Quiero usar LabViEW para hacer algo, específicamente de la siguiente manera: La temperatura medida por el sensor de temperatura se muestra en una forma de onda en el panel en tiempo real.
Las funciones y especificaciones de los instrumentos tradicionales de medición de temperatura son únicas y fijas, y los usuarios no pueden cambiarlas según sus propias necesidades. El concepto de instrumento virtual propuesto por NI rompe por completo el modelo tradicional en el que los instrumentos los definen los fabricantes y los usuarios no pueden cambiarlos, y ha provocado enormes cambios en los instrumentos de medición y control. LabVIEW es una plataforma de instrumentos virtuales desarrollada por NI. El desarrollo actual que utiliza LabVIEW generalmente se basa en costosas placas de adquisición de datos respaldadas por LabVIEW. Para resolver este problema, este sistema utiliza un microcontrolador de baja potencia P89LV51RD2 y un sensor de temperatura de baja potencia TMPll2 para formar un nodo de adquisición de temperatura, y realiza una comunicación remota entre el sistema de microcontrolador y la computadora host a través de un módulo de comunicación inalámbrica, que no solo reemplaza la costosa tarjeta de adquisición de datos, sino que reduce en gran medida los costos del sistema y realiza la transmisión inalámbrica de datos. Al mismo tiempo, las características de bajo consumo de energía del nodo de recolección de temperatura reducen los requisitos de energía durante la conexión en red ZigBee, lo que facilita la implementación de mediciones de temperatura multipunto en la red.
1 Composición del sistema y principio de funcionamiento
La Figura 1 muestra el diagrama de bloques del sistema. El sistema de control y medición de temperatura consta principalmente de una computadora, una microcomputadora de un solo chip y un circuito de medición de temperatura. , un circuito de control de temperatura y composición del circuito de comunicación inalámbrica. El sensor de temperatura TMPll2 recopila la temperatura y, después de transmitir la cantidad digital de temperatura al P89LV51RD2, la temperatura en el sitio se muestra a través del circuito LED del tubo digital. Al mismo tiempo, P89LV51RD2 envía los datos de temperatura a la computadora remota a través del módulo de comunicación inalámbrica SZ05. La plataforma de control LabVIEW que se ejecuta en la PC muestra la temperatura en tiempo real y realiza procesamiento de datos, alarma de temperatura y almacenamiento de datos. Además, la plataforma de control muestrea la señal de entrada, utiliza el controlador PID en LabVIEW para el control PID y envía la cantidad de control al microcontrolador a través del módulo inalámbrico. El microcontrolador genera la cantidad de control para lograr el control de temperatura.
2 Diseño del hardware del sistema
2.1 Circuito de visualización de medición de temperatura
Este sistema adopta la pantalla digital de alta precisión y bajo consumo lanzada por TI en junio de 2009. El sensor TMPll2 se utiliza para implementar la medición de temperatura. El transmisor tiene las siguientes características:
◆El rango de medición de temperatura es -40~125℃;
◆La precisión alcanza O dentro del rango de temperatura de 0~65℃. 5 ℃, la precisión alcanza 1 ℃ en el rango de -40 ~ 125 ℃;
◆Resolución de 12 bits, la precisión de lectura del valor medido alcanza 0,0625 ℃;
◆ Funcionamiento normal La corriente de reposo máxima en modo es de 10 μA y en modo de apagado es de 1 μA;
◆Rango de fuente de alimentación 1,4 ~ 3,6 V;
◆SMBus/interfaz serie de dos cables, Se pueden conectar hasta 4 de estos sensores al bus.
Teniendo en cuenta consideraciones integrales como el consumo de energía, la precisión, la interfaz, etc., P89LV51RD2 y TMPll2 se utilizan para formar un nodo de medición de temperatura. Aunque el microcontrolador P89LV51RD2 no tiene una interfaz de bus I2C dedicada, se puede utilizar software para simular el bus I2C para realizar la comunicación entre el microcontrolador y TMPll2. Los puertos de E/S P1.0 y P1.1 del microcontrolador se utilizan para simular las señales SDA y SCL del bus I2C respectivamente, por lo que solo P1. Los pines O y P1.1 están conectados a los pines SDA y SCL de TMPll2 respectivamente (tenga en cuenta que es necesario levantarlos). Después de que P89LV51RD2 lea los datos de temperatura a través del bus I2C, 5 tubos digitales muestran el valor de temperatura, incluidas centenas (o dígitos con signo), decenas, unidades y 2 decimales.
2.2 Circuito de control de temperatura
El circuito de control de temperatura se muestra en la Figura 2. Consiste principalmente en una composición del transistor NPN Q1, el fotoacoplador TLP521-1 U1 y el tubo NMOS de alta potencia Q2.
El sistema de control del programa de computadora host compara el valor de temperatura detectado con el valor de configuración del sistema, realiza cálculos de acuerdo con el algoritmo de control PID y emite una señal PWM con un ciclo de trabajo ajustable desde el puerto P1.2 del microcontrolador después de ser impulsado por. el transistor Q1, controla el acoplamiento fotoeléctrico. El encendido y apagado del dispositivo U1 luego controla el tiempo de encendido y apagado del tubo NMOS Q2 (IRF840A), controlando así el tiempo de calentamiento del objeto calentador: la resistencia de alta potencia R, para que alcance el valor de temperatura establecido. Para facilitar el experimento, la R utilizada es una resistencia bobinada de alta potencia con una potencia nominal de 10 W y una resistencia nominal de 10 Ω. Está alimentada por una fuente de alimentación de 12 V CC. Debido a la gran corriente que fluye a través de la resistencia de calentamiento R, la fuente de alimentación de 12 V CC que alimenta a R debe separarse de la fuente de alimentación de 12 V CC que alimenta a otros dispositivos analógicos.
2.3 Circuito de comunicación inalámbrica
El circuito de comunicación inalámbrica se implementa utilizando el módulo de comunicación de datos inalámbrico ZigBee serie SZO5 de Shanghai Shunzhou Network Technology Co., Ltd. Este módulo proporciona tres estándares de interfaz: RS232, RS485 y TTL, y la distancia de transmisión puede alcanzar 100 ~ 2000 m. Para mejorar la eficiencia del desarrollo, la interfaz RS232 de este módulo se utiliza para realizar una comunicación inalámbrica en serie entre el microcontrolador y la computadora, simplificando la programación del software. Si el sistema no requiere distancia, solo se puede utilizar una línea de puerto serie para realizar la comunicación entre el microcontrolador y la computadora sin tener que cambiar el diseño del software. Es muy versátil y adecuado para diversas aplicaciones.
3 Diseño del software del sistema
3.1 Diseño del software del ordenador host
El software del ordenador host utiliza el lenguaje de programación gráfica LabVIEW para completar el diseño de la plataforma de control. LabVIEW proporciona un entorno de programación gráfica muy simple e intuitivo. Los diseñadores pueden construir fácilmente sistemas de medición y construir interfaces operativas hermosas y amigables sin escribir códigos de programas de computadora engorrosos, lo que simplifica enormemente el diseño de programas y mejora la eficiencia del desarrollo.
La Figura 3 muestra la interfaz de monitoreo de temperatura de la plataforma de control LabVIEW de la computadora superior (la interfaz cuando la recolección y visualización de la temperatura está en progreso). Adoptando ideas de diseño modular, el sistema se compone principalmente de módulos de adquisición y visualización de datos, procesamiento de datos y alarma, almacenamiento de datos y control PID. Los usuarios pueden realizar funciones de recopilación, visualización, procesamiento, alarma, almacenamiento y control de temperatura operando en la interfaz con el mouse.
(1) Módulo de visualización y adquisición de datos
El módulo de visualización y adquisición de datos recibe principalmente los datos de temperatura enviados por el microcontrolador a través del puerto serie de la computadora y el módulo de comunicación inalámbrica, y los muestra en tiempo real. Para garantizar una comunicación fluida entre la computadora y el microcontrolador, primero se debe inicializar el puerto serie, como configurar el puerto serie COMl, velocidad en baudios 9600, 8 bits de datos, 1 bit de parada, sin paridad y control de flujo. Cuando el programa se esté ejecutando, haga clic en el botón "Iniciar recopilación" y el sistema recibirá los datos de temperatura enviados desde el microcontrolador y mostrará el valor de temperatura recopilado actualmente a través del control del instrumento de temperatura. Además, el módulo de adquisición de datos recibe un conjunto de valores de señales de temperatura discretas, que se muestran punto por punto y se conectan a través del control de visualización del gráfico de forma de onda. La curva de tendencia de temperatura se puede dibujar arrastrando el control deslizante en el lado inferior derecho de la curva. gráfico y Ver curvas de temperatura históricas.
(2) Módulo de alarma y procesamiento de datos
El procesamiento de datos implementa principalmente estadísticas de histograma de los datos de temperatura recopilados. Haga clic en el botón "Crear histograma" en la interfaz del sistema y el sistema ejecutará el programa correspondiente para recopilar estadísticas sobre los datos de temperatura y mostrará el histograma de temperatura en el control de forma de onda para facilitar el análisis estadístico del usuario.
El módulo de alarma de temperatura implementa principalmente alarma de alta temperatura y alarma de baja temperatura. El usuario establece los límites de temperatura superior e inferior en la interfaz del sistema. Cuando la temperatura real es mayor que el límite de temperatura superior o menor que el límite de temperatura inferior, el sistema emitirá una alarma de temperatura alta (luz roja encendida) o una alarma de temperatura baja. (luz amarilla encendida) a través de la luz indicadora para recordar al usuario que la temperatura excede el límite Para garantizar la seguridad del personal y el equipo.
(3) Módulo de almacenamiento de datos
El módulo de almacenamiento de datos se encarga principalmente de guardar los datos de temperatura recopilados en tablas de Excel, de modo que los usuarios puedan recuperar datos históricos de temperatura para revisarlos y analizarlos en el futuro. .
Primero, use el VI "Array Size" para obtener el tamaño del conjunto de temperaturas recopiladas y determine si es divisible por 10. Si es divisible, ejecute el programa de rama "True" de "Conditional Structure" y escriba el tiempo de recopilación y 10 datos de temperatura Después de ingresar el archivo de hoja de cálculo, ajuste la línea y luego realice un juicio condicional. De esta manera, los datos de temperatura se registran en el archivo de la hoja de cálculo en 10 filas, y la fecha y hora en que se recopiló este conjunto de datos se registra al comienzo de cada fila.
Además, la curva de temperatura se puede almacenar en formato JPEG utilizando los VI "Method Node" y "Write JPEG File". El usuario hace clic en el botón "Guardar curva de temperatura" y el sistema muestra un cuadro de diálogo para guardar, solicitándole que guarde la curva de temperatura como una imagen JPEG.
(4) Módulo de control PID
LabVIEW proporciona un potente controlador PID, que permite a los usuarios evitar escribir tediosos algoritmos PID y mejorar la eficiencia del desarrollo. Al realizar el control PID, primero ingrese la señal de temperatura al controlador PID e ingrese el valor establecido de temperatura y la ganancia PID, incluido el coeficiente proporcional Kc, la constante de tiempo integral Ti y la constante de tiempo diferencial Td. Haga clic en el botón "Control PID" y el programa controlará la temperatura de acuerdo con el algoritmo PID para que la temperatura se acerque al valor establecido.
3.2 Diseño de software informático inferior
El programa del microcontrolador P89LV5lRD2 está diseñado en lenguaje C. P89LV51RD2 proporciona internamente tres temporizadores/contadores de 16 bits y un puerto de comunicación serie full-duplex para cumplir con los requisitos de diseño de software de este sistema. La Figura 4 muestra el flujo del programa de control del microcontrolador.
Durante la inicialización del sistema, configure el modo 1 del puerto serie de 8 bits y el temporizador T2 del microcontrolador funcionará en el modo generador de velocidad en baudios para generar la velocidad en baudios requerida para la comunicación en serie. Luego haga que el temporizador T0 del microcontrolador funcione en el modo de temporizador para generar el ciclo de control especificado. En el programa de interrupción de TO, los datos de temperatura recopilados se envían primero a la computadora host a través del módulo inalámbrico para su visualización en tiempo real. Luego, la computadora host usa el controlador PID en LabVIEW para determinar el tamaño del volumen de control de salida del sistema y los envía. regresa al microcontrolador. La cantidad de control emite una señal PWM y acciona el circuito de control para controlar la temperatura del objeto que se está midiendo.
Conclusión
El sistema de control y medición de temperatura diseñado en este artículo utiliza un sistema de microcontrolador de bajo consumo como módulo de adquisición, reemplazando la costosa placa de adquisición de datos, con un bajo costo y es Desarrollado con LabVIEW La plataforma de software realiza procesamiento y control de temperatura. En comparación con los instrumentos tradicionales, tiene las características de una interfaz amigable, fácil operación y gran escalabilidad. Los experimentos muestran que este sistema puede usarse como parte del sistema de experimentos de enseñanza e integrarse en la plataforma de experimentos de instrumentos virtuales para que los estudiantes aprendan la programación de LabVIEW y la comunicación entre instrumentos virtuales y microcontroladores. Además, se pueden conectar varios nodos para formar una red inalámbrica distribuida para lograr la medición y el control de la temperatura en múltiples puntos, lo que tiene buenas perspectivas de aplicación. (Microcomputadora de un solo chip y sistema integrado Autor: Pan Xiaoye, Universidad del Sudeste Hu Renjie)