基于LabVIEW的多功能溫度測控系統設計

李春輝

摘要： 針對醫院精密儀器室溫度測控系統中遇到的設備控溫不精確，結構和操作復雜，功能不全等問題，設計了一種以LabVIEW為開發平臺的新型溫度測控系統。該系統采用DS18B20為溫度傳感器，將采集到的溫度信號由STC89C52RC單片機處理后通過串口送到計算機，對溫度數據進行實時顯示、存儲、報警與控制，并能夠通過GSM模塊把報警信息發到管理人員的手機，且管理人員可發送相應的短信指令去控制繼電器開啟制冷或加熱設備。此外，管理人員還可以通過網頁瀏覽器訪問WEB服務器發布的前面板頁面，實現遠程監控。該系統具有硬件電路簡單、控溫精確、功能全面等特點，能夠完全滿足實際應用要求。

關鍵詞：LabVIEW;GSM模塊;溫度測控;遠程監控

中圖分類號：TP274? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）17-0066-03

開放科學（資源服務）標識碼（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備儀器都需要根據使用頻率定期進行維護和保養，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，那么供給醫院使用的精密儀器就需要更加注意維護和保養，因為醫用的儀器特別是實驗室使用的各種醫療器械和設備，價格比較昂貴，并且它能否正常工作及其測量精度至關重要，所以，科學的維護和保養至關重要。現在大部分精密儀器對環境溫度要求比較高，實驗室溫度一般在17-25℃范圍內，溫度波動應小于1℃/h。現有的溫度測控系統還有一些不足，如溫度測量不精確，功能少，操控不便和結構復雜等等。本設計以LabVIEW為開發平臺，結合單片機、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，結構簡單，開發和維護成本低，升級維護方便等優點，是延長醫院精密儀器使用壽命、降低醫院運行成本的有效途徑。

1 系統總體結構

該系統采用軟硬件相結合的控制結構，軟件部分采用LabVIEW編寫監控程序，實現實時溫度的儀表和數字顯示、實時溫度曲線顯示、接收的短信指令和號碼顯示、溫度數據存儲和報警等功能[1][2]。硬件部分以ATC89C52RC為主控芯片，短信收發模塊由GSM模塊構成，溫度采集模塊由DS18B20溫度傳感器[3]構成，將采集到的溫度由單片機處理后通過串口傳到計算機。當溫度超過或低于設置的報警溫度時會發出報警信號，并經過單片機處理后發出相應的控制指令，然后驅動對應的繼電器去啟動制冷或加熱設備，同時把報警信息編輯成短信通過GSM模塊發送給管理人員的手機，管理人員可通過GSM模塊把編輯好的控制指令傳給單片機，單片機處理后產生對應的控制指令去控制繼電器，進而啟動制冷或加熱設備。這樣可增加了管理人員的態勢感知能力，使其能夠及時了解到儀器室的動態。另外，管理人員還可通過網頁瀏覽器訪問WEB服務器發布的溫控前面板頁面，查看儀器室當前溫度，實現遠程監控。系統結構框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 溫度采集模塊

本設計采用溫度傳感器DS18B20進行溫度的采集，它是一種一線通信接口的數字溫度傳感器，其原理是溫度的改變引起傳感器的輸出的數字信號變化。它的優點是可以直接讀出被測對象的溫度值，采用單總線與單片機連接，硬件電路設計簡單，開發率高。溫度傳感器DS18B20的三個引腳GND、DQ、VCC分別與地、單片機的16引腳和電源相連。

2.2 GSM短信收發模塊

目前，國內GSM模塊有很多，而且這些模塊的功能、用法差別不大。本設計采用德國西門子TC35I模塊，它比一般的GSM模塊設計更加緊湊，大大縮小了產品的體積。溫度傳感器檢測到的數據經單片機處理后通過串口傳送給GSM模塊，以短信的方式將數據發送到管理者的手機。單片機通過GSM模塊接收管理者的手機發送的短信指令來控制繼電器，啟動制冷或加熱設備。同時在LabVIEW前面板面顯示短信內容和來電號碼。

2.3 溫度控制模塊

執行模塊由繼電器、加熱和制冷設備組成。繼電器采用電磁式繼電器，通過輸入小電流控制被測設備的導通和切斷，本設計由繼電器1和繼電器2分別控制加熱和制冷設備的關斷[5-6]。另外，當溫度超過或低于報警預設值時，報警燈點亮。

3 系統軟件設計

3.1 下位機程序設計

系統主程序主要實現的功能是查詢串行中斷接收標志Recflag，而后根據中斷標志進行對應的處理。下位機主程序的程序流程圖如圖2所示。

3.2 上位機LabVIEW軟件設計

上位機軟件部分使用LabVIEW編寫，接收單片機采集的數據并對其進行數據顯示、存儲、報警等功能，上位機的流程圖如圖3所示。

3.2.1 LabVIEW前面板程序設計

上位機前面板包括通信串口資源檢測、溫度數值和儀表顯示、實時曲線顯示、報警指示燈、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程序面板設計

LabVIEW程序面板的主程序圖如圖5所示。先把采集到的數據轉換成精確度0.1的十進制數，通過字符串VI、儀表VI和實時曲線VI在前面板顯示。另外，報警運用了與設定值比較，當采集到溫度高于上限設定值時，上限指示燈亮。當溫度值低于下限設定值時，下限指示燈亮。當溫度處于上下限設定值之間時，上下限指示燈滅。數據存儲是通過寫入報表的形式存于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。管理員向監控中心的GSM模塊控制發送短信后，系統前面板會顯示短信內容和來電號碼。本設計接收的短信只能由數字和英文字符組成。當接收到的短信為open1或open2時，繼電器1或2打開，當接收到的短信是close1或close2時，繼電器1或2關閉。

4 網絡遠程監測

傳統的溫控系統往往在現場操作，這給管理帶來不便。網絡技術拓展了虛擬儀器的使用范圍，使之能通過局域網或Internet實現遠程測控的功能。本系統運用LabVIEW自身具有的Web發布功能，實現系統的網絡與遠程控制[4]。首先配置好服務器目錄與日志配置、客戶端可見VI配置和客戶端訪問權限配置，在客戶端通過網頁瀏覽器輸入地址打開服務器上的VI，瀏覽器操作方式只需要在客戶端安裝一個Run-Time Engine就可遠程操作。Web發布時保存網頁的面板如圖7所示。

5 系統測試與結果

為了驗證該系統能否達到預想的效果，把該設備置于實驗室中測得了三種情況下的實驗數據，當溫度高于25度時，上限報警燈亮起，并發出報警聲，且繼電器2動作，制冷設備開始制冷，另外收到了高溫報警短信。當溫度介于17～25之間時，聲光報警、繼電器2和制冷設備均停止。當溫度低于17度時，下限報警燈亮起，并發出警報聲，且繼電器1動作，加熱設備開始制熱，另外收到了低溫報警短信，編輯短信發送open1后，上位機LabVIEW前面板顯示收到的短信內容如圖8所示。溫度檢測實驗如圖9所示。從檢測的效果來看，該系統工作正常，并具有良好穩定性，達到了預想的效果。

該系統生成的報表保存了日期和對應時間的溫度值。報表數據如圖10所示，從報表數據可以看出該系統測的溫度可精確到0.1度，說明該系統具有更高的精度。

6 結束語

基于LabVIEW的溫度測控系統功能齊全、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更具有優勢，系統結構簡單，開發周期短，大大節省醫院運行成本。然而由于外界干擾因素多而復雜，為了進一步提高系統的性能，建議在后續開發中增加濕度等其他測控功能。該系統不僅可以用于醫院精密儀器室的溫度測量和控制，還可以應用于溫室大棚、糧倉和發電廠鍋爐等地方。

參考文獻：

[1] 劉振通.焓差實驗室測控系統的設計與實現[D].濟南：山東建筑大學，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設計[J].測控技術，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境溫控系統實現[J].電子器件，2019，42（3）：679-683.

[4] 管杰.基于網絡遠程實現的電氣測控平臺的研究——溫度測量與控制系統的研究[D].南京：東南大學，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.

【通聯編輯：唐一東】