基于虛擬儀器的電飯鍋能效自動檢測系統

吳黎明石艷軍姜華張震坤

（1.廣東工業大學 信息工程學院 2.廣東檢驗檢疫技術中心）

基于虛擬儀器的電飯鍋能效自動檢測系統

吳黎明1石艷軍1姜華2張震坤2

（1.廣東工業大學 信息工程學院 2.廣東檢驗檢疫技術中心）

針對電飯鍋能效檢測存在的缺陷，提出使用虛擬儀器技術構建其能效自動檢測系統。闡述了系統總體設計方案，建立了以熱電偶、MAX6675、HIOKI3332、單片機等為核心的底層硬件系統；采用LabVIEW語言設計了上位機軟件，利用數據庫訪問工具包LabSQL，完成了實時測試數據的存儲，最后通過遠程面板調用實現了系統檢測過程的實時遠程監控。

電飯鍋能效；自動檢測；虛擬儀器；遠程監控

1 引言

隨著自然資源的日漸枯竭和環境的不斷惡化，世界各國越來越重視產品的能效性能。然而我國的能效檢測目前還處在一個起步發展階段，檢測技術尚不成熟，主要表現為：自動化程度低，導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[1]、風扇[2]等少數產品必需自動化程度高的成套檢測系統外，極少有關自動能效檢測系統的研究。近年來虛擬儀器技術的迅速發展，為能效檢測的自動化研究提供了條件。虛擬儀器是一種新型科學儀器，已經成為科學儀器研究的主要方向[3]。其核心是以計算機作為儀器的硬件支撐，充分利用計算機獨具的運算、存儲、回放、調用、顯示以及文件管理等功能，把傳統儀器的專業化功能軟件化，使之與PC機結合起來融為一體，這樣便構成了一臺從外觀到功能都完全與傳統儀器相同，同時又充分享用了PC機智能資源的全新的儀器系統[4]。本文以電飯鍋為例，介紹一種基于虛擬儀器的自動化能效檢測系統。

2 系統總體設計方案

GB 12021.6-2008《自動電飯鍋能效限定值及能效等級》規定了電飯鍋熱效率、待機能耗和保溫能耗的試驗方法，由試驗方法可知，試驗需要采集水溫、耗電量、時間等參數并完成相應的控制功能，故將系統分為溫度采集、電參數采集、控制器、計算機及其軟件等幾個模塊，測試系統框圖如圖1所示。

圖1 電飯鍋能效檢測系統框圖

根據系統要求，溫度采集模塊主要以熱電偶和MAX6675為組成核心；電參數采集選擇高精度、交流專用的單相電參數測量儀HIOKI3332；控制器部分采用單片機AT89C52即可滿足系統的需求；使用LabVIEW語言設計虛擬儀器系統的上位機監控軟件，完成與底層硬件系統的通信、實時采集數據的存儲及遠程監控等功能；另外，保溫能耗測定試驗規定，當水溫達到90℃時應強制使器具進入保溫狀態，即需控制待測電飯鍋工作狀態切換部件，這里選擇電磁鐵構成控制部件完成相應的功能。

3 硬件設計

電參數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體兩端接合成回路，當兩個接合點的溫度不同時，在回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢。熱電動勢的大小只與熱電偶導體材質以及兩端溫差有關，與熱電偶導體的長度、直徑無關。熱電偶具有構造簡單、使用方便、承受熱、機械沖擊能力強等特點，適用于遠距離和自動控制。

MAX6675[6]是美國MAXIM公司生產的帶有冷端補償、線性校正、熱電偶斷線檢測的串行K型熱電偶模數轉換器，其內部元器件的參數進行了激光修正，從而對熱電偶的非線性進行了內部修正，其內部結構如圖2所示。

圖2 MAX6675內部結構圖

圖3 MAX6675連接示意圖

控制部分選用兩塊AT89C52單片機，分別稱為主單片機與從單片機。主單片機主要負責溫度數據的采集、整個試驗過程的控制以及輸入輸出的人機交互，還包括報警、顯示等。從單片機主要負責對時鐘芯片的控制系統下位機工作流程如圖4所示。

圖4 下位機工作流程

4 上位機監控軟件設計

4.1 主程序及界面設計

該軟件系統[7,8]主要分為兩部分：與溫度采集系統的通信和與電參數采集系統的通信。其核心在對溫度采集系統的溫度值和電參數采集系統的電參數值的采集、分析、顯示和存儲上。根據需要，本軟件主要分為如下幾個模塊：初始化模塊、參數選擇模塊、測量模塊、顯示和存儲模塊，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、數據位、奇偶校驗等；② 其次進行參數設置完成初始化，如采樣時間、量程等；③ 發送啟動或結束命令；④ 接收并分析處理顯示采集的數據；⑤ 對處理過的數據進行波形顯示；⑥ 根據數據量的大小，通過存儲模塊進行文件或數據庫的存儲。

圖6 系統主界面

4.2 LabVIEW與數據庫的連接

在測試過程中需要將系統產生的檢測結果保存到數據文件中，從而用于研究被測對象狀態變化的歷史趨勢，分析其在某些特殊情況的特征。LabVIEW提供了文本、表單、數據記錄等多種文件類型。但當面對大量數據信息量存儲時，這些文件系統存在管理效率低、不具備歷史數據查詢與分析功能等缺陷，因此有必要連接數據庫對相關數據信息進行存儲[9]。本系統利用工具包LabSQL，通過Microsoft ADO和SQL來實現數據交互。LabSQL是一個免費的、多數據庫、跨平臺的LabVIEW數據庫訪問工具包，它支持Windows操作系統中任何基于OBDC的數據庫，包括Access、SQL Server、Oracle等。LabSQL的優點是易于理解，操作簡單，不熟悉SQL語言的用戶也可以很容易地使用，只需進行簡單的編程，就可在LabVIEW中實現數據庫的訪問。它還有一個最大的優點就是源代碼開發，而且完全免費。有關數據庫訪問的部分原程序如圖7所示。

圖7 數據庫訪問部分程序

4.3 LabVIEW遠程監控

隨著計算機網絡的發展，虛擬儀器與Internet技術的結合為虛擬儀器網絡化、工業現場遠程測控提供了更好的實現平臺。針對不同的應用和不同的層次，LabVIEW提供了多種網絡通信方式供用戶靈活選擇，包括共享變量、DataSocket、TCP/IP、遠程面板調用等[10]。共享變量使用簡單方便，用戶不用了解任何網絡協議，不需編程即可實現網絡交換，而且可以用來與OPC Server連接，并富含了很多其他工業監控系統所需要的屬性功能，例如報警、存儲和用戶權限管理等，故廣泛應用于實時系統中；基于DataSocket技術的遠程測控方案，定義了一個測控數據傳輸協議，從而利用這種方法達到很高的數據傳輸效率，實時性能相當好；TCP與UDP的網絡通信應用于需要LabVIEW與其他編程語言編寫的程序進行網絡通信；而基于遠程面板調用的通信方式則是直接將本地的VI程序面板“搬”到遠程計算機上進行瀏覽或操作。幾種網絡通信方式的特性如表1所示。

表1 LabVIEW中各種網絡通信方式比較

基于共享變量與DataSocket的通信方式的缺點是只能實現C/S模式而不能實現B/S模式，客戶端控制功能太弱，尚有待加強；基于TCP與UDP的網絡通信需要同時開發服務器端程序和客戶端程序，編程復雜，用戶需要考慮如何建立連接、分配端口號、地址轉換等。比較幾種網絡編程的特性，結合遠程監控的實際需要，該系統選擇“遠程面板調用”通信方式，其連接示意圖如圖8所示。

圖8 遠程面板連接示意圖

5 結束語

本文研制了一套基于虛擬儀器的電飯鍋能效自動檢測系統，通過搭建以熱電偶、MAX6675、HIOKI3332、單片機為核心的底層硬件系統，實現了檢測過程的自動化；利用LabVIEW語言建立系統上位機監控軟件，解決了可溯源性差的缺陷。該系統已應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共性，即都需測量耗電量，該系統可借鑒用于開發其他產品的自動檢測系統，具有重要的理論價值和實際意義。

[1] GB/T 7725-2004,房間空氣調節器[S].

[2] 張永強.液晶電視光色特性自動測量系統[D].浙江:浙江大學,2006.

[3] Hernandez-Martinez H,Garcia-Matias J．An alternative methodogogy for developing virtual instrument in virtual labs[C] ．Warsaw，Poland：Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.，2007．

[4] Zhang Y，Guo D，Jiang Y．The Development of Configuration-Software for Testing Equipment Based on Virtural Instrument[C] ．Shenzhen，China：International Academic Publishers，2003．

[5] 吳強.基于LabVIEW的遠程多路測溫系統的設計與實現[D].上海:華東師范大學,2008.

[6] 虞致國,徐健健.MAX6675的原理及應用[J].國外電子元器件,2002,(12):41-43.

[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.

[8] Wu Liming，Shi Yanjun，Jiang Hua，Chen Ping．Redesign on Luminance Meter and Its Application on Energy Efficiency Inspection[C]．2010 2nd International Conference on Mechanical and Electronics Engineering,2010,2:171-174.

[9] 吉順祥,劉旺鎖,宋曉婷.基于LabVIEW的數據庫訪問技術[J] .航海工程,2007,36（3）:125-128.

[10] 張志敏,李賢敏.基于網絡的虛擬實驗室的研究[J].實驗技術與管理,2008,25（4）:160-163.

吳黎明，男，1962年生，教授，碩導，主要從事精密儀器及機械、嵌入式系統研究等。

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