基于Arduino和LabVIEW远程可燃气体监测系统

2018-01-12毛敏

电气自动化 2017年5期

关键词：前面板上位继电器

毛敏

(陕西国防工业职业技术学院，陕西西安 710300)

0 引言

工业迅速发展，石油、天然气等作为重要的能源或者化工原料普遍地应用到我们生活当中，在为我们带来生活便利的同时，也给我们带来一些潜在的危险[1-2]。

本文设计了一种可燃气体远程实时监测系统，可以测量空气中可燃气体浓度，可以做到在事故发生前采取有效措施，从而避免事故的发生，保护人民的人身和财产安全。

Arduino是一块基于开放源代码的硬件平台，包括一块具有简单I/O功能的电路板及一套程序开发软件，目前可支持Windows、UNIX、Linux、Mac OS等操作系统[3]5。

虚拟仪器LabVIEW有常规仪器的控制面板，采用可视化的图形编程语言和平台，在计算机屏幕上建立图形化的软面板来替代常规的传统仪器面板，LabVIEW为Arduino开发了专门的接口工具包，把这个工具包和Arduino软件结合起来，通过LabVIEW软件可实现对Arduino控制板的控制或交换数据[4]。

1 系统设计

在整个系统中，LabVIEW编写的软件作为上位机，负责读取由Arduino Uno微处理器发送的可燃气体浓度并进行显示，根据设置的可燃气体浓度上限发出警报，并通过网络模块W5100[3]238向下位机Arduino Uno微处理器发送指定电器的状态切换命令。

图1 系统框图

Arduino Uno微处理器作为下位机，负责读取和传输气体传感器MQ-2检测到的可燃气体浓度值，可燃气体浓度数据通过网络模块W5100上传至LabVIEW上位机软件进行显示；Arduino Uno微处理器通过网络模块W5100读取上位机的命令，进而控制固态继电器的闭合和断开，实现指定电器的打开或关闭[5]。系统框图如图1所示。

1.1 硬件设计

通过网络模块W5100，实现Arduino Uno 微处理器与LabVIEW的无线连接，气体传感器MQ-2[6]与Arduino Uno 微处理器构成硬件平台，气体传感器MQ-2输出的浓度值经Arduino Uno 微处理器处理后，通过网络模块W5100传送到上位机，LabVIEW 软件编写VI函数，在LabVIEW前面板实时显示浓度值，并设置浓度上限，当可燃气体浓度过高则发出报警，并通过网络模块W5100向下位机发出命令，控制固态继电器的闭合和断开，完成指定电器的打开或关闭，实现LabVIEW 软件与Arduino控制板远程交互式通信。

1.1.1气体传感器MQ-2

MQ-2是一种气体电阻控制型气敏器件，所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。

1.1.2ArduinoUno微处理器

Arduino Uno 微处理器系统是一个基于开放原始代码的软硬件平台，体积小巧，功能强大，适用于读取温湿度传感器信号，可与上位机通讯，制作交互式产品，该系统包括硬件(Arduino电子板) 和软件(Arduino IDE)两部分。

1.1.3硬件连接

网络模块W5100与Arduino Uno控制板连接，W5100配置一个网络地址：192.168.1.177，通过网线与计算机网卡连接，将计算机的网卡地址配置成192.168.1.175，W5100与计算机组成一个小的局域网，用于网络数据的发送与接收。

MQ-2的信号线接入Arduino Uno板的A0端口，电源线接入Arduino Uno板上的+5 V电压端口，地线接入Arduino Uno板上的GND端口。

将固态继电器的控制端接至Arduino Uno控制板上的Digital 3端口，固态继电器的另一端在接需要控制电器的开关上。

1.2 软件设计

1.2.1LabVIEW程序设计

LabVIEW编写的软件[7]负责读取Arduino Uno发送的浓度值并进行显示，根据设置的浓度上限发出警报，通过网络模块W5100向下位机Arduino Uno微处理器发送指定电器的状态切换命令。

图2 前面板

(1)前面板设计

LabVIEW前面板包含可燃气体浓度显示，浓度警戒线设置，停止按钮用于整个程序的终止。前面板如图2所示。mA

(2)程序框图设计

采用事件结构+超时结构来实现测量和控制两部分，在测量中使用条件结构+枚举的状态机来实现可燃气体浓度数据的读取。程序框图如图3所示。

图3 程序框图

1.2.2Arduino程序设计

Arduino Uno程序读取MQ-2传感器的浓度数据，并处理成字节数据，通过网络模块W5100上传给上位机；Arduino Uno程序通过网络模块W5100读取上位机的命令，进而控制固态继电器的闭合和断开，实现指定电器的打开或关闭。程序如下：

#include

#defineDHTTYPE DHT11

#definegas_Command 0x81

#definehumidity_Command 0x83

#definetemp_Command 0x82

#defineSW1_ON_Command 0x11

#defineSW1_OFF_Command 0x10

#include

bytemac[] = { 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED };

IPAddress ip(192,168,1,177);

EthernetServer server(8000);

DHT dht(2, DHTTYPE);

bytecomdata[3]={0};

voidtest_do_data(void);

int SW1=3;

floathif ;

int st;

void setup()

{

Ethernet.begin(mac, ip);

server.begin();

pinMode(SW1, OUTPUT);

}

void loop()

{

int i ;

EthernetClient client = server.available();

if (client) {

while (client.connected()) {

if (client.available()) {

for(i=0;i<3;i++)

{

comdata[i] =client.read();

delay(2);

}

test_do_data();

}

client.stop();

}

voidtest_do_data()

{

if(comdata[0] == 0x55)

{

if(comdata[1] == 0xAA)

{

switch (comdata[2])

{

casetemp_Command:

hif=dht.readTemperature();

server.print(hif,2);

break;

casehumidity_Command:

hif=dht.readHumidity();

server.print(hif,2);

break;

caseSW1_ON_Command:

digitalWrite(SW1, HIGH);

break;

caseSW1_OFF_Command:

digitalWrite(SW1, LOW);

break;

}

2 测试结果分析

Arduino UNO的TXD、RXD指示灯不断闪烁，连续采集可燃气体浓度数据，测试结果由前面板图2显示，当前浓度值显示为515。

为了验证系统的实时性，开启可燃气体设备，前面板可燃气体浓度数值持续增大，从前面板可以看到：浓度值已升高至702，程序设计中浓度大于600时会闪烁报警指示灯提醒用户注意，并通过网络模块W5100向下位机Arduino UNO发送指定电器的状态切换命令控制固态继电器的闭合和断开，实现指定电器的打开或关闭。