基于虛擬儀器的電飯鍋能效自動(dòng)檢測系統(tǒng)

吳黎明石艷軍姜華張震坤

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院 2.廣東檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心）

基于虛擬儀器的電飯鍋能效自動(dòng)檢測系統(tǒng)

吳黎明1石艷軍1姜華2張震坤2

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院 2.廣東檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心）

針對(duì)電飯鍋能效檢測存在的缺陷，提出使用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建其能效自動(dòng)檢測系統(tǒng)。闡述了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，建立了以熱電偶、MAX6675、HIOKI3332、單片機(jī)等為核心的底層硬件系統(tǒng)；采用LabVIEW語言設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件，利用數(shù)據(jù)庫訪問工具包LabSQL，完成了實(shí)時(shí)測試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，最后通過遠(yuǎn)程面板調(diào)用實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)檢測過程的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

電飯鍋能效；自動(dòng)檢測；虛擬儀器；遠(yuǎn)程監(jiān)控

1 引言

隨著自然資源的日漸枯竭和環(huán)境的不斷惡化，世界各國越來越重視產(chǎn)品的能效性能。然而我國的能效檢測目前還處在一個(gè)起步發(fā)展階段，檢測技術(shù)尚不成熟，主要表現(xiàn)為：自動(dòng)化程度低，導(dǎo)致檢測人員工作量大，工作效率低；能效檢測的溯源性差。除空調(diào)[1]、風(fēng)扇[2]等少數(shù)產(chǎn)品必需自動(dòng)化程度高的成套檢測系統(tǒng)外，極少有關(guān)自動(dòng)能效檢測系統(tǒng)的研究。近年來虛擬儀器技術(shù)的迅速發(fā)展，為能效檢測的自動(dòng)化研究提供了條件。虛擬儀器是一種新型科學(xué)儀器，已經(jīng)成為科學(xué)儀器研究的主要方向[3]。其核心是以計(jì)算機(jī)作為儀器的硬件支撐，充分利用計(jì)算機(jī)獨(dú)具的運(yùn)算、存儲(chǔ)、回放、調(diào)用、顯示以及文件管理等功能，把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能軟件化，使之與PC機(jī)結(jié)合起來融為一體，這樣便構(gòu)成了一臺(tái)從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)儀器相同，同時(shí)又充分享用了PC機(jī)智能資源的全新的儀器系統(tǒng)[4]。本文以電飯鍋為例，介紹一種基于虛擬儀器的自動(dòng)化能效檢測系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

GB 12021.6-2008《自動(dòng)電飯鍋能效限定值及能效等級(jí)》規(guī)定了電飯鍋熱效率、待機(jī)能耗和保溫能耗的試驗(yàn)方法，由試驗(yàn)方法可知，試驗(yàn)需要采集水溫、耗電量、時(shí)間等參數(shù)并完成相應(yīng)的控制功能，故將系統(tǒng)分為溫度采集、電參數(shù)采集、控制器、計(jì)算機(jī)及其軟件等幾個(gè)模塊，測試系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 電飯鍋能效檢測系統(tǒng)框圖

根據(jù)系統(tǒng)要求，溫度采集模塊主要以熱電偶和MAX6675為組成核心；電參數(shù)采集選擇高精度、交流專用的單相電參數(shù)測量儀HIOKI3332；控制器部分采用單片機(jī)AT89C52即可滿足系統(tǒng)的需求；使用LabVIEW語言設(shè)計(jì)虛擬儀器系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控軟件，完成與底層硬件系統(tǒng)的通信、實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能；另外，保溫能耗測定試驗(yàn)規(guī)定，當(dāng)水溫達(dá)到90℃時(shí)應(yīng)強(qiáng)制使器具進(jìn)入保溫狀態(tài)，即需控制待測電飯鍋工作狀態(tài)切換部件，這里選擇電磁鐵構(gòu)成控制部件完成相應(yīng)的功能。

3 硬件設(shè)計(jì)

電參數(shù)采集主要是將測量儀器HIOKI3332引入電路，通過電源的通斷控制其耗電量積分。這里主要介紹溫度采集。測溫元件選用目前溫度測量中使用最普遍的熱電偶[5]，其工作原理是兩種不同成份的導(dǎo)體兩端接合成回路，當(dāng)兩個(gè)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢。熱電動(dòng)勢的大小只與熱電偶導(dǎo)體材質(zhì)以及兩端溫差有關(guān)，與熱電偶導(dǎo)體的長度、直徑無關(guān)。熱電偶具有構(gòu)造簡單、使用方便、承受熱、機(jī)械沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于遠(yuǎn)距離和自動(dòng)控制。

MAX6675[6]是美國MAXIM公司生產(chǎn)的帶有冷端補(bǔ)償、線性校正、熱電偶斷線檢測的串行K型熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部元器件的參數(shù)進(jìn)行了激光修正，從而對(duì)熱電偶的非線性進(jìn)行了內(nèi)部修正，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MAX6675內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3 MAX6675連接示意圖

控制部分選用兩塊AT89C52單片機(jī)，分別稱為主單片機(jī)與從單片機(jī)。主單片機(jī)主要負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集、整個(gè)試驗(yàn)過程的控制以及輸入輸出的人機(jī)交互，還包括報(bào)警、顯示等。從單片機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)時(shí)鐘芯片的控制系統(tǒng)下位機(jī)工作流程如圖4所示。

圖4 下位機(jī)工作流程

4 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序及界面設(shè)計(jì)

該軟件系統(tǒng)[7,8]主要分為兩部分：與溫度采集系統(tǒng)的通信和與電參數(shù)采集系統(tǒng)的通信。其核心在對(duì)溫度采集系統(tǒng)的溫度值和電參數(shù)采集系統(tǒng)的電參數(shù)值的采集、分析、顯示和存儲(chǔ)上。根據(jù)需要，本軟件主要分為如下幾個(gè)模塊：初始化模塊、參數(shù)選擇模塊、測量模塊、顯示和存儲(chǔ)模塊，部分流程圖如圖5所示。

圖5 部分程序圖

軟件的界面如圖6所示，具體使用流程如下所示：① 選擇配置端口，如波特率、端口、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)等；② 其次進(jìn)行參數(shù)設(shè)置完成初始化，如采樣時(shí)間、量程等；③ 發(fā)送啟動(dòng)或結(jié)束命令；④ 接收并分析處理顯示采集的數(shù)據(jù)；⑤ 對(duì)處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行波形顯示；⑥ 根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小，通過存儲(chǔ)模塊進(jìn)行文件或數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)。

圖6 系統(tǒng)主界面

4.2 LabVIEW與數(shù)據(jù)庫的連接

在測試過程中需要將系統(tǒng)產(chǎn)生的檢測結(jié)果保存到數(shù)據(jù)文件中，從而用于研究被測對(duì)象狀態(tài)變化的歷史趨勢，分析其在某些特殊情況的特征。LabVIEW提供了文本、表單、數(shù)據(jù)記錄等多種文件類型。但當(dāng)面對(duì)大量數(shù)據(jù)信息量存儲(chǔ)時(shí)，這些文件系統(tǒng)存在管理效率低、不具備歷史數(shù)據(jù)查詢與分析功能等缺陷，因此有必要連接數(shù)據(jù)庫對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)[9]。本系統(tǒng)利用工具包LabSQL，通過Microsoft ADO和SQL來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。LabSQL是一個(gè)免費(fèi)的、多數(shù)據(jù)庫、跨平臺(tái)的LabVIEW數(shù)據(jù)庫訪問工具包，它支持Windows操作系統(tǒng)中任何基于OBDC的數(shù)據(jù)庫，包括Access、SQL Server、Oracle等。LabSQL的優(yōu)點(diǎn)是易于理解，操作簡單，不熟悉SQL語言的用戶也可以很容易地使用，只需進(jìn)行簡單的編程，就可在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的訪問。它還有一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)就是源代碼開發(fā)，而且完全免費(fèi)。有關(guān)數(shù)據(jù)庫訪問的部分原程序如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)庫訪問部分程序

4.3 LabVIEW遠(yuǎn)程監(jiān)控

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，虛擬儀器與Internet技術(shù)的結(jié)合為虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化、工業(yè)現(xiàn)場遠(yuǎn)程測控提供了更好的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。針對(duì)不同的應(yīng)用和不同的層次，LabVIEW提供了多種網(wǎng)絡(luò)通信方式供用戶靈活選擇，包括共享變量、DataSocket、TCP/IP、遠(yuǎn)程面板調(diào)用等[10]。共享變量使用簡單方便，用戶不用了解任何網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，不需編程即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換，而且可以用來與OPC Server連接，并富含了很多其他工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)所需要的屬性功能，例如報(bào)警、存儲(chǔ)和用戶權(quán)限管理等，故廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)中；基于DataSocket技術(shù)的遠(yuǎn)程測控方案，定義了一個(gè)測控?cái)?shù)據(jù)傳輸協(xié)議，從而利用這種方法達(dá)到很高的數(shù)據(jù)傳輸效率，實(shí)時(shí)性能相當(dāng)好；TCP與UDP的網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用于需要LabVIEW與其他編程語言編寫的程序進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信；而基于遠(yuǎn)程面板調(diào)用的通信方式則是直接將本地的VI程序面板“搬”到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上進(jìn)行瀏覽或操作。幾種網(wǎng)絡(luò)通信方式的特性如表1所示。

表1 LabVIEW中各種網(wǎng)絡(luò)通信方式比較

基于共享變量與DataSocket的通信方式的缺點(diǎn)是只能實(shí)現(xiàn)C/S模式而不能實(shí)現(xiàn)B/S模式，客戶端控制功能太弱，尚有待加強(qiáng)；基于TCP與UDP的網(wǎng)絡(luò)通信需要同時(shí)開發(fā)服務(wù)器端程序和客戶端程序，編程復(fù)雜，用戶需要考慮如何建立連接、分配端口號(hào)、地址轉(zhuǎn)換等。比較幾種網(wǎng)絡(luò)編程的特性，結(jié)合遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)際需要，該系統(tǒng)選擇“遠(yuǎn)程面板調(diào)用”通信方式，其連接示意圖如圖8所示。

圖8 遠(yuǎn)程面板連接示意圖

5 結(jié)束語

本文研制了一套基于虛擬儀器的電飯鍋能效自動(dòng)檢測系統(tǒng)，通過搭建以熱電偶、MAX6675、HIOKI3332、單片機(jī)為核心的底層硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了檢測過程的自動(dòng)化；利用LabVIEW語言建立系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件，解決了可溯源性差的缺陷。該系統(tǒng)已應(yīng)用于電飯鍋能效檢測，效果良好，而且由于所有的能效檢測有一個(gè)共性，即都需測量耗電量，該系統(tǒng)可借鑒用于開發(fā)其他產(chǎn)品的自動(dòng)檢測系統(tǒng)，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

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[5] 吳強(qiáng).基于LabVIEW的遠(yuǎn)程多路測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].上海:華東師范大學(xué),2008.

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[7] Shi Yanjun，Wu Liming，Jiang Hua，Zhang Zhenkun．A System of Multiparameter Data Acquisition about Wattmeter Based on LabVIEW[C] ．2010 WASE International Conference on Information Engineering，2010,2:91-93.

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吳黎明，男，1962年生，教授，碩導(dǎo)，主要從事精密儀器及機(jī)械、嵌入式系統(tǒng)研究等。

石艷軍，男，1983年生，在讀碩士研究生，研究方向：虛擬儀器，測試測量及其自動(dòng)化。

The Automatic Energy Efficiency Inspection System of Cooker Based on Virtual Instrument

Wu Liming1Shi Yanjun1Jiang Hua2Zhang Zhenkun2
(1.Information Engineering Department，Guangdong University of Technology 2.Guangdong Inspection and Quarantine Technology Center)

According to the weakness of energy efficiency inspection, virtual instrument is used to construct an automatic test system of cooker. The system design program and hardware system are introduced, which is composed of thermocouple, MAX6675 HIOKI3332 and singlechip. The LabVIEW is adopted to design monitor software of virtual instrument system. The real-time test data are stored through database access toolkit LabSQL. The remote panel is useed to realize remote monitoring of real-time test process.

Energy Efficiency of Cooker; Automatic Inspection; Virtual Instrument; Remote Monitoring