基于虚拟仪器的电饭锅能效自动检测系统

吴黎明石艳军姜华张震坤

（1.广东工业大学 信息工程学院 2.广东检验检疫技术中心）

基于虚拟仪器的电饭锅能效自动检测系统

吴黎明1石艳军1姜华2张震坤2

（1.广东工业大学 信息工程学院 2.广东检验检疫技术中心）

针对电饭锅能效检测存在的缺陷，提出使用虚拟仪器技术构建其能效自动检测系统。阐述了系统总体设计方案，建立了以热电偶、MAX6675、HIOKI3332、单片机等为核心的底层硬件系统；采用LabVIEW语言设计了上位机软件，利用数据库访问工具包LabSQL，完成了实时测试数据的存储，最后通过远程面板调用实现了系统检测过程的实时远程监控。

电饭锅能效；自动检测；虚拟仪器；远程监控

1 引言

随着自然资源的日渐枯竭和环境的不断恶化，世界各国越来越重视产品的能效性能。然而我国的能效检测目前还处在一个起步发展阶段，检测技术尚不成熟，主要表现为：自动化程度低，导致检测人员工作量大，工作效率低；能效检测的溯源性差。除空调[1]、风扇[2]等少数产品必需自动化程度高的成套检测系统外，极少有关自动能效检测系统的研究。近年来虚拟仪器技术的迅速发展，为能效检测的自动化研究提供了条件。虚拟仪器是一种新型科学仪器，已经成为科学仪器研究的主要方向[3]。其核心是以计算机作为仪器的硬件支撑，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等功能，把传统仪器的专业化功能软件化，使之与PC机结合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统仪器相同，同时又充分享用了PC机智能资源的全新的仪器系统[4]。本文以电饭锅为例，介绍一种基于虚拟仪器的自动化能效检测系统。

2 系统总体设计方案

GB 12021.6-2008《自动电饭锅能效限定值及能效等级》规定了电饭锅热效率、待机能耗和保温能耗的试验方法，由试验方法可知，试验需要采集水温、耗电量、时间等参数并完成相应的控制功能，故将系统分为温度采集、电参数采集、控制器、计算机及其软件等几个模块，测试系统框图如图1所示。

图1 电饭锅能效检测系统框图

根据系统要求，温度采集模块主要以热电偶和MAX6675为组成核心；电参数采集选择高精度、交流专用的单相电参数测量仪HIOKI3332；控制器部分采用单片机AT89C52即可满足系统的需求；使用LabVIEW语言设计虚拟仪器系统的上位机监控软件，完成与底层硬件系统的通信、实时采集数据的存储及远程监控等功能；另外，保温能耗测定试验规定，当水温达到90℃时应强制使器具进入保温状态，即需控制待测电饭锅工作状态切换部件，这里选择电磁铁构成控制部件完成相应的功能。

3 硬件设计

电参数采集主要是将测量仪器HIOKI3332引入电路，通过电源的通断控制其耗电量积分。这里主要介绍温度采集。测温元件选用目前温度测量中使用最普遍的热电偶[5]，其工作原理是两种不同成份的导体两端接合成回路，当两个接合点的温度不同时，在回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势。热电动势的大小只与热电偶导体材质以及两端温差有关，与热电偶导体的长度、直径无关。热电偶具有构造简单、使用方便、承受热、机械冲击能力强等特点，适用于远距离和自动控制。

MAX6675[6]是美国MAXIM公司生产的带有冷端补偿、线性校正、热电偶断线检测的串行K型热电偶模数转换器，其内部元器件的参数进行了激光修正，从而对热电偶的非线性进行了内部修正，其内部结构如图2所示。

图2 MAX6675内部结构图

图3 MAX6675连接示意图

控制部分选用两块AT89C52单片机，分别称为主单片机与从单片机。主单片机主要负责温度数据的采集、整个试验过程的控制以及输入输出的人机交互，还包括报警、显示等。从单片机主要负责对时钟芯片的控制系统下位机工作流程如图4所示。

图4 下位机工作流程

4 上位机监控软件设计

4.1 主程序及界面设计

该软件系统[7,8]主要分为两部分：与温度采集系统的通信和与电参数采集系统的通信。其核心在对温度采集系统的温度值和电参数采集系统的电参数值的采集、分析、显示和存储上。根据需要，本软件主要分为如下几个模块：初始化模块、参数选择模块、测量模块、显示和存储模块，部分流程图如图5所示。

图5 部分程序图

软件的界面如图6所示，具体使用流程如下所示：① 选择配置端口，如波特率、端口、数据位、奇偶校验等；② 其次进行参数设置完成初始化，如采样时间、量程等；③ 发送启动或结束命令；④ 接收并分析处理显示采集的数据；⑤ 对处理过的数据进行波形显示；⑥ 根据数据量的大小，通过存储模块进行文件或数据库的存储。

图6 系统主界面

4.2 LabVIEW与数据库的连接

在测试过程中需要将系统产生的检测结果保存到数据文件中，从而用于研究被测对象状态变化的历史趋势，分析其在某些特殊情况的特征。LabVIEW提供了文本、表单、数据记录等多种文件类型。但当面对大量数据信息量存储时，这些文件系统存在管理效率低、不具备历史数据查询与分析功能等缺陷，因此有必要连接数据库对相关数据信息进行存储[9]。本系统利用工具包LabSQL，通过Microsoft ADO和SQL来实现数据交互。LabSQL是一个免费的、多数据库、跨平台的LabVIEW数据库访问工具包，它支持Windows操作系统中任何基于OBDC的数据库，包括Access、SQL Server、Oracle等。LabSQL的优点是易于理解，操作简单，不熟悉SQL语言的用户也可以很容易地使用，只需进行简单的编程，就可在LabVIEW中实现数据库的访问。它还有一个最大的优点就是源代码开发，而且完全免费。有关数据库访问的部分原程序如图7所示。

图7 数据库访问部分程序

4.3 LabVIEW远程监控

随着计算机网络的发展，虚拟仪器与Internet技术的结合为虚拟仪器网络化、工业现场远程测控提供了更好的实现平台。针对不同的应用和不同的层次，LabVIEW提供了多种网络通信方式供用户灵活选择，包括共享变量、DataSocket、TCP/IP、远程面板调用等[10]。共享变量使用简单方便，用户不用了解任何网络协议，不需编程即可实现网络交换，而且可以用来与OPC Server连接，并富含了很多其他工业监控系统所需要的属性功能，例如报警、存储和用户权限管理等，故广泛应用于实时系统中；基于DataSocket技术的远程测控方案，定义了一个测控数据传输协议，从而利用这种方法达到很高的数据传输效率，实时性能相当好；TCP与UDP的网络通信应用于需要LabVIEW与其他编程语言编写的程序进行网络通信；而基于远程面板调用的通信方式则是直接将本地的VI程序面板“搬”到远程计算机上进行浏览或操作。几种网络通信方式的特性如表1所示。

表1 LabVIEW中各种网络通信方式比较

基于共享变量与DataSocket的通信方式的缺点是只能实现C/S模式而不能实现B/S模式，客户端控制功能太弱，尚有待加强；基于TCP与UDP的网络通信需要同时开发服务器端程序和客户端程序，编程复杂，用户需要考虑如何建立连接、分配端口号、地址转换等。比较几种网络编程的特性，结合远程监控的实际需要，该系统选择“远程面板调用”通信方式，其连接示意图如图8所示。

图8 远程面板连接示意图

5 结束语

本文研制了一套基于虚拟仪器的电饭锅能效自动检测系统，通过搭建以热电偶、MAX6675、HIOKI3332、单片机为核心的底层硬件系统，实现了检测过程的自动化；利用LabVIEW语言建立系统上位机监控软件，解决了可溯源性差的缺陷。该系统已应用于电饭锅能效检测，效果良好，而且由于所有的能效检测有一个共性，即都需测量耗电量，该系统可借鉴用于开发其他产品的自动检测系统，具有重要的理论价值和实际意义。

[1] GB/T 7725-2004,房间空气调节器[S].

[2] 张永强.液晶电视光色特性自动测量系统[D].浙江:浙江大学,2006.

[3] Hernandez-Martinez H,Garcia-Matias J．An alternative methodogogy for developing virtual instrument in virtual labs[C] ．Warsaw，Poland：Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.，2007．

[4] Zhang Y，Guo D，Jiang Y．The Development of Configuration-Software for Testing Equipment Based on Virtural Instrument[C] ．Shenzhen，China：International Academic Publishers，2003．

[5] 吴强.基于LabVIEW的远程多路测温系统的设计与实现[D].上海:华东师范大学,2008.

[6] 虞致国,徐健健.MAX6675的原理及应用[J].国外电子元器件,2002,(12):41-43.

[7] Shi Yanjun，Wu Liming，Jiang Hua，Zhang Zhenkun．A System of Multiparameter Data Acquisition about Wattmeter Based on LabVIEW[C] ．2010 WASE International Conference on Information Engineering，2010,2:91-93.

[8] Wu Liming，Shi Yanjun，Jiang Hua，Chen Ping．Redesign on Luminance Meter and Its Application on Energy Efficiency Inspection[C]．2010 2nd International Conference on Mechanical and Electronics Engineering,2010,2:171-174.

[9] 吉顺祥,刘旺锁,宋晓婷.基于LabVIEW的数据库访问技术[J] .航海工程,2007,36（3）:125-128.

[10] 张志敏,李贤敏.基于网络的虚拟实验室的研究[J].实验技术与管理,2008,25（4）:160-163.

吴黎明，男，1962年生，教授，硕导，主要从事精密仪器及机械、嵌入式系统研究等。

石艳军，男，1983年生，在读硕士研究生，研究方向：虚拟仪器，测试测量及其自动化。

The Automatic Energy Efficiency Inspection System of Cooker Based on Virtual Instrument

Wu Liming1Shi Yanjun1Jiang Hua2Zhang Zhenkun2
(1.Information Engineering Department，Guangdong University of Technology 2.Guangdong Inspection and Quarantine Technology Center)

According to the weakness of energy efficiency inspection, virtual instrument is used to construct an automatic test system of cooker. The system design program and hardware system are introduced, which is composed of thermocouple, MAX6675 HIOKI3332 and singlechip. The LabVIEW is adopted to design monitor software of virtual instrument system. The real-time test data are stored through database access toolkit LabSQL. The remote panel is useed to realize remote monitoring of real-time test process.

Energy Efficiency of Cooker; Automatic Inspection; Virtual Instrument; Remote Monitoring