基于LabVIEW的烤煙房遠(yuǎn)程溫濕度測(cè)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(jì)，采用人工啟閉回風(fēng)門(用于排濕)和鼓風(fēng)機(jī)(控制火爐火勢(shì))的傳統(tǒng)方法測(cè)出的溫度不準(zhǔn)確，控制方法被動(dòng)，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(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)已成為烤煙技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文介紹了一種基于虛擬儀器的烤煙房遠(yuǎn)程智能測(cè)控系統(tǒng)來提高烤房?jī)?nèi)溫濕度控制精度及烤炯質(zhì)量的設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)具有反應(yīng)靈敏，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以大大減輕煙農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1  系統(tǒng)設(shè)計(jì)

烤煙房?jī)?nèi)設(shè)有的鼓風(fēng)機(jī)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(jì)算機(jī)中分時(shí)系統(tǒng)來給多任務(wù)的各個(gè)任務(wù)分配時(shí)間片的方法，來實(shí)現(xiàn)用一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一個(gè)數(shù)據(jù)卡對(duì)多個(gè)烤煙房的溫度和濕度進(jìn)行檢測(cè)與控制。利用數(shù)據(jù)采集卡中的模擬多路開關(guān)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)硬件數(shù)據(jù)通道之間的切換，以達(dá)到各個(gè)通道分時(shí)間片采樣和控制的目的。該設(shè)計(jì)方法適用于對(duì)時(shí)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(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)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(jì)

該系統(tǒng)的硬件部分先將溫濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并將調(diào)理后的數(shù)據(jù)傳人計(jì)算機(jī)，之后由采集卡輸出控制信號(hào)來對(duì)溫濕度控制器件進(jìn)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(jī)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(hào)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(hào)，并將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。同時(shí)采用UD-08濕度傳感器和相應(yīng)的電路來捕獲溫度信號(hào)，并將其濕度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。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(hào)經(jīng)放大、濾波后，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)實(shí)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(hào)，然后通過數(shù)據(jù)采集卡輸出控制信號(hào)，來控制繼電器的動(dòng)作．進(jìn)而控制鼓風(fēng)機(jī)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(jì)基于PCI總線，可支持單極性和雙極性模擬信號(hào)輸入，其信號(hào)輸入范圍分別為-5～+5 V和0～10 V。同時(shí)PCI-6024還可提供16路單端／8路差動(dòng)模擬輸入通道，2路獨(dú)立的D／A輸出通道，24線的TTL型數(shù)字I／O，3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器等多種功能模塊。利用NI公司提供的Measurement Automation軟件對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置便可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件與數(shù)據(jù)采集卡之間的通訊。

鼓風(fēng)機(jī)工作在220VAC電壓下，可用固態(tài)繼電器對(duì)它進(jìn)行控制。排風(fēng)扇的工作電壓是12VDC，用普通繼電器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制。

3軟件設(shè)計(jì)

本測(cè)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(tái)。LabVIEW程序是通過對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的控制來采集數(shù)據(jù)的。電壓模擬信號(hào)被數(shù)據(jù)采集卡采集后輸人計(jì)算機(jī)，用PID算法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時(shí)用所產(chǎn)生的控制信號(hào)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(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)4個(gè)模塊，并把每個(gè)模塊編寫成一個(gè)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(gè)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(dòng)作和通信，以及實(shí)現(xiàn)人機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并傳遞到計(jì)算機(jī)。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(jí)模入函數(shù)組合起來實(shí)現(xiàn)。

圖3是使用中級(jí)模入設(shè)計(jì)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(hào)的范圍(調(diào)節(jié)硬件增益)，設(shè)置采集數(shù)據(jù)所占用計(jì)算機(jī)緩沖區(qū)的大小及設(shè)置掃描間隔：再通過AI Start.vi啟動(dòng)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(diǎn)數(shù)、讀取數(shù)據(jù)在緩沖中的位置等，它的輸出是一個(gè)二維數(shù)組，其中每一列數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于通道列表中的一個(gè)通道；最后，通過AI Clear.vi模塊來清除模入操作和計(jì)算機(jī)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(hào)經(jīng)放大、濾波后，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)實(shí)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(hào)，然后通過數(shù)據(jù)采集卡輸出的控制信號(hào)來控制繼電器的動(dòng)作，進(jìn)而控制鼓風(fēng)機(jī)和排風(fēng)扇的工作，最終達(dá)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(shí)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(duì)采集的數(shù)據(jù)利用PID控制算法進(jìn)行處理，并通過數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)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(gè)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(diǎn)(SP-setpoint)。PID控制器先確定一個(gè)對(duì)被控系統(tǒng)的輸出量(U—output)，然后驅(qū)動(dòng)過程變量使其逼近設(shè)定點(diǎn)。

以溫控為例，當(dāng)溫度低于設(shè)定的閾值范圍時(shí)，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(jī)啟動(dòng))，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(jī)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(shí)踐，溫度的浮動(dòng)范圍定為±2℃，濕度的浮動(dòng)范圍定為±3.5％。

3.4狀態(tài)顯示模塊

溫濕度報(bào)警模塊完成的主要工作是規(guī)定所采集的溫濕度信號(hào)的范圍及相對(duì)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(duì)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“正常”，否則為“報(bào)警”狀態(tài)，采集數(shù)據(jù)與狀態(tài)可同時(shí)顯示到前面板上。首先煙農(nóng)在烤煙的三個(gè)階段的開始時(shí)預(yù)先設(shè)定溫濕度參量，然后由程序自動(dòng)運(yùn)用加減圖形代碼的運(yùn)算得到溫濕度上下限，來隨時(shí)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(chǔ)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(yuǎn)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(gè)參數(shù)。該技術(shù)允許用戶直接在本地(Client端)計(jì)算機(jī)上打開并操作位于遠(yuǎn)程(Web Server)計(jì)算機(jī)上的VI的前面板，甚至可以將LabVIEW的前面板窗口嵌入到一個(gè)網(wǎng)頁(yè)中并在網(wǎng)頁(yè)中直接操作它，操作極為簡(jiǎn)單。

在LabVIEW中使用Remote Panel時(shí)需要完成在LabVIEW Web Server端的計(jì)算機(jī)上開啟Lab-VIEW Web Server服務(wù)和在Client端計(jì)算機(jī)上連接并運(yùn)行Remote Panel兩個(gè)步驟。

目前，實(shí)現(xiàn)在Client端計(jì)算機(jī)進(jìn)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(yè)瀏覽器在網(wǎng)頁(yè)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(jì)算機(jī)上運(yùn)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(jī)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(yùn)行一個(gè)Remote Panel了。具體步驟如下：

(1)在Web Server端打開要進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)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(duì)話框一欄輸入IP地址和所打開的VI的名字以及端口號(hào)。

(3)點(diǎn)擊Connect按鈕進(jìn)行連接，Remote Panel就會(huì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了用一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)多個(gè)烤煙房的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，從而提高了烤房?jī)?nèi)溫濕度測(cè)控精度及烤煙質(zhì)量，減輕了煙農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)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(jī)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(diǎn)。