摘要：本文介绍一种基于Multisim与LabVIEW的风机温度监测系统。温度传感器采用铂电阻Pt100，并在Multisim中进行数学建模，设计信号调理电路。下位机以AT89C52为核心，控制信号的采集及与上位机通信。上位机采用LabVIEW软件，实现温度曲线的显示，报警和数据存储等功能。该系统测量精度高，还可用于其他工业测温领域。
关键词：风机；Multisim；LabVIEW；AT89C52
中图分类号：TP2文献标识码：Adoi: 10.3969/j.issn.1003-6970.2011.03.032
Temperature Monitoring System for Ventilator based on Multisim and LabVlEW
WANG Kai1, GU Lin-zhu2 , CHEN Li3
(CUMT, information and electrical engineering institute, Xu Zhou 221116, China)
【Abstract】 This paper introduces a temperature monitoring system for ventilator based on Multisim and LabVlEW. The temperature sensor uses the Pt100. In Multisim, we establish the mathematical module of Pt100 and design signal regulate circuit. The system uses AT89C52 as hardware design core, which control signal collection and PC communication. PC using LabVIEW, realizes temperature curve display, alarm, data storage and other functions. The system has high precision and can also be applied to other industrial temperature field.
【Key words】Ventilator; Multisim; LabVIEW; AT89C52
0引言
矿井通风是煤矿的一项重要任务，一方面向井下输送新鲜空气，供人呼吸；另一方面稀释有毒气体和矿尘并排出矿井。目前，我国绝大多数煤矿都采用通风机进行通风。由于通风机的长期工作，通风系统温度逐渐升高，超出极限温度，将烧毁风机和电机甚至引起安全事故，直接关系到通风系统运行的安全性和经济性。
热电阻测温是工业温度测量中常用的一种方法，其主要特点是测量精度高，性能稳定。本文采用Pt100作为6路温度传感器，测量范围0～150℃，分别采集一号风机的前轴后轴和电机的铁芯温度，二号风机的前轴后轴和电机的铁芯温度。利用Multisim对Pt100进行数学建模，设计信号调理电路并进行仿真分析，当测量点的温度超过设定值，进行声光报警，上位机采用LabVIEW作为可视化界面，显示温度变化曲线，及各个采集点的温度状态，对通风系统中的风机和电机进行温度实时
监测。
1系统设计
本温度监测系统下位机以AT89C52为核心，主要组成部分包括信号调理电路、A/D转换、显示电路及声光报警。AT89C52通过串口与PC机通信，在LabVIEW平台下，对数据进行显示和存储。
1.1Pt100模型
热电阻Pt100的测温范围-200～850℃，电阻与温度的关系为在-200～0℃
Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3](1)
在0～850℃
Rt=R0[1+At+Bt2](2)
其中R0=100（当t=0℃时）
A=3.940×10-3/℃
B=-5.84×10-7/℃2
C=-4.22×10-12/℃4
由于本系统设计的测温范围为0~150℃，所以
Rt=100+0.3940t-5.84×10-5t2(3)
在Multisim中，根据温度和电阻的关系式，建立如图1所示Pt100的数学模型。V1代表式(3)中的温度t，Polynomial Source函数模块用来实现式(3)，其输出为电压。由热电阻的原理知，电阻值随温度变化而变化，因此再加一个比例系数为1的Voltage Controlled Resistor模块，使其输出为电阻值。
图1Pt100数学模型
Fig.1 Pt100 mathematical model
1.2信号处理电路
Pt100作为温度传感器最典型的电路是采用不平衡电桥法，但由于是单臂电桥，存在一定的非线性，为了避免电桥引入非线性，所以采用放大电路测温[1]。且由Pt100的温度特性可知，电阻与温度函数含有二次项Bt2，因此随温度升高，Pt100非线性越严重。在测量电路中U5组成的反相比例放大器为电路引入负反馈，Rw2来调节负反馈的程度，从而改善输出电压与温度的非线性关系。U3为放大电路模块。U1、D1和R1构成的稳压电路为后面的电路提供10V的基准电压，稳压二极管稳压电路的输出端经电压跟随器来稳定输出电压。信号调理电路如图2所示，
图2中，Rw1用于放大电路调零。设置V1为0，Rw1用任意一个电阻替换，然后对该电阻进行Parameter Sweep分析，观察阻值变化时，输出电压什么时候等于或接近于零。经分析，阻值在93kΩ 时，输出电压接近于零，所以调节Rw1阻值为93kΩ。
图2信号调理电路
Fig.2 signal regulate circuit
Rw3用于调节放大倍数，使其输出电压在0～5V之间，同样原理设置V1为150，对Rw3进行Parameter Sweep分析，当Rw2为80kΩ时，输出电压4.998961V，满足要求。
最后，通过Sweep Analysis对整个电路进行仿真，电阻值从0～150变化，得到0～5V的输出电压，如图3所示为输出电压与输入电阻的关系。
图3输出电压与输入电阻关系
Fig.3 relationship between output voltage and input resistance
1.3AD转换电路
AD转换选择了∑-△类型的AD7711，具有低速高精度的特点，适合温度测量慢变化的场合[2]。因需要采集6路温度信号，使用8路模拟开关CD4051，其选通开关控制信号（A、B、C和INH）和AD7711的控制信号来自单片机。考虑到AD7711自带的AD参考电压精度不高，选用了AD公司专用的参考源芯片AD421，其输出电压接到AD7711的REFIN（+）端。AD转换电路如图4所示。
图4AD转换电路
Fig.4 AD conversion circuit
1.4温度显示电路
本系统采用5位LED动态显示电路，最高位显示采集通道，后四位显示对应通道的温度值，将所有段选信号并联在一起，由7位I/O口控制，位选信号由5个三极管驱动，然后由5位I/0口控制。
1.5声光报警电路
当某一路温度值超出设定的最大值，将发生声光报警，及时提醒工作人员。只有通过下位机按键或上位机按钮才能消除声光报警。具体哪一测量点出现温度过高，由上位机显示。
2系统软件设计
软件设计包括单片机软件设计和LabVIEW程序设计。软件采用模块化设计和调试。
2.1单片机软件设计
单片机选择AT89C52，采用C语言编程。单片机软件框图如图5所示，上位机通过串口通信向测量前端发送开始采样命令，启动测量前端进行温度测量，获得AD量化后的数据，将这些数据传给数据处理模块。数据处理模块将接收到的数据转化成温度。处理后的用户数据被命令消息处理模块组装成消息，传入通信模块进行数据传输，命令消息处理模块还负责将对接收到得用户命令进行处理，产生相应的消息回应或设置前端的控制变量。初始化模块进行上电后初始化。
图5单片机软件设计框图
Fig.5 SCM software design diagram
2.2LabVIEW软件设计
由于数据采集卡价格昂贵，在一些小的系统中，常常选用单片机作为下位机，通过RS232串口与PC机之间实时通信[3]。本设计通过LabVIEW提供的串口子VI将采集到的数据传送到PC机，在LabVIEW环境下实现对按键、数码显示的数据进行处理、分析、存储和显示的系统，风机温度检测系统LabVIEW前面板如图6所示。
图6LabVIEW前面板
Fig.6 the LabVIEW front panel
3结论
本文采用Multisim设计传感器的信号调理电路，单片机AT9C52作为下位机，功能简单可靠，降低硬件成本。上位机采用LabVIEW，人机界面友好，编程简单，实现了对风机温度的监测。
参考文献
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