電飯鍋數(shù)據(jù)采集平臺的設(shè)計

作者 梁啟文 龍世瑜 梁麗玲 楊金華 許敏君 嶺南師范學(xué)院信息工程學(xué)院(廣東湛江524048)

      摘要：介紹了一種基于LabVIEW的電飯鍋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計方案，此方案選擇采用NI USB-6008數(shù)據(jù)采集卡DAQ對電飯鍋煮飯過程中的鍋頂溫度、鍋底溫度和繼電器電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過LabVIEW構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件平臺，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲、圖像處理及分析，研究電飯鍋煮飯過程中的鍋頂和鍋底溫度曲線特征及繼電器輸出的電壓曲線特征，從而得出電飯鍋煮飯過程中繼電器的工作與控制溫度的關(guān)系。

      關(guān)鍵詞：電飯鍋;LabVIEW;DAQ;鍋頂溫度;鍋底溫度

      *基金項目：2018年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(項目編號：591)梁啟文(1978-)，男，實驗師，主要研究方向： 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與開發(fā);龍世瑜(1967-)，男，高級實驗師，主要研究方向：電子設(shè)計與應(yīng)用;梁麗玲(1995-)，女，嶺南師范學(xué)院電子信息工程專業(yè)學(xué)生;金華(1996-)，男，嶺南師范學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)學(xué)生;許敏君(1995-)，女，嶺南師范學(xué)院電子信息工程專業(yè)學(xué)生。

　　0引言

　　電飯鍋是日常生活必備的廚具，研究電飯鍋最佳參考煮飯曲線，得出最佳烹飪數(shù)據(jù)經(jīng)驗算法，是非常重要的。因此，利用LabVIEW與DAQ設(shè)計電飯鍋數(shù)據(jù)采集平臺，得出電飯鍋的鍋頂溫度曲線、鍋底溫度曲線、繼電器電壓曲線，并讀取在各個煮飯階段下的繼電器的占空比，為智能控制電飯鍋的平臺提供加熱控制的數(shù)據(jù)，更好地調(diào)整煮飯曲線，使煮出的米飯更香、更符合人們的口感，有著重要的意義。

　　1電飯鍋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體設(shè)計方案

　　整體系統(tǒng)設(shè)計利用LabVIEW軟件開發(fā)平臺對電飯鍋在煮飯過程中的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集卡選為被廣泛使用的DAQ。系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分，電飯鍋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖1所示。

　　數(shù)據(jù)采集的對象是：電飯鍋的鍋頂溫度信號、鍋底溫度信號，繼電器電壓信號。電飯鍋溫度傳感器為NTC熱敏電阻類型的，設(shè)計方案是利用LabVIEW的程序，獲取來自數(shù)據(jù)采集卡DAQ從電飯鍋煮飯至保溫過程中采集到的數(shù)據(jù)(信號)：鍋頂溫度、鍋底溫度、繼電器輸出電壓，并在LabVIEW軟件平臺上實現(xiàn)原始信號的存儲及波形顯示，得到電飯鍋的鍋頂溫度曲線、鍋底溫度曲線、繼電器輸出的電壓曲線，通過編程計算繼電器的占空比并顯示數(shù)據(jù)，分析特征。

　　2電飯鍋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　硬件部分包括電飯鍋、DAQ、PC機(jī)、以及三者之間的連接線路。從電飯煲內(nèi)部電源控制電路板中引出3個接口：鍋頂溫度傳感器接口、鍋底溫度傳感器接口、繼電器輸出接口。

　　采集的目的信號為溫度信號和繼電器電壓信號，但實際上從溫度傳感器采集到的是電壓信號，而不是實際的溫度物理信號。采集對象實則都為電壓信號，且為模擬信號，因此從電飯鍋的3個引出接線須連接至DAQ的AI/O模塊的任意3個模擬輸入接口，為了設(shè)計程序的方便，選ai0，ai1，ai2前3個接口。DAQ的USB連接連線連至PC機(jī)的USB接口，硬件的連接情況如表1所示。

　　由此，采集對象、DAQ、PC機(jī)就連接到一起，并構(gòu)成了一個完整數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)。

　　3電飯鍋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計

　　需要完成的功能是實現(xiàn)系統(tǒng)控制、對采集數(shù)據(jù)的收集、信號轉(zhuǎn)換、存儲、波形顯示、占空比讀取。LabVIEW中編程中包括兩部分的設(shè)計：前面板的設(shè)計和程序框圖的設(shè)計。由于從DAQ中采集到的為電壓信號，得到溫度信號需要在程序中對電壓信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由此得到LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　4程序框圖設(shè)計

　　4.1電飯鍋數(shù)據(jù)采集程序

　　在LabVIEW中有一個非常通用的VI函數(shù)“DAQ助手”，用來快速配置包括輸入采集與輸出波形在內(nèi)的各種硬件功能^[1]。數(shù)據(jù)采集程序使用程序框圖中“DAQ助手”十分方便，根據(jù)DAQ與采集對象的連接線路，在配置界面設(shè)置采集信號為模擬輸入，選擇通道為ai0、ai1、ai2，添加可設(shè)置的采樣數(shù)和采樣率的輸入量?！癉AQ助手”的數(shù)據(jù)端就是采集到的信號，數(shù)據(jù)采集模塊編程如圖3所示。

　　4.2信號轉(zhuǎn)換程序

　　(1)“電壓-溫度”公式模塊

　　事實上，從DAQ中采集到的電飯鍋溫度傳感器的信號都為電壓信號，需具備電壓信號轉(zhuǎn)換為溫度信號的模塊。由于本設(shè)計的電飯鍋溫度傳感器為NTC熱敏電阻，根據(jù)Steinhart-Hart方程：1/T=C1+C2×lnRT+C3×lnRT3(攝氏溫度t=T-273.15)，可知熱敏電阻的電壓與溫度有一定的等式關(guān)系，設(shè)熱敏電阻為RT，電壓為VT，由電飯鍋內(nèi)部電路板中熱敏電阻電路圖如圖4所示，可得到公式：

　　RT=5100×VT/(3.3-VT)

　　由Steinhart-Hart方程得出電飯鍋熱敏電阻的電壓-溫度轉(zhuǎn)換公式：

　　T=1/{C1+C2×ln[5100×VT/(3.3-VT)]+C3×ln[5100×VT/(3.3-VT)]3}-273.15

　　根據(jù)電飯鍋的50K熱敏電阻的分度表，用“三點法”計算C1、C2、C3三個系數(shù)。經(jīng)較高精度運算可得到三個系數(shù)分別為0.00070249、0.00023998、4.3458E-8。得出電壓與溫度的等式關(guān)系后，在LabVIEW編程中構(gòu)建“電壓-溫度”轉(zhuǎn)換公式模塊編程。