基于LabVIEW的嬰兒培養(yǎng)箱溫濕度檢測系統(tǒng)

李 軍，曾志平，張 雯，王耀弘，陳里里

(1.重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074;2.重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院，重慶 401147)

嬰兒培養(yǎng)箱是綜合了臨床醫(yī)學(xué)、機(jī)械、自動控制等學(xué)科先進(jìn)技術(shù)的裝置，它為早產(chǎn)兒或病嬰提供了一個空氣凈化、溫濕度適宜、類似母體子宮的優(yōu)良環(huán)境。它必須是一個能為嬰兒提供溫度恒定、濕度適宜、空氣潔凈、環(huán)境安靜等較理想環(huán)境因素的診療場所［1］，是醫(yī)療機(jī)構(gòu)質(zhì)量控制和計(jì)量部門重點(diǎn)監(jiān)控的檢測項(xiàng)目。

作為評價嬰兒培養(yǎng)箱環(huán)境優(yōu)劣的重要指標(biāo)，溫濕度參數(shù)的檢測是嬰兒培養(yǎng)箱質(zhì)量控制檢測的重要一環(huán)。而目前嬰兒培養(yǎng)箱溫濕度測控系統(tǒng)大多基于智能儀器技術(shù)構(gòu)建，其功能模塊基本以硬件方式實(shí)現(xiàn)。以該方式構(gòu)建的系統(tǒng)存在諸如面板復(fù)雜、不便操作、測試設(shè)備容易受測試環(huán)境影響等問題，從而影響測量精度與準(zhǔn)確度［2－3］。鑒于這些因素，結(jié)合虛擬儀器界面人性化、功能可自定、顯示圖形化等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的嬰兒培養(yǎng)箱溫濕度檢測系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)嬰兒培養(yǎng)箱的技術(shù)以及項(xiàng)目建議書的要求，完成嬰兒培養(yǎng)箱溫濕度各項(xiàng)指標(biāo)的檢測。操作界面采用LabVIEW 2009圖形可視化開發(fā)平臺，具有直觀的用戶操作界面，用戶可根據(jù)界面提示完成相關(guān)操作以及檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理、存儲和結(jié)果輸出等工作。

1.1 溫度設(shè)計(jì)要求

設(shè)備溫度測量范圍:0～50℃;測量溫度最大允許誤差:±0.15℃;測量溫度探頭的相對誤差:≤0.1℃;溫度測量的擴(kuò)展不確定度:＜0.12℃。

1.2 濕度設(shè)計(jì)要求

相對濕度測量范圍:0～100%RH;相對濕度最大允許誤差:±3.0%RH;相對濕度測量的擴(kuò)展不確定度:＜2.0%。

2 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)必須符合嬰兒培養(yǎng)箱安全專用要求等國家標(biāo)準(zhǔn)和醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。在設(shè)計(jì)過程中主要參照了 JJF1260—2010嬰兒培養(yǎng)箱校準(zhǔn)規(guī)范［4］和 GB11243—2008嬰兒培養(yǎng)箱安全專用要求［5］等標(biāo)準(zhǔn)體系，結(jié)合項(xiàng)目研究與開發(fā)任務(wù)要求，完成檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

2.1 溫濕度檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的嬰兒培養(yǎng)箱溫濕度檢測系統(tǒng)硬件主要由溫濕度傳感器、溫濕度變送器、溫濕度數(shù)據(jù)傳輸線路等部分組成。其中溫濕度傳感器采用SHT10數(shù)字溫濕度傳感器，集溫度與濕度采集于一體，相對濕度工作范圍為0～100%RH，溫度工作范圍為－40～+125℃，且滿足設(shè)計(jì)要求［6］。溫濕度變送器采用FLEX 2000溫濕度變送器，精度為±0.3℃，±2%RH。硬件系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 硬件系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸串口轉(zhuǎn)換、程序讀取數(shù)據(jù)等模塊組成。圖1中的RS485－RS232、RS232－USB設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)傳輸串口轉(zhuǎn)換。前端部分與溫濕度傳感器、溫濕度變送器、傳輸串口轉(zhuǎn)換模塊組成系統(tǒng)的檢測部分;后端與計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)讀取與存儲程序、顯示器等部分組成系統(tǒng)的顯示部分。

數(shù)據(jù)的讀取主要由LabVIEW對通過RS485串口轉(zhuǎn)換為RS232串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行編譯讀取。溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過溫濕度變送器的前期處理，采用Modbus傳輸協(xié)議，經(jīng)過RS485串口，再通過RS485轉(zhuǎn)RS232的轉(zhuǎn)換器，最終由LabVIEW 程序讀取并顯示出來［7－9］。

3 軟件設(shè)計(jì)

采用LabVIEW 2009可視化開發(fā)系統(tǒng)，使用圖形編輯器產(chǎn)生最優(yōu)化編輯代碼，利用應(yīng)用程序生成器產(chǎn)生一個虛擬儀器，生成直觀的用戶界面，且所采集的信號具有多種顯示模式［10］。本系統(tǒng)用戶界面包括溫、濕度數(shù)據(jù)以及溫、濕度的變化曲線，且將采集的溫、濕度數(shù)據(jù)輸出并保存，同時對測量得到的溫、濕度參數(shù)進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算以驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性與檢測精度。圖2為基于Lab-VIEW軟件開發(fā)平臺設(shè)計(jì)的嬰兒培養(yǎng)箱的軟件系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。

圖2 軟件系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

通信與數(shù)據(jù)采集是實(shí)現(xiàn)溫濕度測試的重要組成部分，它包括:系統(tǒng)總線初始化模塊、虛擬儀器測試參數(shù)設(shè)置模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。在LabVIEW開發(fā)平臺上，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理子程序、溫濕度顯示子程序可輸出系統(tǒng)實(shí)時采集的溫濕度信號，同時實(shí)時輸出溫度、濕度的變化曲線［10－11］。程序框圖與顯示面板設(shè)計(jì)見圖3～5。

圖3 系統(tǒng)程序框圖(1)

圖4 系統(tǒng)程序框圖(2)

圖5 系統(tǒng)顯示面板

圖3主要實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)串口的配置以及對寄存器數(shù)據(jù)的讀取;圖4主要對寄存器讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲。

本系統(tǒng)只涉及對嬰兒培養(yǎng)箱環(huán)境的檢測，而未涉及對環(huán)境參數(shù)的控制，故在顯示面板設(shè)計(jì)方面只考慮了溫濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示與變化曲線的顯示。另外，由于FLEX2000除了具有測量溫濕度的功能以外，還具有測量露點(diǎn)的功能，所以在顯示面板的設(shè)計(jì)中增加了對露點(diǎn)的顯示。

4 系統(tǒng)檢驗(yàn)測試與調(diào)試

根據(jù)項(xiàng)目建議書的要求，系統(tǒng)進(jìn)行如下參數(shù)的測定，并根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行調(diào)試:

1)測量溫度最大誤差;

2)測量溫度探頭的相對誤差;

3)溫度測量的擴(kuò)展不確定度;

4)相對濕度最大誤差;

5)相對濕度測量的擴(kuò)展不確定度。

本系統(tǒng)在檢驗(yàn)測試過程中對在多個溫度和濕度下的性能進(jìn)行了組合測量，每一組合測量10組數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)測量過程中，每隔1 min讀取一次儀器標(biāo)準(zhǔn)值，且與系統(tǒng)測量值進(jìn)行比較。由于數(shù)據(jù)繁多，組合測量得到的數(shù)據(jù)未逐一列于本文中。表1為在重慶市質(zhì)量計(jì)量檢測研究院溫濕度標(biāo)準(zhǔn)檢測設(shè)備上進(jìn)行系統(tǒng)性能測試得到的其中一組數(shù)據(jù)。

表1 系統(tǒng)檢驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

由測量的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出項(xiàng)目建議書中所要求的相關(guān)性能參數(shù):

1)測量溫度最大誤差(±0.15℃)

各組數(shù)據(jù)的測量溫度誤差分別如下:

由此可以看出:各組測量數(shù)據(jù)均超出了規(guī)定的最大誤差，因此在后期程序的調(diào)試中需對溫度進(jìn)行－0.80℃的補(bǔ)償。調(diào)試后所產(chǎn)生的最大誤差為－0.08℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

2)測量溫度探頭的相對誤差(≤0.1℃)

在對系統(tǒng)進(jìn)行－0.08℃的溫度補(bǔ)償之后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測試表明:測量溫度探頭的相對誤差為0.08℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

3)溫度測量的擴(kuò)展不確定度［1］(＜0.12℃)

其中:uc為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度;k為B類方式評估系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明:溫度測量的擴(kuò)展不確定度滿足設(shè)計(jì)要求。

4)相對濕度最大誤差(±3.0%RH)

各組數(shù)據(jù)的相對濕度誤差分別為 +0.01，+0.02， +0.28， +0.25， +0.24， +0.26，+0.20，－0.17，－0.04，+0.06

由以上數(shù)據(jù)可以看出:相對濕度誤差均滿足誤差要求。

5)相對濕度測量的擴(kuò)展不確定度(＜2.0%)

對于本文采用的靈敏度較高的SHT 10數(shù)字溫濕度傳感器，可以依據(jù)貝塞爾公式(標(biāo)準(zhǔn)偏差σ的常用估計(jì)公式)計(jì)算濕度計(jì)的測量不確定度［12］:其中:n為測量數(shù)據(jù)的組數(shù);xi為第i個數(shù)據(jù)值;ˉx為所測量數(shù)據(jù)的平均值。計(jì)算結(jié)果表明:濕度測量的擴(kuò)展不確定度滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

本文利用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合嬰兒培養(yǎng)箱環(huán)境檢測的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了工作可靠性高、操作簡便的嬰兒培養(yǎng)箱溫濕度檢測系統(tǒng)及裝置。該系統(tǒng)包含溫濕度數(shù)據(jù)采集與處理、溫濕度與變化曲線的實(shí)時顯示、數(shù)據(jù)存儲與回讀等模塊，并借助重慶市質(zhì)量計(jì)量檢測研究院溫濕度標(biāo)準(zhǔn)檢測設(shè)備進(jìn)行了系統(tǒng)性能測試。測試結(jié)果表明:系統(tǒng)具有較高的可靠性，能以較高精度與準(zhǔn)確度完成嬰兒培養(yǎng)箱溫濕度的檢測。同時，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與調(diào)試測試過程對基于虛擬儀器開發(fā)平臺的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

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