基于LabVIEW的婴儿培养箱温湿度检测系统

李 军，曾志平，张 雯，王耀弘，陈里里

(1.重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074;2.重庆市计量质量检测研究院，重庆 401147)

婴儿培养箱是综合了临床医学、机械、自动控制等学科先进技术的装置，它为早产儿或病婴提供了一个空气净化、温湿度适宜、类似母体子宫的优良环境。它必须是一个能为婴儿提供温度恒定、湿度适宜、空气洁净、环境安静等较理想环境因素的诊疗场所［1］，是医疗机构质量控制和计量部门重点监控的检测项目。

作为评价婴儿培养箱环境优劣的重要指标，温湿度参数的检测是婴儿培养箱质量控制检测的重要一环。而目前婴儿培养箱温湿度测控系统大多基于智能仪器技术构建，其功能模块基本以硬件方式实现。以该方式构建的系统存在诸如面板复杂、不便操作、测试设备容易受测试环境影响等问题，从而影响测量精度与准确度［2－3］。鉴于这些因素，结合虚拟仪器界面人性化、功能可自定、显示图形化等特点，本文设计了基于LabVIEW的婴儿培养箱温湿度检测系统。

1 设计要求

根据婴儿培养箱的技术以及项目建议书的要求，完成婴儿培养箱温湿度各项指标的检测。操作界面采用LabVIEW 2009图形可视化开发平台，具有直观的用户操作界面，用户可根据界面提示完成相关操作以及检测系统的数据采集、处理、存储和结果输出等工作。

1.1 温度设计要求

设备温度测量范围:0～50℃;测量温度最大允许误差:±0.15℃;测量温度探头的相对误差:≤0.1℃;温度测量的扩展不确定度:＜0.12℃。

1.2 湿度设计要求

相对湿度测量范围:0～100%RH;相对湿度最大允许误差:±3.0%RH;相对湿度测量的扩展不确定度:＜2.0%。

2 硬件设计

本文设计必须符合婴儿培养箱安全专用要求等国家标准和医药行业标准要求。在设计过程中主要参照了 JJF1260—2010婴儿培养箱校准规范［4］和 GB11243—2008婴儿培养箱安全专用要求［5］等标准体系，结合项目研究与开发任务要求，完成检测系统的硬件设计。

2.1 温湿度检测系统硬件设计

基于LabVIEW的婴儿培养箱温湿度检测系统硬件主要由温湿度传感器、温湿度变送器、温湿度数据传输线路等部分组成。其中温湿度传感器采用SHT10数字温湿度传感器，集温度与湿度采集于一体，相对湿度工作范围为0～100%RH，温度工作范围为－40～+125℃，且满足设计要求［6］。温湿度变送器采用FLEX 2000温湿度变送器，精度为±0.3℃，±2%RH。硬件系统基本结构见图1。

图1 硬件系统基本结构

2.2 数据传输系统

数据传输系统由数据采集、数据转换、数据传输串口转换、程序读取数据等模块组成。图1中的RS485－RS232、RS232－USB设计旨在实现传输串口转换。前端部分与温湿度传感器、温湿度变送器、传输串口转换模块组成系统的检测部分;后端与计算机、数据读取与存储程序、显示器等部分组成系统的显示部分。

数据的读取主要由LabVIEW对通过RS485串口转换为RS232串口传输的数据进行编译读取。温湿度传感器采集的数据经过温湿度变送器的前期处理，采用Modbus传输协议，经过RS485串口，再通过RS485转RS232的转换器，最终由LabVIEW 程序读取并显示出来［7－9］。

3 软件设计

采用LabVIEW 2009可视化开发系统，使用图形编辑器产生最优化编辑代码，利用应用程序生成器产生一个虚拟仪器，生成直观的用户界面，且所采集的信号具有多种显示模式［10］。本系统用户界面包括温、湿度数据以及温、湿度的变化曲线，且将采集的温、湿度数据输出并保存，同时对测量得到的温、湿度参数进行相关指标的计算以验证系统的可靠性与检测精度。图2为基于Lab-VIEW软件开发平台设计的婴儿培养箱的软件系统基本结构。

图2 软件系统基本结构

通信与数据采集是实现温湿度测试的重要组成部分，它包括:系统总线初始化模块、虚拟仪器测试参数设置模块和数据采集模块。在LabVIEW开发平台上，经过数据处理子程序、温湿度显示子程序可输出系统实时采集的温湿度信号，同时实时输出温度、湿度的变化曲线［10－11］。程序框图与显示面板设计见图3～5。

图3 系统程序框图(1)

图4 系统程序框图(2)

图5 系统显示面板

图3主要实现对系统串口的配置以及对寄存器数据的读取;图4主要对寄存器读取的数据进行处理和存储。

本系统只涉及对婴儿培养箱环境的检测，而未涉及对环境参数的控制，故在显示面板设计方面只考虑了温湿度数据的实时显示与变化曲线的显示。另外，由于FLEX2000除了具有测量温湿度的功能以外，还具有测量露点的功能，所以在显示面板的设计中增加了对露点的显示。

4 系统检验测试与调试

根据项目建议书的要求，系统进行如下参数的测定，并根据测试结果进行调试:

1)测量温度最大误差;

2)测量温度探头的相对误差;

3)温度测量的扩展不确定度;

4)相对湿度最大误差;

5)相对湿度测量的扩展不确定度。

本系统在检验测试过程中对在多个温度和湿度下的性能进行了组合测量，每一组合测量10组数据。在数据测量过程中，每隔1 min读取一次仪器标准值，且与系统测量值进行比较。由于数据繁多，组合测量得到的数据未逐一列于本文中。表1为在重庆市质量计量检测研究院温湿度标准检测设备上进行系统性能测试得到的其中一组数据。

表1 系统检验测试数据

由测量的数据可以计算出项目建议书中所要求的相关性能参数:

1)测量温度最大误差(±0.15℃)

各组数据的测量温度误差分别如下:

由此可以看出:各组测量数据均超出了规定的最大误差，因此在后期程序的调试中需对温度进行－0.80℃的补偿。调试后所产生的最大误差为－0.08℃，满足设计要求。

2)测量温度探头的相对误差(≤0.1℃)

在对系统进行－0.08℃的温度补偿之后，实验数据测试表明:测量温度探头的相对误差为0.08℃，满足设计要求。

3)温度测量的扩展不确定度［1］(＜0.12℃)

其中:uc为合成标准不确定度;k为B类方式评估系数。计算结果表明:温度测量的扩展不确定度满足设计要求。

4)相对湿度最大误差(±3.0%RH)

各组数据的相对湿度误差分别为 +0.01，+0.02， +0.28， +0.25， +0.24， +0.26，+0.20，－0.17，－0.04，+0.06

由以上数据可以看出:相对湿度误差均满足误差要求。

5)相对湿度测量的扩展不确定度(＜2.0%)

对于本文采用的灵敏度较高的SHT 10数字温湿度传感器，可以依据贝塞尔公式(标准偏差σ的常用估计公式)计算湿度计的测量不确定度［12］:其中:n为测量数据的组数;xi为第i个数据值;¯x为所测量数据的平均值。计算结果表明:湿度测量的扩展不确定度满足设计要求。

5 结束语

本文利用LabVIEW虚拟仪器技术的优点，结合婴儿培养箱环境检测的国家标准和行业标准，设计了工作可靠性高、操作简便的婴儿培养箱温湿度检测系统及装置。该系统包含温湿度数据采集与处理、温湿度与变化曲线的实时显示、数据存储与回读等模块，并借助重庆市质量计量检测研究院温湿度标准检测设备进行了系统性能测试。测试结果表明:系统具有较高的可靠性，能以较高精度与准确度完成婴儿培养箱温湿度的检测。同时，本系统的设计思路与调试测试过程对基于虚拟仪器开发平台的系统设计具有一定的参考意义。

［1］王平均.智能婴儿培养箱的检测仪［J］.上海计量测试，2013(05):31－39.

［2］张丽娜.基于LabVIEW的温湿度测控系统设计［D］.呼和浩特:内蒙古大学，2006.

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［5］GB11243—2008，婴儿培养箱安全专用要求［S］.北京:中国标准出版社，2008.

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