基于LabVIEW的太陽能制冷監控系統設計

謝 檬，令 灝，王鑫朋

(西安交通大學城市學院，西安 710018)

0 引言

隨著全球人口急速的遞增，能源的消耗是非常巨大的，社會發展對能源的使用需求日益增多，而能源的增長量是有限的，能源消耗速度遠遠大于能源增長速度。利用無限再生的能源來代替其它再生速度慢及不可再生能源是至關重要的，太陽能是無限再生的能源之一[1-5]。國外的大多數研究都是以將太陽能轉換為熱能的形式進行制冷為研究的主要方向，眾多的吸附式太陽能系統中采用太陽能集熱器來吸收太陽能并轉換為熱能[6-8]。目前可實現用小面積的集熱器產生比較大的制冷量，以及使得真空管集熱器來制冷，以降低產品成本，為未來的太陽能制冷系統的普及建立良好的技術支持[9-13]。國內太陽能制冷系統大多數采用將太陽能轉化為電能，為傳統空調供電的形式來進行制冷。由于太陽能轉化為電能過程所轉化的電能是非常有限的，經常出現供電不足，乃至實時供電的電量無法帶動功率較大制冷空調的情況。假若需要產生足夠的電量，則需要有巨大面積的場地來安裝太陽能集熱器為空調供電[14-16]。

目前市面上太陽能制冷的設備特別少見，有的利用傳統的發電方式來使用普通用電空調，主要原因是太陽能制冷技術的不成熟[17]。最直接原因是效率低和經濟性較差兩大原因[18-19]。本文設計的太陽能制冷監控系統可以直觀地監測工作環境的溫度和濕度的實時變化，同時控制制冷設備開啟或關閉以實現對溫度和濕度的實時調節[20]。本文所設計的基于LabVIEW的太陽能制冷監控系統，選用STM32F105單片機作為主控芯片完成數據的采集功能。上位機設計是基于LabVIEW搭建的虛擬太陽能制冷監控系統，通過串口通信的方式與下位機連接，實現了對環境中溫濕度的實時監測、數據存儲、自動控制和報警等功能。

1 總體方案設計

制冷監控系統由上位機和下位機組成，下位機即硬件部分，完成采集處理數據和控制的功能。上位機則接收下位機傳輸數據進行數據檢測和控制下位機對受控裝置的開關。

1.1 監控系統結構框圖

監控系統結構框圖如圖1所示，硬件電路主要由溫濕度傳感器、單片機最小系統、串口電路和受控裝置電路四大部分組成。

圖1 監控系統結構框圖

溫濕度傳感器用來檢測環境中的溫度和濕度，并產生電信號，單片機用于對溫濕度的數字信號進行處理和分析。通過串口將所處理數據以串口通信的方式送給LabVIEW上位機，通過上位機對所進行數據顯示，閾值的設置，并將接收的溫濕度數據與所設閾值進行比較判斷后，將所判斷后的結果發送給單片機，單片機處理后對受控裝置進行相應的動作指示，同時上位機自動觸發相應的報警。硬件設計中受控裝置為制冷壓縮機、干燥機和加濕機，在實際設計中采用LED發光二極管來代替。

1.2 受控裝置電路

受控裝置電路是硬件電路中進行溫濕度調節實現控制功能重要電路，設計采用并聯的四路電路，前兩路連接的是制冷壓縮機的增壓與減壓功能，太陽能利用熱轉換的方式將熱能儲存于壓縮機之中，當制冷壓縮機增壓時將熱能從低壓環境排放于高溫環境之中時實現了制冷的功能；若制冷壓縮機減壓則停止對熱能的能量轉換同時將熱能排放于外界環境中釋放了暖風，實現了加熱的功能。另外兩路分別連接干燥機和加濕機。當上位機發出制冷/加熱/干燥/加濕的信號時將會對相應的功能器件啟動工作，實現環境中溫濕度的控制功能。

在實際硬件設計中采用高亮10 mm的發光二極管代替溫度控制中的制冷壓縮機的制冷、加熱功能和濕度控制中的干燥機及加濕機的干燥、加濕功能。當二極管燈亮時代表對應的功能器件啟動工作狀態。設計中為了保護二極管被擊穿在每個二極管正極前串聯了保護電阻。

2 軟件程序設計

制冷監控系統中上位機完成接收下位機傳輸數據進行數據檢測和控制下位機對受控裝置的開關。本設計選用LabVIEW進行上位機的設計，所設計上位機具有數據保護、檢測、控制及數據存儲等功能，方便了用戶的使用。

2.1 下位機程序設計

太陽能制冷監控系統軟件設計是由LabVIEW上位機及計算機針對下位機的驅動程序來完成的。太陽能制冷監控系統的下位機程序流程圖如圖2所示，下位機的程序流程自上而下依次為系統初始化、傳感器響應、采集數據、發送數據至上位機，受控裝置響應。

圖2 下位機程序流程圖 圖3 監控系統主程序流程圖

由于所使用的DHT11傳感器已經集成了A/D轉換，所以在下位機的流程中傳感器響應之后直接將溫濕度進行實時采集并送入單片機。初始化是對傳感器及各個電子元器件的預熱，在上電之后，傳感器不斷響應，響應預熱之后才可進行數據的采集。傳感器工作后直接將模擬量轉化為數字量，單片機采集傳感器輸出的數字信號，單片機把接收到的數字量進行數據格式的轉化向上位機發送處理過后的數字量，上位機將判斷后的指令發送給單片機，由單片機對該指令進行處理后對受控裝置進行控制，受控裝置受到單片機的控制進行相應的響應，如制冷壓縮機、干燥機及加濕機工作的啟停。

2.2 上位機主程序設計

監控系統上位機的主程序流程圖如圖3所示，程序流程主要由讀取數據、處理溫濕度數據、結果顯示、判斷溫濕度范圍、發送控制指令等流程組成。

讀取數據所讀取的是所采集到的溫濕度數據，將其與上位機監控系統所定義的預期值進行比對，顯示實時數據。對下位機發送控制指令信號，若受控裝置的控制器件工作，則上位機所對應的指示燈亮，制冷壓縮機增壓、制冷壓縮機減壓、干燥機和加濕機分別對應綠燈、紅燈、黃燈和藍燈。通過設定被測量的上限線就可以控制環境中的溫濕度。

2.3 上位機溫濕度控制及報警子程序設計

溫濕度控制及報警子程序流程圖如圖4所示。

圖4 溫濕度控制及報警子程序流程圖

溫濕度控制及報警子程序設計是在主程序運行后開始進行的，首先將所接收的溫濕度值在上位機前面板進行波形及數據的顯示，顯示之后根據用戶的需求設定所需的溫濕度上限和下限，緊接著對所接收的溫濕度數據與設定溫濕度上限進行比較，若溫濕度數據大于等于設定上限時，布爾指示燈顯示溫濕度過高報警報警，發送制冷指令給下位機；反之溫度小于設定上限時再對接收的數據判斷是否在設定的溫濕度上下限范圍之內，若在范圍內時不發送任何指令，不在范圍內時，溫濕度過低報警，發送加熱指令給下位機，給下位機發送完指令及不發送指令結束后均返回到波形、數據顯示繼續運行程序流程。

3 監控系統前面板設計

監控系統前面板設計為3個子面板：登錄界面子面板、觀測界面子面板和數據存儲子面板。

3.1 登錄界面子面板

登錄界面子面板如圖5所示，主要是為了保護用戶的數據及防止他人的不規范操作導致意外發生。

圖5 登錄界面子面板

3.2 觀測界面子面板

觀測界面子面板如圖6所示，包括串口配置模塊、系統控制模塊、報警及自動控制模塊和波形顯示模塊。

圖6 觀測界面子面板

1)串口配置模塊：

串口配置模塊用來與下位機通信時端口選擇及各參數的設置，在串口選擇中設置了兩個端口COM2、COM3以供選擇，啟動上位機后將會對這些端口默認選擇為COM2端口，接受數據由于還沒開始接受不進行顯示，停止位默認為1，波特率按照波特率所能設定的最小值2 400，停止位默認為10，超時默認為10 000。

2)系統控制模塊：

該模塊使用字符串輸出控件作為當前時間的顯示，布爾按鈕控制系統執行開啟監控、停止監控和退出系統的功能，并顯示工作時所發送的各個指令。

3)報警及自動控制模塊：

報警及自動控制模塊完成對環境溫濕度的控制。布爾報警燈用來顯示報警，設置綠色報警燈為制冷指示、紅色報警燈為加熱指示、紫色報警燈為加濕指示、黃色報警燈為干燥指示。

溫度過高時布爾燈顯示為綠色，此時開始制冷工作；溫度過低時布爾指示燈顯示為紅色，此時開始加熱工作。用以設定溫度上下限的滑動桿及溫度計的控制和顯示范圍均為0～50 ℃，溫度計和滑動桿均設計為5個刻度，每個刻度為10 ℃。溫度在設定上限及下限時在滑動桿的旁邊會顯示其設定的值，所設定的值可精確到小數點后1位。

濕度過低時布爾指示燈顯示為黃色，此時開始加濕工作。當濕度過高時布爾燈顯示為紫色，此時開始干燥工作。濕度上下限的滑動桿及濕度計的控制和顯示范圍均為0～100%RH，濕度計和滑動桿均設計為5個刻度，每個刻度為10%RH。濕度在設定上限及下限時在滑動桿的旁邊會顯示其設定的值，所設定的值可精確到小數點后1位。

4)波形顯示模塊：

波形顯示模塊采用兩個波形圖分別顯示溫度和濕度的變化曲線，同時，在波形圖右上角數字顯示實時溫度和實時濕度。

波形圖的橫軸為實時時間，分為5個時間間隔，在波形顯示實時數據過程中橫軸的時間將會隨著時間的改變而更新，圖中由于未啟動運行時間數據未更新，所以顯示的時間為默認的時間，顯示的時間可具體到年、月、日、時、分、秒，甚至精確到毫秒為時間單位，可顯示5秒的實時波形曲線。所顯示的實時溫度的數值為小數點后1位，濕度的數值為整數位，溫度波形曲線為黃色曲線，濕度波形曲線為藍色曲線。

3.3 數據存儲子面板

數據存儲子面板如圖7所示，包括溫濕度實時波形數據記錄表和歷史數據存儲表。

圖7 數據存儲子面板

1)溫濕度實時波形數據記錄表：

數據記錄波形圖表主要完成對溫濕度的波形圖進行存儲、顯示溫濕度的實時波形、觀測面板設置的上下限波形以及導出歷史波形曲線圖。溫濕度記錄波形圖表的溫度和濕度縱軸設定范圍分別為0～50 ℃、0～100%RH，橫軸均設定為12個時間間隔，可顯示兩分鐘的實時數據與設定上下限的對比波形圖。

2)歷史數據存儲表：

歷史數據存儲表將采集到的數據記錄在Express表中，Express表設置了三列，分別為序號、溫度值和濕度值，可在記錄過程中顯示29列的溫度和濕度的值。設計中利用兩個布爾控件作為開始記錄和結束記錄的按鈕，利用方形布爾燈來顯示記錄是否開啟，若開啟記錄則燈亮，反之燈滅。右上角顯示記錄數據存儲的文件名為“數據.xls”，使得初次操作的用戶可以找到儲存的文件。

4 監測系統測試

監測系統功能測試選擇西安市五月某天早晨9點，下午2點，晚上10點這3個時間節點來采集室內環境溫濕度數據。串口配置為COM2、停止位為1、波特率為2 400、終止位為10、超時為10 000。

4.1 早晨9點測試

早晨9的觀測界面如圖8所示，此時顯示當前時間為20年5月15日09時02分18秒；設置的溫度范圍為20.0～30.0 ℃，濕度范圍為25.0%～60.0%RH；采集的溫度數據為28.5 ℃，濕度數據為69%RH。在波形圖中顯示的5s時間間隔中溫度實時波形保持在28.0 ℃左右的范圍內，濕度實時波形在65%～70%RH的范圍內。

圖8 早晨6點觀測界面

此時濕度高于設定范圍，黃燈開始報警，上位機發送干燥指令FF，干燥機處于工作狀態。測試結果與早晨室內環境溫度相對較低、空氣濕度較高的情況相一致。

4.2 下午2點測試

下午2點的觀測界面如圖9所示，此時顯示當前時間為20年5月15日02時04分24秒；設置的溫度范圍為20.0～30.0 ℃，濕度范圍為25.0%～60.0%RH；采集的溫度數據為37.0 ℃，濕度數據為24%RH。在波形圖中顯示的5 s時間間隔中溫度實時波形保持在37.0 ℃左右的范圍內，濕度實時波形在24%RH左右的范圍內。

圖9 下午2點觀測界面

此時溫度高于設定范圍，綠燈開始報警，上位機發送制冷指令FD，制冷壓縮機處于工作增壓工作狀態；濕度低于設定范圍，紫燈開始報警，上位機發送加濕指令F9，加濕機處于工作狀態。測試結果與下午室內環境溫度高，濕度較低的情況相一致。

4.3 晚上10點測試

晚上10點的觀測界面如圖10所示，此時顯示當前時間為20年5月15日10時00分28秒；設置的溫度范圍為20.0～30.0 ℃，濕度范圍為25.0～60.0%RH；采集的溫度數據為27.8 ℃，濕度數據為41%RH。在波形圖中顯示的5s時間間隔中溫度實時波形保持在28.0 ℃左右的范圍內，濕度實時波形在41%RH左右的范圍內。

圖10 晚上10點觀測界面

此時溫度和濕度均處于所設定范圍內，所有報警燈都未報警，所有控制器件均處于關閉狀態。測試結果與晚上室內環境溫濕度度適宜的情況相一致。

4.4 數據存儲測試

數據存儲測試界面如圖11所示，點擊開始記錄后正常記錄數據，綠色工作狀態燈點亮。設定溫度范圍：20.0～30.0 ℃；濕度范圍：25%～60%RH。歷史數據存儲表顯示采集的29組數據，最后1組數據為實時采集數據，數據存儲界面各項功能工作正常。

圖11 數據存儲測試界面

5 監測系統誤差分析

5.1 實驗數據采集

監測系統選用TCP/IP網絡型溫濕度計所測溫濕度數據為標稱值，采集溫度為0.0 ℃、10.0 ℃、20.0 ℃、30.0 ℃、40.0 ℃、50.0 ℃；濕度為20%RH、40%RH、60%RH、80%RH、90%RH、95%RH。

根據相對誤差公式:

(1)

式中，δ為相對誤差，ΔA為絕對誤差，L為真值，計算出系統的誤差，見表1。

表1 數據記錄及相對誤差表

5.2 系統誤差分析

1)溫度相對誤差：

由表1所得的溫度相對誤差擬合曲線如圖12所示，溫度相對誤差曲線較為平緩，誤差保持在0.25%左右，說明數據的可信程度相對較高。

圖12 溫度相對誤差擬合曲線

2)濕度相對誤差：

濕度相對誤差擬合曲線如圖13所示，濕度相對誤差曲線波動大，相對誤差最低為0.00%，最高可達0.35%，濕度數據可信程度不一致，有些測量數據可信度高，有些測量數據可信度較低。

圖13 濕度相對誤差擬合曲線

3)儀表精度及等級分析：

由所測數據可得，溫度的最大絕對誤差為0.13 ℃，濕度的最大絕對誤差為0.3%RH，計算精度等級公式見式(2)。

ΔA=±α*Am%

(2)

式中，ΔA為絕對誤差，Am為儀表量程，a為精度。

溫度測量儀精度為0.26%，準確度等級為0.5，分辨力為0.1 ℃；濕度測量儀精度為0.4%，精確度等級為0.5，分辨力為1%RH。

6 結束語

本文所設計的基于LabVIEW的太陽能制冷監控系統，可以實時監測太陽能制冷過程中環境的溫度和濕度變化，上位機采用LabVIEW搭建監控平臺，包括登錄界面、監測界面、數據存儲界面，可以完成數據存儲、自動控制和報警等功能。系統經過測試，溫度測量準確度等級為0.5，分辨力為0.1 ℃；濕度測量的準確度等級為0.5，分辨力為1%RH，初步具備太陽能制冷監控的實用功能，方便了人們的生活。