具有在線監(jiān)控功能的智能計(jì)量?jī)x器技術(shù)分析

蔡敏

（金鳳科技投資集團(tuán),天津，300384）

1 硬件模塊設(shè)計(jì)

主控板CPU的型號(hào)是TA89C52，還需要配備作為輸入設(shè)備使用的輸入按鈕，鍵盤以及使用溫濕度傳感器。針對(duì)輸出系統(tǒng)則要使用循環(huán)風(fēng)機(jī)，排氣風(fēng)扇，報(bào)警系統(tǒng)等硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)。硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是為了實(shí)現(xiàn)基本的溫濕度參數(shù)顯示功能，進(jìn)行聲光預(yù)警，鍵盤輸入設(shè)置，A/D轉(zhuǎn)換等功能。溫度檢測(cè)的技術(shù)參數(shù)范圍應(yīng)處于零下十度至85度之間。在進(jìn)行溫度檢測(cè)的時(shí)候要保持精度在0.5度上下。在進(jìn)行濕度檢測(cè)的時(shí)候整體的模擬輸出電壓信號(hào)在0～3V之間。整體的濕度檢測(cè)范圍需要在10%～95%之間。利用三維液晶實(shí)現(xiàn)濕度顯示且輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)為單總線。

1.1 整體構(gòu)成

主要構(gòu)成為一個(gè)聚合體電容式濕敏元件、1個(gè)能隙式材料溫敏元件.1個(gè)數(shù)字接口以及A/D轉(zhuǎn)化區(qū)。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在多個(gè)環(huán)境下進(jìn)行環(huán)境的溫濕度監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)一鍵中央集控，在實(shí)際中使用的單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)量可能要比之前的人工數(shù)量還要大。型號(hào)為STC89C52的單片機(jī)在進(jìn)行編程之后具有性能高效，能耗低的特點(diǎn)主要的元件構(gòu)成包括定時(shí)器，8k字節(jié)閃存和512字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)等同時(shí)還配備有外部中斷系統(tǒng)且支持省電運(yùn)營(yíng)。整個(gè)系統(tǒng)在工作時(shí)的電壓在5.5V～3.3V之間。為了節(jié)約成本也可選擇3V的單片機(jī)，此時(shí)的設(shè)備工作頻率大概在48MHz左右。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的無線傳輸模塊可以使用3.3V供電的方法，并為了提升整個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值，保證兩個(gè)模塊之間的穩(wěn)定性可以將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為電路。系統(tǒng)采用Labview作為上位機(jī)開發(fā)軟件，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中系統(tǒng)內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù),在經(jīng)過系統(tǒng)的無線傳輸模塊傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi),經(jīng)STM32F103RBT6單片機(jī)解析之后,就可以通過串口形式將STM32F103RBT6單片機(jī)數(shù)據(jù)傳送給PC上位機(jī)。濕度采集模塊采用了CHTM-02NA型濕度傳感器，模擬電壓信號(hào)通過單片機(jī)的PCI.口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

具體硬件模塊設(shè)計(jì)參數(shù)要求詳見下表1。

表1 性能參數(shù)

1.2 液晶顯示屏設(shè)置

顯示屏設(shè)定為L(zhǎng)ED，這樣就能保證系統(tǒng)的耗電量處于一個(gè)合理的范圍，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的效果且LED顯示屏的使用壽命以及穩(wěn)定性都要明顯優(yōu)于其他類型的顯示器。在進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示模式上則采用BCD編碼模式，保證輸出結(jié)果的精確程度的同時(shí)性價(jià)比和對(duì)操作實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求也明顯優(yōu)于同類別的顯示器，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的統(tǒng)一。RT12864M漢字圖形點(diǎn)陣是單片機(jī)溫室溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的液晶顯示模塊，利用這個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)漢字和圖形的顯示。該點(diǎn)陣內(nèi)置了64x256點(diǎn)陣顯示RAM(GDRAM)、128個(gè)字符(8X 16點(diǎn)陣)、8192個(gè)中文漢字(16x16點(diǎn)陣)可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)展示當(dāng)下的溫濕度情況，也可以展示預(yù)設(shè)好的溫濕度情況直觀的表現(xiàn)結(jié)果的真實(shí)現(xiàn)狀。

1.3 硬件上位機(jī)部件選擇

選擇Labview作為上位機(jī)的應(yīng)用軟件。系統(tǒng)內(nèi)采集收集道德溫濕度數(shù)據(jù)主要是經(jīng)過系統(tǒng)的無線傳輸模塊利用STM32F103RBT6單片機(jī)進(jìn)行分析解讀，通過串口的形式得以將STM32F103RBT6單片機(jī)的數(shù)據(jù)順利傳輸。

1.4 硬件系統(tǒng)內(nèi)部的其他輔助線路

拿測(cè)量溫室內(nèi)部CO2濃度的需要進(jìn)行舉例說明，針對(duì)這一項(xiàng)目的數(shù)據(jù)采集可以選取測(cè)量范圍在350ppm至1000ppm之間的MG811型傳感器。這種類型的傳感器輸出的模擬電壓大概在30mV至50mV之間。外部的電壓會(huì)給兩端的加熱元件進(jìn)行加熱，當(dāng)元件的表面溫度能夠達(dá)到需要溫度的時(shí)候，MG811元件可以被視作一個(gè)電池他的兩端會(huì)輸出電壓信號(hào)，可以依據(jù)電壓信號(hào)的數(shù)值變化表示具體的CO2濃度變化。如果想測(cè)量日照程度則可以使用光電池，光電池作為依靠光輻射作用特質(zhì)而成的光能轉(zhuǎn)化為電能的元件，可以根據(jù)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的程度來進(jìn)行日照程度檢測(cè)。對(duì)欠缺日照時(shí)長(zhǎng)的植物可以利用LED燈有針對(duì)性的對(duì)植物進(jìn)行補(bǔ)光照射，為了方便有計(jì)劃的結(jié)合不同種類的植物的生長(zhǎng)習(xí)性進(jìn)行具體的光照調(diào)節(jié)，應(yīng)該在日后的采集系統(tǒng)中開發(fā)光譜可調(diào)節(jié)的光照控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)相關(guān)的基于Internct 的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集才能實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程控制、傳輸數(shù)據(jù)文件、自動(dòng)發(fā)送Email 等功能。這就和和PC機(jī)接入Intenet 一樣，嵌入式系統(tǒng)接入Intemet 最后一定會(huì)通過TCP/IP接入相關(guān)線路。嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息處理是會(huì)進(jìn)行TCP/IP協(xié)議處理的這樣會(huì)使其變成可以在Intemet上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。運(yùn)算速度等尤其是運(yùn)算速度要快速誤差小，速率的一定性還能得到保證的要求比較高。在嵌入式系統(tǒng)中，可以使用TCP/IP等的Internet 協(xié)議將占用大量系統(tǒng)資源，這會(huì)直接影響本來的功能或根本直接導(dǎo)致無法運(yùn)行。當(dāng)下相關(guān)于嵌入式以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案多數(shù)是選用單片機(jī)，他的成本造價(jià)高且運(yùn)算速率并不符合經(jīng)濟(jì)效益需要。而LPC2114微處理器作為一種特殊的嵌入式微處理器他擁有可以更快的處理數(shù)據(jù)提高整體系統(tǒng)的運(yùn)行的速度，而在處理影音信號(hào)方面也有很大的優(yōu)勢(shì)。在嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中使用LPC2114微處理器，推進(jìn)了內(nèi)容擴(kuò)充速率和因特網(wǎng)的運(yùn)行速度。達(dá)到如虎添翼的效果。

對(duì)代碼規(guī)模有精準(zhǔn)的控制的應(yīng)用可應(yīng)用16位Thumb模式將代碼大小降低多過30%，相對(duì)應(yīng)的性能損耗較少。這樣就能夠帶來更好的用戶體驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)效益。由于LPC2114/2124極小的64腳封裝、和他本身極低的功能消耗、4路10位ADC、PWM輸出、46個(gè)GPIO以及數(shù)量多達(dá)9個(gè)的外部中斷讓它們特別適用于工廠機(jī)器、醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的訪問控制和電子收款機(jī)(POS)中進(jìn)行現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。又因?yàn)閮?nèi)置了寬范圍的串行通信接口也同樣符合通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟件調(diào)制解調(diào)器以及除此之外更多不同的應(yīng)用設(shè)計(jì)。基于LPC2114微處理器的嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用很有必要也能夠起到很大的作用。LPC2114微處理器本身就是具有運(yùn)算速率快，運(yùn)算穩(wěn)定等適合于解決嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難題的各種對(duì)應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。而且他本身耗能小已經(jīng)相應(yīng)的被應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)中的各種pos機(jī)當(dāng)中了，已經(jīng)是一種可以算得上是成熟的技術(shù)了。

CFD技術(shù)就是一種依靠計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算以及圖像顯示進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的流動(dòng)以及傳熱的物理現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)的分析討論?；驹砭褪且罁?jù)具體環(huán)境中的流體流動(dòng)情況以及傳熱現(xiàn)象進(jìn)行合理的模型選擇。一般會(huì)用到的流動(dòng)基本方程有質(zhì)量守恒方程，能量守恒方程以及動(dòng)量守恒方程式。

LPC2114是一個(gè)在支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S 的CPU的基礎(chǔ)之上，并附帶有128/256 k字節(jié)(KB)嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和他所特有的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠始終在最高的時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有精準(zhǔn)的控制的應(yīng)用可應(yīng)用16位Thumb模式將代碼大小降低多過30%，相對(duì)應(yīng)的性能損耗較少。這樣就能夠帶來更好的用戶體驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)效益。由于LPC2114/2124極小的64腳封裝、和他本身極低的功能消耗、4路10位ADC、PWM輸出、46個(gè)GPIO以及數(shù)量多達(dá)9個(gè)的外部中斷讓它們特別適用于溫控設(shè)備、醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的訪問控制和電子收款機(jī)(POS)中進(jìn)行現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。又因?yàn)閮?nèi)置了寬范圍的串行通信接口也同樣符合通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟件調(diào)制解調(diào)器以及除此之外更多不同的應(yīng)用設(shè)計(jì)。在使用CFD進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的時(shí)候主要步驟是首先要做的是簡(jiǎn)化實(shí)際問題，明確解決問題的實(shí)際需要，去除不必要的計(jì)算，進(jìn)而建立起可以反應(yīng)本質(zhì)問題的求解模型。然后準(zhǔn)備好各個(gè)變量之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，直觀展示各個(gè)變量的微分方程以及對(duì)應(yīng)的求解條件。適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行難點(diǎn)拆分對(duì)數(shù)據(jù)求解的需要進(jìn)行合理的拆分離散使得難以求解的微積分方程都變成了容易求解的數(shù)學(xué)公式可以在更便捷快速的過程中獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將溫度預(yù)設(shè)在十五攝氏度至三十?dāng)z氏度之間，濕度則預(yù)設(shè)在百分之三十至百分之五十之間。設(shè)置好禁止外部中斷的模式，并開啟外部事件計(jì)數(shù)器。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)利用溫度脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。利用軟件延時(shí)的方式方法來實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔，系統(tǒng)照常會(huì)因?yàn)闇貪穸瘸^測(cè)量范圍內(nèi)數(shù)值而發(fā)生系統(tǒng)中斷的現(xiàn)象。根據(jù)仿真訓(xùn)練的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，將溫度合理的控制在20攝氏度左右，整個(gè)溫度，濕度數(shù)據(jù)采集模塊正常工作且結(jié)果顯示正常。當(dāng)溫度升到32攝氏度的時(shí)候，傳感器LED——Green 二極管發(fā)亮提醒溫度傳感器已經(jīng)向單片機(jī)傳遞數(shù)據(jù)結(jié)果。CFD氣流組織建模、CFD模型分析、溫室氣流組織物理層改造等技術(shù)手段。優(yōu)化溫室氣流組織環(huán)境布局，提升溫室環(huán)境溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)效率。從而起到整體PUE能耗的有效降低作用。要對(duì)溫室溫濕度檢測(cè)管理進(jìn)行數(shù)據(jù)建模不僅需要CFD模型還是需要其他的工具對(duì)溫室的環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬。FLUENT的用戶界面清晰操作項(xiàng)目簡(jiǎn)單明確，計(jì)算算法覆蓋范圍廣闊，功能模塊涉獵的范圍廣泛可以適用于數(shù)據(jù)溫室溫濕度檢測(cè)現(xiàn)實(shí)情況的復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算分析之中。

Fhuent可以通過計(jì)算模擬密閉的溫室內(nèi)部不同植物生長(zhǎng)需要的溫濕度實(shí)際情況檢測(cè)其作用于溫室的溫濕度檢測(cè)管理數(shù)據(jù)。由于自然因素作用于溫室設(shè)備內(nèi)部的效果不明顯所以暫且不予考慮，根據(jù)溫室內(nèi)部的植物的整體排布情況來進(jìn)行模擬分析制單片機(jī)的溫室溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的輸出功率大小，安放位置，型號(hào)大小選擇等問題。

4 結(jié)語(yǔ)

將顯示屏設(shè)定為L(zhǎng)ED，這樣就能保證系統(tǒng)的耗電量處于一個(gè)合理的范圍，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的效果且LED顯示屏的使用壽命以及穩(wěn)定性都要明顯優(yōu)于其他類型的顯示器。在進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示模式上則采用BCD編碼模式，保證輸出結(jié)果的精確程度的同時(shí)性價(jià)比和對(duì)操作實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求也明顯優(yōu)于同類別的顯示器，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的統(tǒng)一?？茖W(xué)利用智能計(jì)量?jī)x器的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，保證生產(chǎn)安全的同時(shí)還能優(yōu)化生產(chǎn)條件。期待在未來能有更好的發(fā)展。