使用LabVIEW和单片机实现基于低成本MEMS的温度测量与控制系统

N Chandra Sekhar

Asst. Professor, Dept. of EIE GITAM University Visakhapatnam-India

Email: chandu3072002@gmail.com

T Suresh Reddy

U.G Student, Dept. of EIE GITAM University Visakhapatnam-India

Email: tsureshreddyind@gmail.com

Bhavani G

• 1. Student, Dept. of EEE Andhra University College of Engg,

Visakhapatnam-India

Email: bhavanigandarapu@gmail.com

摘要—在每一个加工工业中，计量，监测和工艺参数的控制（如...压力，温度，液位，流量，湿度等，）在获得符合要求的产品的过程中起着至关重要的作用。在所有的温度参数测量中，作为一个缓慢的过程，精确的监测和控制是很困难的。用作温度测量的传感器的选择是至关重要的。本文的目的是实现基于低成本的MEMS（微机电系统）的实时温度测量，监视和控制系统，其使用一个单块的温度传感器，它提供一个经过脉宽调制的数字输出信号，该信号与输入的温度相对应。我们选择了两种不同的平台来实现基于MEMS的温度控制系统。第一种是采用实时控制软件NI LabVIEW，另一种是使用PIC单片机。由于实现的系统采用了先进的技术如i.e.MEMS和LabVIEW，它具有数值精确，成本低，精度高和温度测量范围广等优点。

关键词—MEMS;温度传感器;LabVIEW; 单片机

• • 1. 简介

近年来，加工行业对国家的成长和经济发展起到了极其重要的作用。在工业生产过程中要测量的基本参数有温度，压力，质量，流速，湿度，湿气等等。一般情况下，温度的自然变化过程是缓慢的，对它的测量，监测和控制十分困难，因此我们需要数值精确，响应迅速，高灵敏度的装置来测量温度的变化。基于MEMS的传感器就是这种精确的，反应迅速的设备。在本文中，我们探究了一个能够测量温度的连续变化同时监视和控制温度的基于MEMS的实时系统[1]，[2]。

一个温度在其中起了重要作用的运用是石化工业。 通常，石油化学工业在分馏过程中会产生大量的副产物如汽油，煤油，喷气燃料，燃料油，柴油机燃料，液化石油气，润滑油，石蜡，和石脑油。大多数这些副产物将在家庭和工业中得到应用。石脑油会在干馏处理过程中和生产如丁二烯，苯，环戊烷这些产品的过程中形成，它可以被应用在生产各种药品和其他制药行业产品的过程中。

为此，我们需要监控石脑油达到所需温度值的温度。文中对MEMS传感器的建模和制造进行了说明[2]，[3]。

在本文中，我们用两种最好的实时控制软件 - NI LabVIEW和PIC单片机，实现了基于MEMS的温度控制系统。

• • 1. 基于MEMS的温度测控系统

在一般情况下，基于微机电系统（MEMS）的温度测量，监视和控制系统包括如图1所示的流程，控制器和MEMS传感器（TMP06）。MEMS是新兴技术之一，因为其先进的特点比如小尺寸，低成本，低功耗，精度水平高，响应速度快，信号调理，内置的ADC（模拟数字转换器），输出能与CMOS/TTL兼容，能够灵活连接数字控制器。MEMS具有不同的应用，其中包括数字微镜器件，加速度计，陀螺仪，微型机器人，医疗和诊断，化学，DNA分析，微引擎，惯性传感器，微传动装置，微致动器，光学扫描仪，流体泵，压力和流量传感器等[4]。

在常规的温度测量系统中，在工业中主要使用的传感器是热电阻，热电偶等，温度传感器根据其应用，测量范围和类型被进一步分类。传感器具有线性好，响应速度快，灵敏度高，低滞后等创新的特点。与传统的传感器相比，微机电系统具有很大的优势，因为它的功率消耗非常低，它的内置热电堆传感器 - 信号调理-ADC，反应非常迅速，热量消耗低，即使在很小的温度变化下也有很高的精度。因此，我们用MEMS传感器（TMP06）实现温度测控系统，因为它具有上述所有特征[4]，[10]和[13]。

图2 使用LabVIEW的基于MEMS的闭环控制系统

图1 基于微机电系统的闭环控制系统一般框图

在加工工业中，控制器是工厂的核心，控制器的选择影响工厂总生产水平和最终产品的质量。控制器力求最小化比较器产生的错误。在持续的过程中，工业操作模式的选择是一个具有挑战性的任务，因为它取决于许多因素。控制器可以是电气的，电子的，液压的或者气动的，这取决于信号和系统的性质。根据要求，操作员将能够选择加工中所需的控制类型。比例 - 积分-微分控制器（PID控制器）是最有名的控制器之一，在工业中被广泛使用[5]，[11]。

• • 1. 用LabVIEW实现的功能

使用LabVIEW的闭环温度控制系统包括工厂/过程，PID控制器，MEMS单片式反馈温度传感器TMP06，NI DAQ。

图2描述了基于NI LabVIEW的闭环温度控制系统的实现过程。

其中，M（s）是调节变量，E（s）是跟踪误差，KO是比例增益，KI是积分增益，KD是微分增益。我们不得不以这样的方式使用适当的调整方法[5]调整PID控制器参数，这样才能使沉降时间最小，上升时间最小，稳态误差更小和过冲水平低。考虑到上述PID参数，整定将在以下时间完成：

将初使增益设为零，然后逐渐增加比例增益直到超调，然后增加微分增益值，以尽量减少过冲，再增加积分增益，减少稳态误差。

得到加热系统（厂）的数学模型，并在第一时间得到时间常数，输送延时L，增益K。由于温度的控制系统需要一定的时间用于介质温度的增加，它呈现出输送延迟。加热系统的传递函数如下：

Ls

C(s)

M (s)

K * e

1 s

(2)

LabVIEW的被选择的原因如下：低成本，用户友好型，它既可以用于研究，也可以在工业中使用，LabVIEW软件不仅最大限度地减少了成本，而且还降低了维护的频率，可以被灵活使用，软件修改简单[6] - [9]，[12]。

工厂/加工的温度应该被测量，监视并控制。比较器计算所需的温度和实际温度之间的误差值，或者设定将要被馈送到控制器的值，并将其输出提供给将反过来控制工厂温度的最终控制元件。为了控制工厂的温度，我们设计了一个闭环系统，该系统能够通过比较反馈的输出和设定的值来自动保持所需的输出。

一旦的系统的数学模型已知，微控制器可以容易地完成像LabVIEW这些软件的物理实现。PID控制器的设计是由包括控制设计和仿真工具套件的NI LabVIEW支持的。PID控制器的传递函数的基本形式可以表示为：

其中，C（s）是受控变量。为实现目的，系统的传递作用被考虑与PID控制器级联且概略框图使用LabVIEW构成框架。图3显示了实现温度控制系统的LabVIEW程序框图的一部分。图4描绘了LabVIEW编程窗口的前面板。它显示了经NI LabVIEW 上的PID控制器微调得到的系统的最终响应。实时过程获得的时间响应有很好的稳定性和良好的稳定时间，如图4所示，但它是一个非常缓慢的过程因为一般温度都具有迟缓性质。

所述MEMS单片式反馈温度传感器TMP06用来感应模拟自然中的系统的温度。当它内置了信号调理和模拟 - 数字转换电路时，它将提供对应于输入的温度的脉冲宽度调制的数字输出信号。MEMS传感器的数字输出通过8通道24V数字输入DAQ（数据采集卡）模块NI9421传送给NI LabVIEW PID控制器。控制器通过4-通道20mA模拟输出数据采集模块NI9265将输出提供给一个最终控制单元。

M (s)

E(s)

KPs KI KD s 2

 (1)

s

最终控制元件是TRIAC（BT136），它将反过来控制系统的温度。这是一个连续的过程。

图3 实现温度控制系统的LabVIEW局部程序框图

• • 1. 用单片机实现的功能

图4 LabVIEW编程窗口的面板

使用微控制器的基于MEMS的温度控制系统的实现是由Temperatur e(oC ) 421 [751 (TH

TL )]

(3)

工厂/过程，基于MEMS的单片式温度传感器TMP06，发射电路和PIC单片机组成的。在本文中所用的单片机是一个微晶片的 PIC单片机（PIC16F877A），它是一个高性能的RISC处理器。因为价格低，容易使用以及可以实现更多的功能，它们主要被应用在教育机构和加工工业中。一个液晶显示器（LCD）被用来显示将在连续监测中有用的测定的厂房温度。击发电路可以通过使用SCR，TRIAC或MOSFET中的任意一个来实现。 这里是利用双向可控硅（BT136）来控制系统的温度。通常来说，控制电加热器是非常困难的因为它们需要很大的功率。可控硅的双向和相位控制的能力让它们在用小电流控制大功率中更有帮助。可控硅设有散热器，以避免远热运行[11]，[13] - [15]。

TMP06是一个已经内置热电堆传感器的ADC电路的信号控制电路的基于MEMS的单片式温度传感器。TMP06[10]，[13]非常适合用生产工业的电子设备监测热环境。它有三种操作模式，即连续转换，单触发，链式模式，我们在硬件中使用连续转换模式。 在TMP06中，待测量的温度被转换成相应的电压信号，生成的内部参考电压取决于在该TMP06测量温度的速率。两个电压进行比较，脉宽在25℃具有99毫秒的典型周期内根据对应的输入温度调制方波的数字输出信号。传感器的转换时间可以用公式计算：

其中，高电平时期是恒定的。低电平时期随输入温度变化。该TMP06的特殊功能在表一中给出。

表1 [13]

TMP06 (MEMS 温度传感器) 特点

在实际应用中，系统/加工是需要控制温度的加热系统。所述MEMS温度传感器TMP06感测系统的温度并提供根据对应的输入温度调制的方波的数字输出信号的脉宽。TMP06的输出连接到PIC16F877A单片机[14]。该PID控制器是在通过电流来控制工件温度的单片机中编程的，这个过程是通过最终控制单元来完成的，即由BT136组成的击发电路，它是一个持续的过程。测得的温度显示在LCD上。

图5描绘了使用尺寸小的低成本微控制器的基于MEMS的温度控制系统的硬件构成。表II中表示了该系统的响应在测量和控制温度中的准确性。MEMS传感器TMP06转换时间的理论值可以用公式（3）来计算，它在表III中的实际值可以用占空比，低周期与高周期来计算。

图5 使用微控制器的基于MEMS的温度控制系统的硬件构成

表 II

基于MEMS的温度控制系统的响应 设定温度60C

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