基于labview的厨房监测系统测控技术与仪器 论文文献综述本科学位论文.docx

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基于labview的厨房监测系统测控技术与仪器论文文献综述本科学位论文

成绩：

xx建筑科技大学

毕业设计（论文）文献综述

院（系）：

信息与控制工程学院

专业班级：

测控技术与仪器xxx

毕业设计论文方向：

厨房监控系统设计

综述题目：

基于Labview的厨房监测系统

学生姓名：

xxxx

学号：

xxxx

指导教师：

xxxx

2015年3月30日

基于Labview的厨房监测系统

摘要：

随着现代社会经济的飞速发展，人们的生活水平也在不断提高。

家庭住宅居室是人们生活的最主要场所，室内居住环境的舒适度、便利性以及安全性直接关系着人们的生活质量，影响着人们的身心健康，因此室内环境污染对人体健康的影响已越来越被人们所关注，人们对室内环境的要求也越来越高。

但是如今由于室内装修污染物以及人们各种不良生活习惯等原因，导致室内环境隐患众多，严重危害人们的身心健康，特别是厨房油烟中所含有的有害物质更是严重危害着人的生命健康，所以对厨房环境的监控是非常必要的。

本系统利用烟雾传感器、温度传感器、有毒气体传感器与数据采集卡相连，用来实现对厨房环境参数的实时采集传输功能，通过数据采集卡将所采集到的数据传送到PC机上，利用图形化编程语言LabVIEW对采集到的数据进行处理，并分析结果，产生警报，启动风扇换气系统，从而实现对厨房环境安全的监控。

关键词：

传感器监控数据采集卡LabVIEW

1.前言

随着当代我国社会经济的高速发展和人们生活水平的不断提高，人们对日常生活的质量问题也越来越重视。

家庭住宅是人们休息、学习、聚会、活动的最主要场所，住宅环境的好坏直接影响着人们的身心健康。

与此同时，人们现在追求的是集舒适、便利、安全于一体的多元化、高品质的健康生活环境。

而如今，人们的家庭室内环境污染随着装修以及各种不良的生活习惯而日益严重，甚至有些污染是人们用单纯的自身感知所不能察觉的，这样就会严重影响人们的身心健康。

室内环境的温湿度，光照环境，或者可能泄漏的天然气等都会对人们的生活健康状况和工作效率造成严重影响。

室内光的强度对人眼的影响很大，长期处在在光强过暗或过强的环境下工作生活会对人眼造成危害；现在做为高效、节能、环保的天然气主要是由甲烷组成的气态化石燃料，同时含有高量的乙烷、丙烷等烷烃，还有一些酸性气体，如二氧化碳和硫化氢。

尽管天然气是无色无味的，不像一氧化碳那样具有毒性，它本质上是对人体无害的，但是如果天然气浓度超过25%时，会损害神经系统导致麻痹、昏迷、甚至死亡；根据研究发现，人体最适宜的温度在18℃～24℃之间，最适宜的健康湿度在45％RH～65％RH之间。

当环境湿度低于35％RH时，24小时后流感病毒的存活率仍在10％以上，当环境湿度高于50％RH时，10小时后病毒全部死亡。

流感与湿度有密切关系，健康的湿度可抑制病毒、病菌的滋生和传播，还可提高人体机体的免疫力。

尽管室内的环境污染是可以通过净化空气而得到有效控制的，但是要真正实现室内环境的舒适安全，室内环境的监测是必不可少的一环。

在厨房内，食用油和食物在高温下会发生裂解，产生大量的有害油烟。

有研究表明，厨房油烟中的有害物质超过300种，其中主要是醛、酮、烃、脂肪酸、醇、芳香族化合物、酮、内酯、杂环化合物等，这些有害物质具有肺脏毒性、免疫毒性、遗传毒性以及潜在致癌性。

因此，实时的监控厨房内的有害物质浓度及温度等环境参数是非常有必要的，从而可以减小厨房中有害物质对人类健康的影响。

[1]

2.基于LabVIEW厨房检测系统简介

2.1室内环境监测现状

现如今，室内环境污染日益严重，而人们的室内活动也逐渐增多，人们对室内环境的空气质量越来越关注。

所以，为进一步预防并逐步减少室内环境污染物对人们带来的危害，新型的室内环境监测系统的研究显得尤为重要。

近几年来，为了治理室内环境污染，我国相继颁布了一些法律法规,，如国家质检总局、卫生部、国家环保总局于2002年联合发布的《室内空气质量标准》（GB/T18883-2002）等标准和规范。

随着传感器电子技术的发展，传感器技术与单片机技术相结合实现的数据采集系统应用在各个领域，推动了科学技术的迅速发展。

嵌入式系统也已经广泛应用在环境检测系统中并且发展迅速。

[2]

在国外，西方的一些发达国家里，环境监测系统的应用已经比较广泛，但在国内，这一领域的发展起步比较晚，而且没有统一的标准，所以大多数是照搬的国外先进技术。

但是直到上世纪末，我国的电子科技技术进入快速发展阶段，以智能家居为最终目标的家庭环境监测控制系统萌芽，但主要集中在珠三角，长江三角洲及环渤海地区，例如，青岛海尔公司的“e家庭”，清华同方的“e-home数字家园”等等。

[3]

2.2传感器的发展现状

当今信息技术飞速发展，但是永恒不变的是其三大基础功能：

信息采集、信息传输、信息处理。

任何一种信息技术都离不开这三大基础。

三大基础功能之一的信息采集技术指的就是传感器技术。

传感器技术在人们的日常生活中随处可见，在电子技术领域中扮演着极其重要的角色。

传感器是人们获得自然领域中信息的最主要的途径，是现在科学的中枢神经系统。

[4]

2.2.1温湿度传感器研究现状

温湿度传感器应用于很多领域，比如工业领域、农业领域、科技领域等等。

温湿度传感器是各种传感器应用数量中最多最常见的。

近年来，温湿度传感器技术已经趋于成熟、稳定，从最初的温度湿度分开单独测量控制的分散仪表发展成为可以实现双回路集成的温湿度同时测量的传感器，使温湿度的测量更加简单方便。

对于温湿度传感器，国外在20世纪70年代就已经开始研究。

【5】一开始，大家广泛使用的是模拟式的组合仪表，通过采集现场信息，然后进行操作、记录和控制。

自80年代末以来人们开始采用分布式温湿度控制系统技术。

在我国，从20世纪80年代才开始研究温湿度的测控技术，相对于发达国家起步时间比较晚，暂时处于落后的水平。

而发达国家已经拥有很先进的温湿度控制技术。

当前国内应用最多的是数字式温湿度传感器，它是基于半导体集成的温湿度传感器，能够直接输出温湿度的数字值，并且具有响应速度和动作快以及精度高的特点，而且数字温湿度传感器输出的是数字值而不是模拟值，不需要A/D转换过程，使用更加方便。

所以数字温湿度传感器在近几年得到了迅速的发展。

[6]

2.2.2烟雾传感器的研究现状

烟雾传感器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范、检测空气质量的，烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。

国外从20世纪30年代开始研究及开发烟雾传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。

据有关统计，美国1996年~2002年烟雾传感器年均增长率为27%~30%。

随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾检测仪器的体积也逐渐变小，提高了烟雾检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。

1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。

我国在70年代初期开始研制烟雾报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。

但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。

近年来，在烟雾选择性和产品稳定性上也有很大进步。

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离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。

它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。

在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。

一旦有烟雾窜逃外电离室。

干扰了带电粒子的正常运动，电流，电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。

烟雾传感器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。

[8]

光电式烟雾报警器内有一个光学迷宫，安装有红外对管，无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光，当烟尘进入光学迷宫时，通过折射、反射，接收管接收到红外光，智能报警电路判断是否超过阈值，如果超过则发出警报。

光电式感烟探测器可分为减光式和散射光式两种。

气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。

它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。

它的应用主要有：

一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。

它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。

离子烟雾报警器对微小的烟雾粒子的感应要灵敏一些，对各种烟能均衡响应；而前向式光电烟雾报警器对稍大的烟雾粒子的感应较灵敏，对灰烟、黑烟响应差些。

当发生熊熊大火时，空气中烟雾的微小粒子较多，而闷烧的时候，空气中稍大的烟雾粒子会多一些。

如果火灾发生后，产生了大量的烟雾的微小粒子，离子烟雾报警器会比光电烟雾报警器先报警。

这两种烟雾报警器时间间隔不大，但是这类火灾的蔓延极快，此类场所建议安装离子烟雾报警器较好。

另一类闷烧火灾发生后，产生了大量的稍大的烟雾粒子，光电烟雾报警器会比离子烟雾报警器先报警，这类场所建议安装光电烟雾报警器。

火灾烟雾是由气、液、固体微粒群组成的混合物，具有体积、质量、温度、电荷等物理特性。

离子型烟雾探测器是通过相当于烟敏电阻的电离室引起的电压变化来感知烟雾粒子的微电流变化装置。

当烟雾粒子进入电离室，改变了电离室空气的电离状态，从而宏观表现为电离室的等效电阻增加引起电离室两端的电压增大，由此来确定空气中的烟雾状况。

而气敏式传感器是探测空气中某些可燃气体的成分，所以在火灾探测方面，气敏式传感器性能并不如离子式传感器。

探测空气中可燃气体的含量。

有效地探测煤气、液化石油气、然气、一氧化碳等多种可燃性气体的微量泄漏。

适用于石油、化工、煤炭、电力、冶金、电子等工业企业，以及煤气厂、液化石油气站、氢气站等生产和贮存可燃性气体的场所。

[9]

2.2.3气体传感器的发展

气体传感器的研究涉及面广、难度大,属于多学科交叉的研究领域。

要切实提高传感器各方面的性能指标需要多学科、多领域研究者的协同合作。

气敏材料的开发和根据不同原理进行传感器结构的合理设计一直受到研究人员的关注。

在综合气体传感器的国内外的研究未来气体传感器的发展也将围绕这两方面展开工作。

主要内容为:

气敏材料的进一步开发:

一方面寻找新的添加剂对已开发的气敏材料的敏感特性进一步提高,尤其是通过选择不同的添加剂来改善同一基质材料对不同气体的选择性;另一方面充分利用纳米、薄膜等新材料制备技术使气敏材料各方面的性能均得到大大改善,譬如:

纳米器件比表面积大,有利于提高其灵敏度,大大降低使用温度,易于器件集成化,降低成本,便于使用。

新型气体传感器的开发和设计:

根据气体与气敏材料可能产生的不同效应设计出新型气体传感器是气体传感器未来发展的重要方向和后劲。

近年来表面声波气体传感器、光学式气体传感器、石英谐振式气体传感器等新型传感器的开发成功进一步开阔了设计者的视野。

目前仿生气体传感器也在研究中。

警犬的鼻子就是一种灵敏度和选择性都非常好的理想气敏传感器,结合仿生学和传感器技术研究类似狗鼻子的“电子鼻”将是气体传感器发展的重要趋势和目标之一；气体传感器的智能化:

生产和生活日新月异的发展变化对气体传感器提出了更高的要求,气体传感器智能化是其发展的必由之路。

纳米、薄膜技术等新材料制备技术的成功应用为气体传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件。

气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术、模糊理论等多学科综合技术的基础上得到发展。

研制能够同时监测多种气体的全自动数字化的智能气体传感器将是以后该领域的重要研究方向。

[10]

2.3LabVIEW及数据采集平台介绍

2.3.1LabVIEW简介

测量仪器发展至今，大致经历了四代发展历程，即模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器和智能仪器。

随着电子技术、计算机和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，一种全新的仪器——虚拟仪器应运而生。

它是现代计算机软件技术、通信技术和测量技术高速发展孕育出的一项革命性技术，引发了传统仪器的结构、概念、和设计观点的巨大变革，它的出现使测试技术进入了一个新的自动化发展纪元。

采用虚拟仪器技术构建的测试仪器，不但具有开发效率高、可维护性强、测试精度高、稳定性和可靠性等优点，还具有较高的性能价格比，便于节省投资、设备更新和功能转换与扩充，实现系统的升级。

LabVIEW（LaboratoryVirtualInstr-umentEngineeringworkbench）是实验室虚拟仪器集成开发平台的简称，LabVIEW是一个功能完整的虚拟仪器软件开发环境，但它同时也是一种功能强大的编程语言。

由于LabVIEW采用基于流程图的图形化编程方式，因此也被称为G语言（graphicallanguage）。

其特色为提供断点设置，单步调试和数据探针在内的程序调试工具，在功能完整性和应用灵活性上不逊于任何高级语言。

LabVIEW针对数据采集、仪器控制、信号分析、和数据采集等任务，设计提供了丰富完善的功能图标，用户只需直接调用，就可以免去自己去编写程序的繁琐，而且LabVIEW作为开放性的工业标准，提供了各种接口总线和常用仪器的驱动程序，是一个通用的软件开发平台。

[11]

2.3.2数据采集平台介绍

数据采集卡是虚拟仪器进行测试必不可少的硬件,外界信号需由它采集,然后经过一系列的信号调理,输入到虚拟仪器测试系统。

数据采集卡可以分为两类:

一类是由NI公司提供,并且NI公司提供了上百种驱动程序,LabVIEW支持这种采集卡。

因此,在LabVIEW环境下应用这类数据采集卡采集数据无需专门的驱动程序;另一类为非NI数据采集卡,LabVIEW不支持,需要编写相应的驱动程序使之被LabVIEW所识别,从而完成数据采集工作。

[12]

NImyRIO是NI针对教学和学生创新应用而最新推出的嵌入式系统开发平台。

NImyRIO内嵌XilinxZynq芯片，使学生可以利用双核ARMCortex-A9的实时性能以及XilinxFPGA可定制化I/O，学习从简单嵌入式系统开发到具有一定复杂度的系统设计。

NImyRIO的便携性、快速开发体验以及丰富的配套资源和指导书，使学生在较短时间内就可以独立开发完成一个完整的嵌入式工程项目应用，特别适合用于控制、机器人、机电一体化、测控等领域的课程设计或学生创新项目。

由于NImyRIO是一款针对学生创新应用的平台，因此在产品开发之初即确定了以下重要特点：

易于上手使用：

引导性的安装和启动界面可使学生更快地熟悉操作；编程开发简单：

支持用LabVIEW或C/C++对ARM进行编程，LabVIEW中包含大量现成算法函数，同时针对NImyRIO上的各种I/O接口提供经过优化设计的现成驱动函数，方便快速调用，甚至比使用数据采集（DAQ）设备还要方便；如果学生需要对FPGA进行自定义编程，可采用LabVIEW图形化编程方式进行开发。

安全性：

直流供电，根据学生用户特点增设特别保护电路；便携性。

同时，NImyRIO是一款真正面向实际应用的学生嵌入式开发平台。

NImyRIO采用NI工业级标准可重配置I/O（RIO）技术，与NI其他工业级的嵌入式监测与控制开发平台（如NICompactRIO及NISingle-BoardRIO）具有相似的系统结构和开发体验，学生通过NImyRIO获得相应的经验后可将其用于其他更加复杂的工业嵌入式应用开发或相关科研项目。

[13]

NImyDAQ是一种使用NILabVIEW软件的低成本便携式数据采集（DAQ）设备，学生可使用它测量和分析实际信号。

NImyDAQ采用USB接口，提供了模拟输入（AI）、模拟输出（AO）、数字输入和输出（DIO）、音频、电源和数字万用表（DMM）函数。

NImyDAQ带有2个模拟输入通道。

上述通道可被配置为通用高阻抗差分电压输入或音频输入。

模拟输入为多路复用，即通过一个模数转换器（ADC）对两个通道进行采样。

在通用模式下，测量信号范围为±10V。

在音频模式下，两个通道分别表示左右立体声信号输入。

每个通道可被测量的模拟输入高达200kS/s，因此对于波形采集非常有用。

模拟输入用于NIELVISmx示波器、动态信号分析器和Bode分析仪。

NImyDAQ带有2个模拟输出通道。

上述通道可被配置为通用电压输出或音频输出。

两个通道均可用作数模转换器（DAC），因此可进行同步更新。

在通用模式下，生成信号范围为±10V。

在音频模式下，两个通道分别表示左右立体声信号输出。

NImyDAQ带有8个DIO数据线。

每条数据线为一个可编程函数接口（PFI），表示其可被配置为通用软件定时数字输入或输出，或可用作数字计数器的特殊函数输入或输出。

NImyDAQ适用于电子设备和传感器测量。

通过与计算机上的NILabVIEW配合，可分析和处理获取的数据并可随时随地控制简单的进程。

[14]

2.4厨房监测系统的基本组成

2.4.1传感器检测电路

通过对传感器的选型，将温度传感器，烟雾传感器，气敏传感器的检测电路集成到一个电路板上，通过合理的分析设计，选择适当的测量电路，从而输出规范的电信号，以便实现与数据采集平台的物理连接。

2.4.2数据采集平台

LabVIEW是虚拟仪器领域中最具有代表性的图形化编程开发平台,是目前国际上首推并应用最广的数据采集和控制开发环境之一,主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域,并适用于多种不同的操作系统平台。

与传统程序语言不同,Lab-VIEW采用强大的图形化语言（G语言）编程,面向测试工程师而非专业程序员,编程非常方便,人机交互界面直观友好,具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力等特点。

使用LabVIEW开发环境,用户可以创建32位的编译程序,从而为常规的数据采集、测试、测量等任务提供了更快的运行速度。

LabVIEW是真正的编译器,用户可以创建独立的可执行文件,能够脱离开发环境而单独运行。

数据采集卡是虚拟仪器进行测试必不可少的硬件,外界信号需由它采集,然后经过一系列的信号调理,输入到虚拟仪器测试系统。

2.4.3计算机实时监测与控制单元

传感器通过数据采集平台将所采集到的实时数据送入到计算机，在PC机上，利用LabVIEW的信号处理功能对数据进行处理，之后可将数据显示在前面板中的虚拟示波器上，方便直观看出数据的变化情况。

通过LabVIEW图形化编程设计，可在前面板设置虚拟控制单元，当传感器所采集的数据超过一定值时，可控制风扇换气扇的开关大小以及打开报警系统进行报警。

[15]

3本课题研究的主要内容

1）开发虚拟示波器、虚拟波形发生器等实验室常用虚拟仪器；

2）建立虚拟仪器计算机与烟雾传感器、温度传感器、有毒气体传感器的物理连接。

3）对采集到的结果进行显示，并分析结果，产生警报，启动风扇换气系统。

4）对采集到的数据进行存储。

对存储的数据可以进行回放，并在虚拟示波器上显示。

4本课题的研究意义

近年来,室内空气品质与安全问题越来越受到人们的关注。

室内环境污染是对人口造成最大危害的环境问题之一,其中厨房气流组织不合理是导致室内空气品质恶化的一个重要原因。

厨房油烟污染物主要包括燃料废气和油烟废气两大类。

燃料废气主要包括CO、NO、SO2烟尘等,而油烟废气是气、固、液三相构成的气溶胶,其粒径范围基本在0.1~10Lm之间。

烹调油烟成分非常复杂,成分组成达300多种,多种成分有促癌作用,并破坏人体的免疫功能,严重损害人体健康安全。

同时,如果油烟不及时排出室外,就会长期悬浮在厨房空气中,并扩散到套室其它房间,甚至粘附到墙壁、家具表面形成油腻,很难清除。

因此，对厨房内温度，烟雾浓度，有毒气体的监测对人体健康有着重要的作用，通知监测油烟的浓度，根据其浓度大小对风扇换气系统进行控制，从而确保厨房内环境的绝对安全。

5总结

这三周通过对相关资料的搜集和学习，我对本次毕业设计有了更深入的了解。

经过自己的认真总结，我对本次课题的设计有了整体的框架思路，相信后边通过自己的不断努力学习，定能顺利完成本次设计任务。

在这段时间里，我首先通过查阅资料了解了厨房内的有害物质及其对人体健康的影响以及厨房环境安全的重要性。

其次了解了目前国内外用于检测厨房环境参数传感器的发展情况，主要了解了温度传感器，烟雾传感器以及气敏传感器的现状及发展。

最后通过查阅资料，了解了NI数据采集卡的发展情况以及LabVIEW在数据采集系统中的应用等。

经过这段时间的了解，我对于本次设计的整体思路框架是，将传感器监测电路集成到一块电路板上，然后通过数据采集卡将所检测的信号采集到计算机，利用LabVIEW的信号处理等功能对数据进行处理，最终将其显示在前面板上，并能根据所检测信号的量值大小来控制厨房换气扇的大小，遇到紧急状况应及时报警，从而实现对厨房的安全监控作用。

参考文献

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（2）

[2]刘书田，王春红，赵志强，刘森林.室内微环境污染与人体健康[J].中国辐射卫生，2010，19（3）

[3]郝光键.基于LabVIEW和单片机的室内环境监测预警系统的设计[D].山东农业大学，2014.6

[4]周润景，刘晓霞，韩丁，朱莉.传感器与检测技术[M].北京：

电子工业出版社，2014.1

[5]郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用[M].xx:

xx电子科技大学出版社，2008.4

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高等教育出版社，2005.1

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[8]徐晓明，叶盛，胡洁.新型光电式烟雾传感器及其应用[J].仪器仪表学报，2002，3（9）

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[11]黄松岭，吴静.虚拟仪器设计基础教程[M].北京：

清华大学出版社，2008.10

[12]李涛,雷万忠.基于LabVIEW的数据采集系统研究[J].工控自动化，2010（11）

[13]ZhongyuanWang，YonghengShang,JiaruiLiu,