)技術(shù)，不需要任何編程，只需要在Lab-VIEW中設(shè)置幾個參數(shù)。該技術(shù)允許用戶直接在本地(Client端)計算機上打開并操作位于遠程(Web Server)計算機上的VI的前面板，甚至可以將LabVIEW的前面板窗口嵌入到一個網(wǎng)頁中并在網(wǎng)頁中直接操作它，操作極為簡單。

??? 在LabVIEW中使用Remote Panel時需要完成在LabVIEW Web Server端的計算機上開啟Lab-VIEW Web Server服務(wù)和在Client端計算機上連接并運行Remote Panel兩個步驟。

??? 目前，實現(xiàn)在Client端計算機進行RemotePanel操作的方式有兩種：一種是在LabVIEW環(huán)境中直接操作Remote Panel；另一種是利用網(wǎng)頁瀏覽器在網(wǎng)頁中直接操作Remote Panel。本系統(tǒng)應(yīng)用第一種技術(shù)，在Client端使用Remote Panel之前，首先要在Server計算機上運行LabVIEW，并配置Web Server，來完成文件路徑和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置?？蛻魴C訪問權(quán)限設(shè)置，VIs訪問權(quán)限設(shè)置。之后就可以在Client端的IabVIEW環(huán)境中運行一個Remote Panel了。具體步驟如下：

??? (1)在Web Server端打開要進行遠程運行的VI的前面板：

??? (2)在Client端的LabVIEW環(huán)境中的菜單欄中選擇Operate→Connect to Remote Panel，然后在彈出Connect to Remote Panel對話框一欄輸入IP地址和所打開的VI的名字以及端口號。

??? (3)點擊Connect按鈕進行連接，Remote Panel就會出現(xiàn)在屏幕上，但是Client端的前面板和WebServer端的前面板是不同的，在Client端的前面板就可以進行操作控制了。

4結(jié)束語

??? 本系統(tǒng)基于LabVIEW 7.0功能軟件，實現(xiàn)了用一臺計算機和一個數(shù)據(jù)采集卡對多個烤煙房的遠程監(jiān)測與控制，從而提高了烤房內(nèi)溫濕度測控精度及烤煙質(zhì)量，減輕了煙農(nóng)的勞動強度。故此，該系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用將大大克服傳統(tǒng)的基于單片機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、軟件編程麻煩等缺點。