電飯鍋數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的設(shè)計(jì)

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(jì)方案，此方案選擇采用NI USB-6008數(shù)據(jù)采集卡DAQ對(duì)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(tái)，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、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(xiàng)目：2018年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：591)梁啟文(1978-)，男，實(shí)驗(yàn)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(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：電子設(shè)計(jì)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(dòng)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?zhàn)罴褏⒖贾箫埱€，得出最佳烹飪數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)算法，是非常重要的。因此，利用LabVIEW與DAQ設(shè)計(jì)電飯鍋數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，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(gè)煮飯階段下的繼電器的占空比，為智能控制電飯鍋的平臺(tái)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(jì)方案

　　整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)對(duì)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(jì)框圖如圖1所示。

　　數(shù)據(jù)采集的對(duì)象是：電飯鍋的鍋頂溫度信號(hào)、鍋底溫度信號(hào)，繼電器電壓信號(hào)。電飯鍋溫度傳感器為NTC熱敏電阻類型的，設(shè)計(jì)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(hào))：鍋頂溫度、鍋底溫度、繼電器輸出電壓，并在LabVIEW軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)原始信號(hào)的存儲(chǔ)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(jì)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(jì)

　　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(gè)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(hào)為溫度信號(hào)和繼電器電壓信號(hào)，但實(shí)際上從溫度傳感器采集到的是電壓信號(hào)，而不是實(shí)際的溫度物理信號(hào)。采集對(duì)象實(shí)則都為電壓信號(hào)，且為模擬信號(hào)，因此從電飯鍋的3個(gè)引出接線須連接至DAQ的AI/O模塊的任意3個(gè)模擬輸入接口，為了設(shè)計(jì)程序的方便，選ai0，ai1，ai2前3個(gè)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(duì)象、DAQ、PC機(jī)就連接到一起，并構(gòu)成了一個(gè)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(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)

　　需要完成的功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制、對(duì)采集數(shù)據(jù)的收集、信號(hào)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、波形顯示、占空比讀取。LabVIEW中編程中包括兩部分的設(shè)計(jì)：前面板的設(shè)計(jì)和程序框圖的設(shè)計(jì)。由于從DAQ中采集到的為電壓信號(hào)，得到溫度信號(hào)需要在程序中對(duì)電壓信號(hào)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(jì)

　　4.1電飯鍋數(shù)據(jù)采集程序

　　在LabVIEW中有一個(gè)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(duì)象的連接線路，在配置界面設(shè)置采集信號(hào)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(hào)，數(shù)據(jù)采集模塊編程如圖3所示。

　　4.2信號(hào)轉(zhuǎn)換程序

　　(1)“電壓-溫度”公式模塊

　　事實(shí)上，從DAQ中采集到的電飯鍋溫度傳感器的信號(hào)都為電壓信號(hào)，需具備電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度信號(hào)的模塊。由于本設(shè)計(jì)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(diǎn)法”計(jì)算C1、C2、C3三個(gè)系數(shù)。經(jīng)較高精度運(yùn)算可得到三個(gè)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。