李春輝

摘要： 針對醫(yī)院精密儀器室溫度測控系統(tǒng)中遇到的設(shè)備控溫不精確，結(jié)構(gòu)和操作復(fù)雜，功能不全等問題，設(shè)計(jì)了一種以LabVIEW為開發(fā)平臺的新型溫度測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用DS18B20為溫度傳感器，將采集到的溫度信號由STC89C52RC單片機(jī)處理后通過串口送到計(jì)算機(jī)，對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、存儲、報(bào)警與控制，并能夠通過GSM模塊把報(bào)警信息發(fā)到管理人員的手機(jī)，且管理人員可發(fā)送相應(yīng)的短信指令去控制繼電器開啟制冷或加熱設(shè)備。此外，管理人員還可以通過網(wǎng)頁瀏覽器訪問WEB服務(wù)器發(fā)布的前面板頁面，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)具有硬件電路簡單、控溫精確、功能全面等特點(diǎn)，能夠完全滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;GSM模塊;溫度測控;遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號：TP274? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）17-0066-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Multi-functional Temperature Measurement and Control System Based on LabVIEW

LI Chun-hui

（Zhumadian Vocational and Technical College， Zhumadian 463000，China）

Abstract： For the problems of temperature control inaccuracy， complex structure and operations，and insufficiency in the precision instrument room of hospital， Using LabVIEW software as the development platform to design a new temperature control system， and using temperature sensor DS18B20 to acquire the temperature information. Will be collected by the STC89C52RC microcontroller temperature signal sent to the computer through the serial port. the temperature data was displayed and stored. As temperature was over the one set in advanced， the system will give an alarm and by controlling the relay action， the temperture will restored to the setting range， and the GSM module sends the alarm message to the managers ' mobile phone， and the manager can send a message instruction to control the relay to turn on the cooling or heating equipment. In addition， managers can also access the WEB server`s front panel pages via a web browser， and then realize the remote monitoring. The system has the characteristics of simple hardware circuit， accuracy control of? temperature and full-featured features， and meet requirement of parctical application.

Key words： LabVIEW; GSM module; temperature control; remote monitoring

目前使用的任何器械和設(shè)備儀器都需要根據(jù)使用頻率定期進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，只有這樣才能保證器械及儀器的正常安全使用。其他器械和儀器尚且如此，那么供給醫(yī)院使用的精密儀器就需要更加注意維護(hù)和保養(yǎng)，因?yàn)獒t(yī)用的儀器特別是實(shí)驗(yàn)室使用的各種醫(yī)療器械和設(shè)備，價(jià)格比較昂貴，并且它能否正常工作及其測量精度至關(guān)重要，所以，科學(xué)的維護(hù)和保養(yǎng)至關(guān)重要?，F(xiàn)在大部分精密儀器對環(huán)境溫度要求比較高，實(shí)驗(yàn)室溫度一般在17-25℃范圍內(nèi)，溫度波動應(yīng)小于1℃/h?，F(xiàn)有的溫度測控系統(tǒng)還有一些不足，如溫度測量不精確，功能少，操控不便和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等等。本設(shè)計(jì)以LabVIEW為開發(fā)平臺，結(jié)合單片機(jī)、溫度傳感器和GSM短信模塊，具有功能多樣，測量的溫度精度高（可精確到0.1度），操作方便，結(jié)構(gòu)簡單，開發(fā)和維護(hù)成本低，升級維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，是延長醫(yī)院精密儀器使用壽命、降低醫(yī)院運(yùn)行成本的有效途徑。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用軟硬件相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)，軟件部分采用LabVIEW編寫監(jiān)控程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度的儀表和數(shù)字顯示、實(shí)時(shí)溫度曲線顯示、接收的短信指令和號碼顯示、溫度數(shù)據(jù)存儲和報(bào)警等功能[1][2]。硬件部分以ATC89C52RC為主控芯片，短信收發(fā)模塊由GSM模塊構(gòu)成，溫度采集模塊由DS18B20溫度傳感器[3]構(gòu)成，將采集到的溫度由單片機(jī)處理后通過串口傳到計(jì)算機(jī)。當(dāng)溫度超過或低于設(shè)置的報(bào)警溫度時(shí)會發(fā)出報(bào)警信號，并經(jīng)過單片機(jī)處理后發(fā)出相應(yīng)的控制指令，然后驅(qū)動對應(yīng)的繼電器去啟動制冷或加熱設(shè)備，同時(shí)把報(bào)警信息編輯成短信通過GSM模塊發(fā)送給管理人員的手機(jī)，管理人員可通過GSM模塊把編輯好的控制指令傳給單片機(jī)，單片機(jī)處理后產(chǎn)生對應(yīng)的控制指令去控制繼電器，進(jìn)而啟動制冷或加熱設(shè)備。這樣可增加了管理人員的態(tài)勢感知能力，使其能夠及時(shí)了解到儀器室的動態(tài)。另外，管理人員還可通過網(wǎng)頁瀏覽器訪問WEB服務(wù)器發(fā)布的溫控前面板頁面，查看儀器室當(dāng)前溫度，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度采集模塊

本設(shè)計(jì)采用溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度的采集，它是一種一線通信接口的數(shù)字溫度傳感器，其原理是溫度的改變引起傳感器的輸出的數(shù)字信號變化。它的優(yōu)點(diǎn)是可以直接讀出被測對象的溫度值，采用單總線與單片機(jī)連接，硬件電路設(shè)計(jì)簡單，開發(fā)率高。溫度傳感器DS18B20的三個引腳GND、DQ、VCC分別與地、單片機(jī)的16引腳和電源相連。

2.2 GSM短信收發(fā)模塊

目前，國內(nèi)GSM模塊有很多，而且這些模塊的功能、用法差別不大。本設(shè)計(jì)采用德國西門子TC35I模塊，它比一般的GSM模塊設(shè)計(jì)更加緊湊，大大縮小了產(chǎn)品的體積。溫度傳感器檢測到的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后通過串口傳送給GSM模塊，以短信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到管理者的手機(jī)。單片機(jī)通過GSM模塊接收管理者的手機(jī)發(fā)送的短信指令來控制繼電器，啟動制冷或加熱設(shè)備。同時(shí)在LabVIEW前面板面顯示短信內(nèi)容和來電號碼。

2.3 溫度控制模塊

執(zhí)行模塊由繼電器、加熱和制冷設(shè)備組成。繼電器采用電磁式繼電器，通過輸入小電流控制被測設(shè)備的導(dǎo)通和切斷，本設(shè)計(jì)由繼電器1和繼電器2分別控制加熱和制冷設(shè)備的關(guān)斷[5-6]。另外，當(dāng)溫度超過或低于報(bào)警預(yù)設(shè)值時(shí)，報(bào)警燈點(diǎn)亮。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序主要實(shí)現(xiàn)的功能是查詢串行中斷接收標(biāo)志Recflag，而后根據(jù)中斷標(biāo)志進(jìn)行對應(yīng)的處理。下位機(jī)主程序的程序流程圖如圖2所示。

3.2 上位機(jī)LabVIEW軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件部分使用LabVIEW編寫，接收單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、存儲、報(bào)警等功能，上位機(jī)的流程圖如圖3所示。

3.2.1 LabVIEW前面板程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)前面板包括通信串口資源檢測、溫度數(shù)值和儀表顯示、實(shí)時(shí)曲線顯示、報(bào)警指示燈、短信和號碼顯示和文件路徑輸入控件。前面板圖如圖4所示。

3.2.2 LabVIEW程序面板設(shè)計(jì)

LabVIEW程序面板的主程序圖如圖5所示。先把采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成精確度0.1的十進(jìn)制數(shù)，通過字符串VI、儀表VI和實(shí)時(shí)曲線VI在前面板顯示。另外，報(bào)警運(yùn)用了與設(shè)定值比較，當(dāng)采集到溫度高于上限設(shè)定值時(shí)，上限指示燈亮。當(dāng)溫度值低于下限設(shè)定值時(shí)，下限指示燈亮。當(dāng)溫度處于上下限設(shè)定值之間時(shí)，上下限指示燈滅。數(shù)據(jù)存儲是通過寫入報(bào)表的形式存于Excel中，10分鐘存儲一次。

LabVIEW程序面板的短信顯示程序圖如圖6所示。管理員向監(jiān)控中心的GSM模塊控制發(fā)送短信后，系統(tǒng)前面板會顯示短信內(nèi)容和來電號碼。本設(shè)計(jì)接收的短信只能由數(shù)字和英文字符組成。當(dāng)接收到的短信為open1或open2時(shí)，繼電器1或2打開，當(dāng)接收到的短信是close1或close2時(shí)，繼電器1或2關(guān)閉。

4 網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)測

傳統(tǒng)的溫控系統(tǒng)往往在現(xiàn)場操作，這給管理帶來不便。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)拓展了虛擬儀器的使用范圍，使之能通過局域網(wǎng)或Internet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測控的功能。本系統(tǒng)運(yùn)用LabVIEW自身具有的Web發(fā)布功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程控制[4]。首先配置好服務(wù)器目錄與日志配置、客戶端可見VI配置和客戶端訪問權(quán)限配置，在客戶端通過網(wǎng)頁瀏覽器輸入地址打開服務(wù)器上的VI，瀏覽器操作方式只需要在客戶端安裝一個Run-Time Engine就可遠(yuǎn)程操作。Web發(fā)布時(shí)保存網(wǎng)頁的面板如圖7所示。

5 系統(tǒng)測試與結(jié)果

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)想的效果，把該設(shè)備置于實(shí)驗(yàn)室中測得了三種情況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度高于25度時(shí)，上限報(bào)警燈亮起，并發(fā)出報(bào)警聲，且繼電器2動作，制冷設(shè)備開始制冷，另外收到了高溫報(bào)警短信。當(dāng)溫度介于17～25之間時(shí)，聲光報(bào)警、繼電器2和制冷設(shè)備均停止。當(dāng)溫度低于17度時(shí)，下限報(bào)警燈亮起，并發(fā)出警報(bào)聲，且繼電器1動作，加熱設(shè)備開始制熱，另外收到了低溫報(bào)警短信，編輯短信發(fā)送open1后，上位機(jī)LabVIEW前面板顯示收到的短信內(nèi)容如圖8所示。溫度檢測實(shí)驗(yàn)如圖9所示。從檢測的效果來看，該系統(tǒng)工作正常，并具有良好穩(wěn)定性，達(dá)到了預(yù)想的效果。

該系統(tǒng)生成的報(bào)表保存了日期和對應(yīng)時(shí)間的溫度值。報(bào)表數(shù)據(jù)如圖10所示，從報(bào)表數(shù)據(jù)可以看出該系統(tǒng)測的溫度可精確到0.1度，說明該系統(tǒng)具有更高的精度。

6 結(jié)束語

基于LabVIEW的溫度測控系統(tǒng)功能齊全、控溫精確和操作方便。特別是增加了短信提醒和控制功能，大大提高管理者的態(tài)勢感知能力，降低了管理者的工作量，相對市面上的溫度測控系統(tǒng)更具有優(yōu)勢，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，開發(fā)周期短，大大節(jié)省醫(yī)院運(yùn)行成本。然而由于外界干擾因素多而復(fù)雜，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能，建議在后續(xù)開發(fā)中增加濕度等其他測控功能。該系統(tǒng)不僅可以用于醫(yī)院精密儀器室的溫度測量和控制，還可以應(yīng)用于溫室大棚、糧倉和發(fā)電廠鍋爐等地方。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉振通.焓差實(shí)驗(yàn)室測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2016.

[2] 陶茂升，常士楠，楊詩雨，等.基于LabVIEW的電熱防除冰溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù)，2017，36（3）：111-114.

[3] 高繼昆.基于繼電反饋PID自整定控制算法的環(huán)境溫控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].電子器件，2019，42（3）：679-683.

[4] 管杰.基于網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)的電氣測控平臺的研究——溫度測量與控制系統(tǒng)的研究[D].南京：東南大學(xué)，2017.

[5] Zhang B，Lin F，Zhang C Z，et al.Design and implementation of model predictive control for an open-cathode fuel cell thermal management system[J].Renewable Energy，2020，154：1014-1024.

[6] Ma X T，Luo G Y，Li Z F，et al.Microwave power control scheme for potatoes based on dielectric loss factor feedback[J].Journal of Food Engineering，2021，288：110134.

【通聯(lián)編輯：唐一東】