1、内蒙古大学硕士学位论文基于LabVIEW的温湿度测控系统设计姓名：张丽娜申请学位级别：硕士专业：模式识别与智能系统指导教师：周润景20060608内蒙古大学硕士学位论文基于LabV l EW的温湿度测控系统设计摘要目前婴儿培养箱温湿度测控系统大多基于智能仪器技术构建，其功能块如参数设置、显示、测控等，全部以硬件方式实现。基于该方式构建的系统存在以下缺点：面板繁杂，不便于操作；硬件磨损，易引发故障；连续工作时，系统的实时控制品质不可视。此外，目前的培养箱测控系统不能独立控制湿度。鉴于以上提出的问题，结合虚拟仪器界面人性化、功能可定制、显示图形化的特点，设计了基于LabVIEW的婴儿培养箱温湿度测
2、控系统。采用数字温度传感器DSl8820、湿度传感器HSll01测量温、湿度；采用多传感器技术及数据融合技术实现传感器故障预警和数据优化；系统为双输入双输出系统，设计了温、湿度独立控制和解耦控制两套方案；数据传输采用串行方式：AT90S8515单片机和计算机双向通信；采用PWM方式控制电路，实现温湿度自动控制。内容主要包括以下方面：(1)婴儿培养箱现状及安全使用；(2)基于LabVIEW的温湿度测控系统结构图；(3)系统方案拟定；(4)系统方案可行性验证；(5)系统构建；(6)系统测试。测试结果表明：系统控制可靠；界面更加人性化，便于使用；所有操作均通过键盘或鼠标实现；温湿度测控曲线实时显示，
3、系统连续控制品质实时可视；具有湿度调节机制，系统湿度可准确馈给。关键词：婴儿培养箱，温湿度测量，温湿度控制，LabVIEW内蒙古大学顾士学位论文DESIGN OFATEMPER棚7REAND HUMIDITYCONTROL SYSTEM BASED ON LabVIEWABSTRACTNow most of temperature and humidity control system for incubator of infant isbuilt based on intelligent instrument，which function blocks，such as parameter s
4、etting，parameter display,instrumentation and command system,and etc,are realized byhardware，Using this method to build the system exists following disadvantage：interface is intermixture to lead to operation mistake，hardware is wear down to leadto system trouble，the qualities of the measurement and c
5、ontrol characteristic areinvisibleMoreover,actual incubator of infant does not control humidityindependentlyConsideration of the referring to problem above，and LabVIEWS features that itis a stateoLthe-art interface，function customization，interactive graphics，temperature and humidity control system f
6、or incubator of infant based on LabVIEWis desigued here，which adopting 1-wire digital temperature sensor DSl8820 andhumidity sensor HSll01 to realize the measurement of temperature and humidity,and adopting multi-sensor technology and data fusion algorithm to realize the faultearly warming signal of
7、 sensors and data optimization，and designing two sets of内蒙古大学硕士学位论文controller,which is temperature and humidity independent controller and decouplingcontroller,and adopting series data transfer mode to transfer data betweenAT90S8515 and PC,and adopting PWM controlling circuit to realize automation o
8、ftemperature and humidityThe contents include：(1)Present situation and application safety of incubator ofinfant(2)Diagram of the whole structure of the system(3)Roughcast of the system(4)System feasibility verification of the preliminary design(5)Constructing thesystem(6)System test and result analy
9、sisFrom the testing results we can see that the system is reliable，and interface ismore humanity to application，all operation is realized by keyboard or mouse，andmeasurement and control characteristic ale displayed by waveform chart to make thequality of the control curve visible real time，and humid
10、ity can be adjusted toKEYWORDS：incubator for infant，temperature and humidity measurement，temperature and humidity control，LabVIEW内蒙古大学硕士学位论文引言婴儿培养箱是为早产儿、低体重儿、病危儿、新生儿提供一个类似母体子宫温湿度环境的培养环境的设备，也可用于婴儿体温复苏、输液、抢救、住院观察等场合。婴儿培养箱是儿科诊疗及护理过程中不可缺少的一种装置。而随着计算机技术、现代测量技术和电子仪器技术的发展，虚拟仪器技术以其开发效率高、人机界面交互性好、测试系统组建或重构方便
11、，以及仪器功能用户可定制性等突出特点，成为当前仪器发展的主流方向。现行婴儿培养箱的设计大多体现的是工程技术人员的思维方式，而临床医务人员感到控制面板复杂、操作繁琐；系统通常显示温湿度设定值和当前温湿度测定值，而系统连续控制品质不可视；临床应用表明，当箱内温度较低时，对婴儿的影响比箱内超高温的危害更大，但目前婴儿培养箱温湿度测控系统只有超高温报警电路，无超低温报警电路；另外，现行的婴儿培养箱系统没有湿度用户调节功能。针对以上问题，在此提出了一种新的设计婴儿培养箱的思路，即采用虚拟仪器技术实现系统的测控。虚拟仪器技术突出的优点为：通过几个分面板上的操作来实现系统的复杂功能，从而克服系统控制面板繁杂
12、的缺点；以图形化方式显示系统参数，可实现系统控制曲线实时显示，从而使系统连续控制品质实时可视；仪器性能的改进和功能扩展只需更新软件，即系统可根据实际要求增加系统功能；采用虚拟仪器技术，以软件代替硬件，简化系统硬件电路，提高系统可靠性；研发周期短等。增加湿度测控系统，并采用超声雾化法。由于超声雾化法形成的湿度水分子颗粒为l3“m，大大提高了患儿的舒适度，有利于减少新生患儿出现应激反应的可能性。同时，由于雾化量可以微调控制，也提高了湿度馈给的准确性。采用这一方式设计的系统具有以下特点：1：图形化编程，使得编程十分方便、快捷；2：系统具有类似仪器的用户界面，诸如开关、按钮、各种显示等等功能，使用户操
13、作计算机如同操作实际的仪器；3：在与外乔进行数据交换时只须作相应的配置，而不需编写繁锁的驱动程序，4：可直接使用LabVIEw分析软件包对数据进行分析、处理；5：系统的硬件器件使用数大大减少；6：设计灵活、现场可编程、调试简单等。第一章婴儿培养箱的基本原理、安全使用及现状内蒙古大学硕士学位论文由于婴儿自身的抵抗能力十分微弱，这就要求培养箱具有稳定的性能。能为婴儿提供一个更加趋近于母体子宫的环境，将更有利于婴儿的健康。11婴儿培养箱的基本原理目前市场上生产的婴儿培养箱基本原理大同小异，大多数都采用“对流热调节”的方式提供一个空气净化、温湿度适宜的优良环境。利用计算机技术对培养箱温度实施伺服控制，
14、开机即可自动进人箱体温度控制状态。温度控制仪是仪器的核心部件，具有温度设置、实时温度监测等功能，当医护人员在设置温度时仍能连续监视箱内的温度。培养箱应具有可靠的故障报警系统，实现对电源、箱温等的监测，如果任何一项指标超出允许范围均应有声光报警，提示监护人员的注意。当医护人员发现培养箱报警时应立即终止对婴儿的培养，将婴儿移至安全场所，以保证婴儿的安全。培养箱使用AC 220V电源，必须严格遵守单相三线制原则，确保有良好的接地，仪器一般带有网络接口，为具有婴儿监护联网系统的婴儿培养箱提供专用插座。12婴儿培养箱的安全使用培养箱的工作状态关系着婴儿的生命安全，医护人员在使用时要十分小心。在使用前，应
15、对系统的各项功能进行认真的检查。(1)对电源中断报警功能的检查：在使用前断开培养箱与AC220 V电源供给连接，打开温度控制仪的电源开关后仪器应出现断电报警，关掉电源开关后报警会自动消除。断电报警的供电是靠电池提供，在正常使用时系统会自动对电池充电，电池都有一定的使用期限，达到期限应更换电池。(2)温湿度控制仪的检查：接通AC 220 V电源，打开温湿度控制仪电源开关，进入婴儿培养箱温湿度测控系统，给定系统控制值，若不作任何操作，仪器自动进人箱体温湿度控制状态，实时温、湿度显示窗口显示实时箱体温、湿度。(3)系统温湿度超标报警功能的检查。(4)系统功能自检：仪器工作时，按住“系统自检”试验按钮
16、，系统进入自检状态。工作人员逐一对系统硬件装备和软件程序进行检测。2塑鍪直奎兰堡圭兰堡堡兰经检查确认仪器各种功能均正常后，按照医嘱设置好各项参数让机器进入预热状态，直到箱内的温湿度达到平衡，方可进行婴儿的培养。在完成对每一个婴儿的培养后，必须对培养箱进行彻底清洗、灭菌、消毒(使用过程中至少每周一次)，对部分组件要经拆卸后清洗。13婴儿培养箱测控系统现状婴儿培养箱在使用中有其独特之处：(1)被使用者(婴儿)的无知性； (2)使用时间的不间断性。婴儿培养箱连续工作少则数天、数周，多则数月。根据婴儿培养箱工作对象、使用目的，对婴儿培养箱性能的基本要求是：(1)控制温度、湿度要灵敏、可靠，设定和显示要
17、直观、方便；(2)若箱内温湿度偏离正常允许使用范围及其它不正常情况，应能显示和报警； (3)连续长期工作，使用可靠、故障率低，同时维修简易、方便； (4)电器安全性能高、噪声低。另外对使用环境要求不宣过高，箱内温度控制能力和灵敏度要高。目前生产的婴儿培养箱系统控制电路越来越复杂，但是恰有几个重要的问题还未能很好的解决。(1)系统实时控制品质及历史控制品质不可见。(2)箱内湿度用户不可调节。(3)只有超高温报警电路，而无超低温报警电路。在临床上低温的危险性比高温更大，所以应增加超低温报警电路。第二章基于LabV I Ew的婴儿培养箱温、湿度测控系统设计21虚拟仪器技术嘲测量仪器发展至今，大体经历
18、了四代发展历程，即模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器和智能仪器。随着电子技术、计算机和网络技术的高速发展，及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现。其中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成一个有机整体，导致仪器的结构、概念和设计观点等也发生突破性的变化。在这一背景下，出现了新的仪器概念虚拟仪器。2ii虚拟仪器的基本概念3堕鍪直查兰嬖主兰垡丝壅所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示
19、功能来模拟传统仪器的控制面板；以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用I0接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。使用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。212虚拟仪器测控系统结构采用LabVIEW开发平台设计的虚拟仪器测控系统的结构如图21所示。一电量传感器卜_ 信号 驱 虚拟仪器前面梗七亟亟蚋处理 邕 IO动 应用程序电路 接程 LabVILrwr子模扳一其他侍感器- 序 Labv“IEW开发平台口I捌铷瀚H驱动电路 计算机图2-1基于LabVIEW的虚拟测控系统结构图Fig2-1 S
20、tructure Diagram of Measurement and Contzol System Based on LabVIEW系统工作流程如下：传感器测量被测信号，将其转换为电量信号；信号处理电路将传感器输出信号进行整形、转换、滤波处理，变成标准信号；IO接口设备完成输入信号的采集；通过设备驱动程序，计算机可处理的数字信号进入计算机：在LabVIEW平台上，调用信号处理子模板，编写测控程序流程、功能算法，设计虚拟前面板；测控程序输出的控制信号经由I0接口设备输出；输出信号作用在驱动电路，驱动执行机构进行系统控制；系统一次测控完成。213虚拟仪器的特点虚拟仪器与传统仪器相比，有以下6个特
21、点：传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，易于导致识别与操作错误，而虚拟仪器可以通过几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。同时，虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受“标准件”和“加工工艺”的限制，它们是由编程来实现的，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求，设计仪器面板；夺在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能；仪器的功能是用户根据需要由软件来定义；仪器性能的改进和功能扩展只需要更新相关软件设计，而不需要购买新的仪器；夺研制周期较传统仪器大为缩短；4内蒙古大学硕士学位论文夺虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其他周边设
22、备互联。22基于虚拟仪器技术搭建温、湿度测控系统221测控系统性能指标控制对象：婴儿培养箱夺系统尺寸：87 cruX43 c70cm。电源要求：220V，50Hz。夺温度要求：箱温在2536之间可实现自动调节，保温过程中温度波动小于05h，昼夜波动勿超过l。湿度要求：箱内相对湿度控制在5060之间，湿度馈给误差小于3。安全性能：噪声低于35dB，设有温度超标报警、自动断电报警功能，同时在重要部位给出故障指示。222测控系统结构图鉴于婴儿培养箱测控系统的设计要求与虚拟仪器的特点，本设计采用虚拟仪器技术搭建婴儿培养箱的温湿度测控系统。基于LabVIEW软件开发平台设计的婴儿培养箱的系统结构图如图2
23、2所示。图2-2婴儿培养箱系统结构图Fig22 Structure Diagram of lucubalor of Infant数据采集模块实现温度实时采集、湿度实时采集、电路状态信号采集及数据预处理；数据传输模块将检测信号传输到计算机；计算机Io接口为计算机与外部数据连接的硬件支持。当数据进入计算机后，在LabVIEW平台上，经数据处理子程序、温湿度控制子程序输出系统5查茎查查兰堡主兰竺堡苎控制信号，并通过计算机IlO接口输出：输出信号驱动相应的驱动电路，分别控制加热电路、加湿电路及风扇电路，实现对婴儿培养箱温、湿度的实时监测及控制；程序实时监测系统状态；同时在前面板实时输出温度、湿度控制曲
24、线。系统通过前面板的温度、湿度设定窗口，可实时改变温、湿度的设定值；当出现温度、湿度超出温湿度的上限或下限时，软件发出语音及光报警信号，提示医护人员；并当温度超出上限值时，自动停止加热。此外，由于这一系统服务对象的特殊性，在系统中设有故障自动报警功能，诸如数据传输错误报警、电源掉电报警、传感器故障报警等报警机制。同时，系统提供历史数据回读、历史数据打印功能，以便用户查看系统的历史状态。第三章系统设计方案拟定基于LabVIEW的温湿度控制系统设计包含以下部分：控制对象建模、数据采集、数据传输、数据处理、系统控制算法设计、控制信号输出接口电路设计及其他附属功能的设计。31婴儿培养箱系统建模311箱
25、体的理论数学模型“婴儿培养箱作为控制对象，是一个具有大的热容量、多容、存在时间延迟的环节。在不考虑时间延迟，并将系统视为单容的前提下，根据能量守恒定律建立箱体的数学模型。即：C。ddOt-QlQ2一Q3(31)式中：C，为箱内的热容量系数，KJC-；Q。为箱内得热量KJh；Q：为围护结构对室外传热量，KJh；Q，为从箱内排出的空气热量，KJh；0。为箱内空气温度，a经过对公式(3一1)的变化，可以得到干扰通道的增量微分方程：弓鲁+0。IKlo| (3-2)6内蒙古大学硕士学位论文式中，王为调节对象的时间常数，h-O。为箱内温度变化量，；A0。为热流温度变化量，；K为调节对象的放大系数。在控制系
26、统中一般用传递函数进行描述，把(32)式写成传递函数的形式：地(s)-等 css，当干扰为阶跃干扰，即e。-m(定值)时，式(33)变为曲邸)-器这样建立起了简化后箱体的一阶惯性环节传递函数的数学模型。时间常数互和放大系数瑶叠卜另蛹呖耀呐钓动态特性和静态特性刳岩防影私隧赣蛹罐移对喟能根据经蝴。312选定模型结构用测试法建立被控对象的数学模型。首先选定数学模型的结构。控制系统中模型的选择采用非参数模型，即采用含有隐含参数的传递函数模型。通过理论分析可知箱体的数学模型是一个多容的环节。可对此选定三种形式。一阶惯性环节加纯滞后：G(s)一篙 (3_5)二阶或11阶惯性环节加纯滞后： G(s)一赢或G
27、(s)l器cs-6，有理分式表示的传递函数： G(s)。坠_业e一，(nm)(3-7)anS。+alS+aO不同形式的传递函数所包含的参数数目不同。理论上参数愈多，理论模型越接近实际模型。本文中选择式(3-6)的形式。313婴儿培养箱数学模型的建立姗婴儿培养箱为多输入多输出系统，因此，在本文中采用多变量系统的分解方法建立系统模型。即将模型进一步分解成子模型单输入单输出系统，建立系统传递函数。7堕鍪立奎兰堡主兰竺丝苎当加热器对箱内空气加热时，由于温度升高，饱和湿含量增加而实际的含湿量没有增加，因此箱内相对湿度降低，印被控制对象温度对湿度有负作用的耦合关系。而喷雾装置对箱内空气的加湿动作对温度的影
28、响相对于温度对相对湿度的影响要小得多，可近似视为湿度对温度几乎没有耦合关系。因此，系统分解如图3-1所示。Uiujy；u-匦亟匦卜一yty，日ui竺竺!孙飞一y，Ui呻空制对象子模型3卜yj2，图3-1系统模型分解Fig3-1 System Model Decomposition这样，恒温恒湿箱的数学模型为：GI暑黑暑蠕卜鉴!：! o(TIS+I)(T2S+nK2e邓CI4S+1)(T5S+1)K3e椰CLS+埘忑s+1)(3-8)314参数确定增益K按输入输出的稳态值计算。根据阶跃响应曲线脱离起始的无反应的阶段确定参数t对于传递函数GG)一话i五茹1 i丽，其中置，T2，与此对应的阶跃响应为
29、：y(t)_1一(T,二-LT2)。五一Or,二-LT,)。E(3-9)1= 1 o根据上式就可以利用阶跃响应上两个点的数据确定参数T1和T2，然后取多个点进行平均。经测定箱内的温度、湿度阶跃响应，并根据公式(3-9)进行计算，求出系统的各参数。本文中系统传递函数参数为：E-30、T2-10、T，=50、T4-200、L一0、T6-50、T710、T85、B-10、Kl-L5、K2-L6、K3-0432系统温度测量鉴于加热温度场分布的不均匀性及系统对温度的高精度要求，系统采用多点测量方法对培养箱内的温度进行测量。本设计采用Dallas公司1-Wire系列数字传感器DSl8820测温。采用数字温
30、度传感器的好处是与CPU接口方便，可不必过多考虑前向通道中诸如信号放大、8堕鍪直奎兰堡主兰竺堡壅零点漂移、传感器供电和干扰等因素，可以在满足系统要求的前提下最大限度的减少系统开发成本和技术难度。321 DSl8820简介o”DSl8820的总体特点DSl8820具有节省I0口线资源，结构简单，成本低廉，便于总线扩展和维护等诸多优点。其提供912位精度的温度测量；电源供电范围是3OVa55V；温度测量范围一55。C+125“C，在一lO+85“C范围内，温度迟滞O5；增量值最小可为00625。将测量温度转换为12-bit的数字量最长需750ms；DSl8820可采用信号线寄生供电，无需外部供电；
31、每个DSl8820有唯一的64-bit序列码，即多个DSl8820可在一条单总线上工作。硬件配置DSl8820的单总线端口为漏极开路，其内部等效电路如图3-2所示。图3-2 DSlgB20内部等效电路图Fig3-2 DSl8820s Internal Equivalent Circuit单总线需接一个47ko的外部上拉电阻，因此DSl8820的闲置状态为高电平。如果总线保持低电平的时间超过480iLs以上的，总线上所有的器件将复位。命令序列初始化-ROM命令跟随着需要交换的数据一功能命令跟随着需要交换的数据。访问DSl8820必须严格遵守这一命令序列。初始化：DSl8820所有的数据交换都由一
32、个初始化序列开始，由主机发出的复位脉冲和DSl8820发出的应答脉冲构成。当DSl8820发出应答脉冲时，即已处在总线上并且准备工作。ROM命令：ROM命令通过器件的64一bit ROM码使主机指定某一特定器件(如有多个器件挂在总线上)与之进行通信。DSl8820的ROM如表3-1所示，每个ROM命令都是8 bit长。袁3-1 DSl8820 ROM 94“Table31 ROM Orders ofthe DSl8820此命令发出后1-Wire命令 描述 协议总线上的活动识别总线上挂着的所有DSl8820的 所有DSl8820向主机S队RCH R叫F0hRoM码 传送RoM码当只有一个DSl8
33、820挂在总线上READ ROM33h DSl8820向主机传送ROll码时，可用此命令来读取ROM码主机用ROM码来指定某一DSl8820，姒T叫RoM55h 主机向总线传送一个ROM码只有匹配的Dsl8820才会响应SKIP ROM 用于指定总线上所有的器件 CCh 无与sEARcH R叫命令类似，但只有温 超出警报线的DSl8820IRM SEARCH ECh度超出警报线的DS培B20才会响应 向主机传送ROM码9塑茎互奎兰堡主兰垡堡苎功能命令：主机通过功能命令对DSl8820进行读写Scratchpad存储器，或者启动温度转换。DSl8820的功能命令如表32所示。袁3-2 DSISB
34、20功能命令T曲le3-2 Function Orders of the DSl8820此命令发出后1-Wire命令 描述 协议总线上的活动温度转换命令DSl8820向主机传送转换状态(寄生电源Convert T 开始温度转换 44h 不适用)存储器命令Read读暂存器完整的数据 BEh DSl8820向主机传送Scratchpad 总共9字节的数据Wrire 向暂存器的2、3和4字节写入数4Eh 主机向DSl8820传送Scratchpad 据(h TL和精度) 3个字节的数据Copy 将k TL和配置寄存器的数据复制48h 无Scratchpad 到EEPR例将k TL和配置寄存器的数据从
35、Recall酽B8h DSl8820向主机传送调用状态EEPROM中调到暂存器中Read Power向主机示意电源供电状态 B4h Dsl8820向主机传送供电状态SupplyDSl8820的信号方式DSl8820采用严格的单总线通信协议，以保证数据的完整性。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1。除应答脉冲外，所有这些信号都由主机发出同步信号。总线上传输的所有数据和命令都是以字节的低位在前。初始化波形如图33所示。主机发复位脉冲 主机接收存在脉冲E：篡三秒： DSISB20发I卜：2微秒I脉0蓥秒总线l f I图3-3初始化脉冲Fig3-3 Initializa
36、tion Thning在写时隙期间，主机向DSl8820写入数据；而在读时隙期间，主机读入来自DSl8820的数据。在每一个时隙，总线只能传输一位数据。读写时隙如图3-4所示。内蒙古人学硕士学位论文嚣警嚣慧”STERW翔1t“1”SLor一1|。1k一舢hV120，I叫k一，1|m r pI。吲鬻细一。l l。嘲韶8一”。l，s一|+，”一30lI一 ，啊I+lev-,一鼬_叫一船TER REo。O”StOt WTERRED。“SLOT-4 一1pTwm瞄 蕊蕊蕊黼1 les-41铀h一蛳一 对一岫图34 DSlgB20读写时隙图Fig3-4 ReadWrite Timing Figure32
37、2 DSl8820温度测量DSl8820加电后，处在空闲状态。处理器向其发出Convert T44h命令，启动温度测量和模数转换；转换完成后，DSl8820回到空闲状态。温度数据是以带符号位的16-bit补码存储在温度寄存器中。处理器发出读温度命令，在读时隙读出系统温度，实现对温度的测量。系统采用3个DSl8820进行测温。33系统湿度测量湿度信号使用具有无需校准的完全互换性、高可靠性、长期稳定性、响应时间快特性的HSll01电容传感器构成的频率输出电路进行测量。331 HSll01简介HSll01湿度传感器等效于一个电容单元，其系统参数特性如下：测量范围为399RH；电源电压DC 5V(mx
38、 7V)；等效电容175185pE(544RH，IOKHz)；恢复时间lOs(在lOoRH中存放150h后)；湿度迟滞15RH；稳定期05RHyr；响应时间lOs(3376RH，流速ImSec)；线性度1PII(1097RH，曲线拟合线性度)-3RH(1097RH，直线拟合线性度)。其工作的温、湿度范围如图3-5所示。湿度电容转换曲线如图36所示。11内蒙古J一一l薹凳蓝25O棚-20 O 20 40 60铷100壤度PC图3-5 HSll01湿敏电容工作的温湿度范固Fi934 Operating Range332 HSll01测量湿度相对湿度版图3-6ISll01温度一电容响应曲线Fig36
39、TypicalResponseCurveofHSll011nHumidlYHSll01电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常用两种方法：一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再AD转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号。本系统采用555定时器搭建频率发生电路。333多项式插值HSll01搭建频率发生电路来测量系统湿度，湿度与频率的典型值如表33所示。表3-3湿度与频率的典型值(25)湿度
40、(RH) 频率(Hz) 湿度(RH) 频率(14z) 湿度(RH) 频率(Hz)0 7351 40 6853 80 633010 7224 50 6728 90 618620 7loo 60 6600 100 603330 6976 70 6468当频率信号进入计算机后，采用多项式插值(内插法)的方式将频率值转换为湿度值。34测量数据的传输系统使用DSl8820进行温度测量，而所有卜Wire总线的基本要求为：微处理器的通信端口必须是双向的，其输出为漏极开路，且线上具有弱上拉；微处理器必须能产生标准速度I-Wire通信所需的精确l u s延时；通信过程不能被中断。而系统为温湿度测量，对系统的测控
41、频率要求不高，因此系统采用AT90S8515单片机接收温、湿度数据，并由RS232口将数据传输到计算机。即采用串行通信方式进行数据传输。341串行数据传输颂一奶饼蜘懈啪m啪m枷螂洋一誊砷掣塑茎直盔兰堡主兰竺堡苎串行通信是指通信的发送方和接收方之间数据信息的传输是在单根数据线上，以每次一个二进制位移动。其优点为只需一对传输线传送信息，因此成本低；其缺点是传送速度低。串行通信有异步通信和同步通信两种基本通信方式。同步通信适用于传送速度高的情况，其硬件复杂；而异步通信应用于传送速度在50到19200波特之间，是比较常用的传送方式。在异步通信中，数据是一帧一帧传送的，每一串行帧的数据格式由一位起始位、
42、58位的数据位、一位奇偶校验位(-省略)和一位停止位四部分组成。在串行通信前，发送方和接收方要约定具体的数据格式和波特率(通信协议)342 AT90S8515简介及其串行通信接口“”AT90S8515是一款基于AVR RISC的低功耗CMOS的8位单片机。其在一个时钟周期内执行一条指令，可取得接近1MIPS删z的性能，从而使设计人员可以在功耗和执行速度之间取得平衡。AVR核将32个工作寄存器和丰富的指令集联结在一起。所有的工作寄存器都与ALU(算术逻辑单元)直接相连，允许在一个时钟周期内执行的单条指令同时访问两个独立的寄存器。这种结构提高了代码效率，使AVR得到了比普通CISC单片机高将近lO
43、倍的性能。AVR单片机的系统结构简图如图3-7所示。兰墁辕入藿出图3-7 AVR单片机系统结构简图Si93-IZ Structure Dmgram ofAVR SinglexhipAT90S8515特点：8K字节FLASH，512字节EEPRoM，512字节SfLAM，32个通用IO口，32个通用工作寄存器，具有比较模式的定时计数器，内外中断源，可编程UART，可编程看门狗定时器，SPI口及两种可选择的省电模式。工作于空闲模式时，CPU停止运行，而寄存器、定时计数器、看门狗和中断系统继续工作；掉电模式时，振荡器停止工作，所有功能都被禁止，而寄存器内容得到保留。只有外部中断或硬件复位才可以退出此
44、状态。AT90S8515具有全双工通用异步收发器，其主要特点为：波特率发生器可以产生大量的波特率(bps)；在低时钟下仍然可以得到高的波特率；8或9位数据；噪声滤波；过速检测；帧错误检测；错误起始位检测；3个独立的中断：发送结束、发送数据寄存器空、接收结束。343 RS232接口特性计算机的RS232接口有9脚和25脚两种标准。表34列出了DB9引脚定义。表3-4 DB9(9脚)RS232引脚定叉内蒙古人学硕士学位论文引脚号 名称 数据方向 定义 引脚号 名称 数据方向 定义1 DCD 输入 载波探测 6 DSR 输入 数据设置就绪2 RD 输入 接收数据 7 隅 输出 请求发送3 TD 输出
45、 发送数据 8 C璐 输入 清空发送4 D1R 输出 数据终止就绪 9 RI 输入 环路指示5 SG 信号接地注：数据方向是以主机端为基准，对象是串行接口设备以目前使用较多的9脚接口为例。通常，数据通信采用3线接法，即2、3、5脚。344 wdL232接口特性MAX232芯片是MAXIM公司生产的低功耗、单电源、双RS232发送接收器。其芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源变换成RS-232C输出电平所需IOV电压，所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的+5V电源就可以35计算机数据处理35I致字滤波为确保系统的可靠运行，对输入的数字数据序列剔除其最大值和最小值后，采用递推
46、平均滤波法进行数据处理。递推平均滤波法：把N个测量数据看成一个队列，队列的长度为N，每进行一次新的测量，就把测量结果放入队尾，而扔掉原来队首的一次数据，并对队列中的N个数据进行平均，平均值即为系统操作数。352多传感器温度数据融合及传惑器故障报警数据融合指模仿人脑的数据综合处理能力，利用计算机技术对按时序获得的多传感器观测信息在一定的准则下予以分析和综合，以完成所需要的决策和估计而进行的信息处理过程。婴儿培养箱温度测量数据融合的目的是依据有限的传感器资源，消除测量中的不确定性，获得比有限个传感器测量信息的算术平均值更准确、更可靠的测量结果。由于采用了数据融合处理，当婴儿培养箱温度测量系统中的某
47、些传感器失效时，系统可以依据其它非失效传感器提供的信息，通过数据融合获得各温区的准确温度。基于相融矩阵的多传感器失效数据剔除三个温度传感器测量同一箱体平面区域温度时，设第i个传感器和第j个传感器所测得的数据为Ti、Ti，计算相融距离测度d。14小卜剥，式中耐为误差碱Q舶的均方差“的值褂，表氟，两个传阵。，。d：；兰8三1。根据多次试验结果，给出有界线值p，根据规则S dde。，5Dd d d p，dd阵D，一l：。 。 。I。根据多次试验结果，给出有界线值p，根据规则一：。，【3l d32 33 J o 4 。得到多传感器数据相融矩阵R，。至兰妻】若岛-。，则认为第t个传感器与第，个传感得到多
48、传感器数据相融矩阵R3。【：乏乏J。若岛。o则认为第个传感器与第个传感多传感器数据融合使用。a，。估计计算最佳融合数据T，T。专兰T,+墨To，其中，L为白Q：Q；36系统控制算法设计婴儿培养箱为双输入双输出系统，因此构建了系统控制方案1；温度、湿度独立控制；考虑到系统的两个输入变量温度i湿度之间存在耦合作用，设计了系统的控制方案2：温度、湿度解耦控制。361方案1：温度、湿度独立控制温度控制算法一模糊PID控制婴儿培养箱要求对温度信号进行高精度控制。因此，利用传统PID控制器在工作点附近的理想线性特性，及模糊控制方法无须建立被控对象的数学模型、在偏离工作点的区域可明显改善控制的动态性能，同时对噪声也有较强的抑制能力，鲁棒性较好的特性，对温度采取Fuzzy控制器与PID控制器并行工作的策略。PID控制器：基于LabVlEW的控制是一种采样控制，它根据采样时刻的偏差值计算控制量。15内蒙古大学硕士学位论文实际的位置式PID控制器的输出为比例作用、积分作用和微分作用之和：嘶咖啡删，其帆咖琏埘啡)I鲁妻【掣】f，“。苦妒巧)一PV_，(k一1)，e似)为偏差，e)lsvAk)一尸巧)，K为控制器增益，正为积分时间，乃为微分时间。在程序中将检测回来的变量值同时赋给两个控制器，并
