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1、基于 Labview 的温度测控系统研究 I摘 要 本文介绍了基于 Labveiw 的温度测控系统的研究，本系统以 Labview 为软件开发环境，数据采集卡为硬件基础，实现对温度的自动测试与控制。它采用虚拟仪器技术，用软件代替硬件，改变了原有温度测控系统的设计思路。关键词：Labview，虚拟仪器，温度测控 基于 Labview 的温度测控系统研究 IIABSTRACT This text introduces based on the LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)Software to design
2、 tempreture measuere and control System,this system is designed in Labview environment,and data collection Card as hard base.it measures and controls the tempreture automacticly.It include the vi technology,and changes the traditional overall design thinking of tempreture measure and control intrusm
3、ent,eplacing the hardware with the software.Key words:Labview,VI,Tempreture Measure And Control 基于 Labview 的温度测控系统研究 III目 录 第一章 绪 论.1 1.1 课题的背景和意义.1 1.2 虚拟仪器.1 1.3 课题的研究内容及方法.2 第二章 图形化编程语言 LABVIEW.3 2.1 LabVIEW 简介.3 2.1.1 LabVIEW 软件的特点.3 2.1.2 LabVIEW 的基本开发环境.3 2.2 LabVIEW 模板简介.5 2.2.1 工具模板.5 2.2.3
4、功能模板.7 2.3 基于 Labview 平台的虚拟仪器的设计.9 2.3.1 虚拟仪器的构成及分类.9 2.3.2 虚拟仪器的设计步骤.11 2.3.3 典型虚拟仪器实例.13 第三章 温度测控系统.14 3.1 温度测控系统介绍.14 3.2 基于 Labview 的温度测控系统的研究内容.14 第四章 系统的总体设计.16 4.1 系统主要原理.16 4.2 系统的设计.16 4.2.1 控制系统的设计.17 4.3 系统的主要组成.19 4.4 系统的流程框图.19 4.5 系统前面板组成.20 基于 Labview 的温度测控系统研究 IV第五章 系统详细设计.21 5.1 软件部
5、分.21 5.1.1 系统前面板设计.21 5.1.2 系统框图设计.23 5.2 硬件部分设计.28 5.2.1 温度测控电路设计.28 5.2.2 温度信号滤波设计.29 第六章 实验测试数据及结论.31 第七章 经济技术分析报告.35 第八章 结束语.37 参 考 文 献.388 致 谢.39 基于 Labview 的温度测控系统研究 1第一章 绪 论 1.1 课题的背景和意义 在许多行业中工业系统中，温度测控系统是不可或缺的。电厂、石化行业、钢铁厂以及制药厂等企业使用了大量的各类测温器件，如热电阻、热电偶等对温度进行采集然后进行运算控制。目前大多数温度测控系统在进行温度检测时，都是利用
6、测温器件将温度转化为电量后，经信号放次电路放大到适当的范围，再由AXD 转换器转换成数字量来完成的。这种电路结构复杂，调试繁杂，精度易受元器件参数的影响。针对这一情况，我们利用目前测控领域的新技术-虚拟仪器技术及 LabVIEW 软件开发平台的的功能和技术特点研究一套温度测控系统。将 LabVIEW 与虚拟仪器技术连接测温器件组成的温度测控系统，与传统的温度测控系统相比具有开发和维护费用低、技术更新周期短（0.51 年）、价格低、开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配置、可用网络联络周边各仪器等特点；且虚拟温度测控系统要比传统的测控更为通用，在组建和改变仪器的功能和技术性能方面更为灵活、更为经
7、济，更能适应迅猛发展的当代科学技术对测量技术和测量仪器不断提出的更新并扩展功能与性能的要求。1.2 虚拟仪器 虚拟仪器(Virtual Instrument,简称 VI)技术是本世纪 80 年代末 90 年代初于测控技术领域出现的一项突破性进展,是当今计算机辅助测试(CAT)的一项重要技术，虚拟仪器技术是电子测量技术与计算机技术深层次结合的、具有很好发展前景的新一类电子仪器技术。虚拟仪器突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式，实际上，使用者是在操作具有测试软件的电子计算机进行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器，虚拟仪器因此而得名。虚拟仪器技术的开发和应用的活跃源于 1986 年美国 NI 公司设计
8、的LabVIEW，它是一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境，实现了虚拟仪器的概念。NI 提出的“软件即仪器”（The software is the instrument）的口号，彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面。国内于 1985 年由 COINV（东方振动和噪声技术研究所）提出了 PC 卡泰（PCCATAI）微机卡式采集测试分析仪的概念，并推出了 DASP(达世普)软（DataAcquisition&Signal Processing）。随后又提出了“把试验室拎着走”的口号。近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些仪器
9、公司提供的开发平台软件组建自己基于 Labview 的温度测控系统研究 2的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具影响的开发软件，是 NI公司的 Lab VIEW 软件和 LabWindwos/CVI 开发软件。虚拟仪器在以下几个方面具有传统仪器所无可比拟的特点：(1)虚拟仪器的功能、性能、指标可由用户定义,即可以根据用户的不同要求对同一仪器的功能、性能、指标进行修改或增删,彻底打破了传统仪器一经设计、制造完成后,其功能、性能、指标不可改变的封闭性、单一性。(2)可以将多种仪器的功能、性能、指标等以软件的形式集成在一个“功能软件库”虚拟仪器库内,通过它们的不同组合以及与各种不同类型的硬
10、件接口搭配,使得在一台个人计算机就可实现各种仪器的不同功能,大大提高了仪器功能的灵活性,甚至可以进行非常复杂性的测试工作。(3)由于计算机具有强大的图形界面功能和数据运算功能,因此虚拟仪器的操作简单直观,数据分析及数据处理、结果与图形曲线的显示功能也非常强大。(4)可以在同一总线系统的仪器之间或通过网络进行数据交换,实现资源共享。(5)测量精度高、测量范围宽且性能稳定、可靠性高(6)智能程度高,具有自学习和决策能力。(7)开发周期短、成本低、维护方便,易于应用新理论、新算法和新技术,实现仪器的换代升级。虚拟仪器现正处于发展阶段,它可以看作是面向对象思想在测试仪器领域的发展。这种思想使得虚拟仪器
11、在开发上变得简单,操作上简单直观,大大地发展了现代测试仪器的设计方法和技术,拓宽了测试应用领域。目前,已经相继出现了一些虚拟仪器开发平台,并正在逐渐建立统一的虚拟仪器标准。相信在不久的将来,开发虚拟仪器会像搭积木一样简单,虚拟仪器的应用会越来越广泛。1.3 课题的研究内容及方法 本课题研究的内容是以美国国家仪器公司（NI）发行的 Labview 为开发平台设计温度测量和控制系统。基于 Labview 的温度测控系统主要包括 Labview 的程序设计、程序通过数据采集卡 AI（模拟输入），采集温度传感器两端的电压，将电压值转化为温度值。然后判断温度知是否在设定范围内，根据温度值跟设定值比较结果
12、驱动一个控制电路来控制加温或停止加温。基于 Labview 的温度测控系统研究 3第二章 图形化编程语言 LabVIEW 2.1 LabVIEW 简介 LabVIEW（Lavoratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台）是美国 NI 公司（National Instrument Company，简称NI 公司）推出的一种基于 G 语言（Graphics Language，图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发工具。用 LabVIEW 设计的虚拟仪器可脱离 LabVIEW 开发环境，用户最终看见的是和实际硬件仪器相似的操作面
13、板。LabVIEW 为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境，设计者利用它可以像搭积木一样，轻松组建一个测量系统以及构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐的程序代码的编写。2.1.1 LabVIEW 软件的特点 z 具有图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的 工程师的语言 z 提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数 z 提供传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供独具特色 的执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察到程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷 z 32 位的编译器编译生成 32 位的编译程序，保证用户数据采集、测试和 测量方案的高速执行 z
14、 囊括了 PCI，GPIB，PXI，VXI，RS-232/485，USB 等各种仪器通信总 线标准的所有功能函数，使得不懂得总线标准得开发者也能够驱动不同总线标准接口设备与仪器 z 提供大量与外部代码或软件进行链接得的机制，诸如 DLL（动态链接 库）、DDE（共享库）、ActiveX 等 z 具有强大的 Internet 功能，支持常用的网络协议，方便网络、远程测 控仪器的开发 2.1.2 LabVIEW 的基本开发环境 设计一个虚拟仪器在两个窗口进行。第一个是前面板开发窗口，所有虚拟仪基于 Labview 的温度测控系统研究 4器前面板的设计都在这个窗口中进行并完成；第二个是流程图编辑窗口
15、 1前面板开发窗口 前面板开发窗口如图 2.1 所示。窗口中包含主菜单和快捷工具栏。设计制作虚拟仪器前面板就是用工具模板中相应的工具去取用控制模板上 的有关控件，并摆放到窗口中适当的位置中。图 2.1 前面板开发窗口 2流程图编辑窗口 流程图是图形化的源代码，是 VI 测试功能软件的图形化表达。虚拟仪器通过软件编程来实现测试功能。LabVIEW 采用图形化编程方式，如图 2.2 所示位流程图编辑窗口。选用工具模板去取用功能模板上的有关图标来设计制作虚拟仪器流程图，以完成虚拟仪器的设计工作。基于 Labview 的温度测控系统研究 5 图 2.2 流程图编辑窗口 2.2 LabVIEW 模板简介
16、 LabVIEW 是一种图形化设计语言，在一个虚拟仪器的开发过程中，设计者利用 LabVIEW 提供的 3 个模板：工具模板（Tool palette）、控制模板（Control palette）和功能模板（Function palette）来完成 VI 面板和流程图两部分的设计开发任务。2.2.1 工具模板 工具模板提供用于操作、编辑前面板和流程图上对象的各种工具。工具模板如图 2.3 所示。图 2.3 工具模板 操作工具，它是一个操作数值的工具。将操作工 基于 Labview 的温度测控系统研究 6具移动到某处，鼠标单击后，就可在操作工具所在位置处 键入数字。选择工具，用于选择、移到对象或
17、改变对象的 大小。文字工具，用于输入标签文本或创建自由标签。连线工具，用于在流程图中连接节点，定义数据流向。模板弹出工具，用鼠标单击该工具，移至窗口某位置，再用鼠标单击，即在前面板设计窗口中出现控制模板或者在流程图编辑窗口中出现功能模板。平移工具，用鼠标单击该工具，并将它放至窗口中的任意位置上，拖动鼠标，可使窗口中的对象整体平移。断点工具，用鼠标单击该工具，将它放置在流程图中相应位置上，该位置即为设置的程序运行断点。探针工具，用鼠标单击该工具，可以在流程图的数据流线上设置探针。程序调试员可以通过探针窗口来观察该数据流线上的数据变化状况。提取颜色工具，用来获取窗口中已染色对象的颜色。设置颜色工具
18、，用来该窗口中的对象设置颜色。2.2.2 控制模板 控制模板如图 2.4 所示。图 2.4 控制模板 数字子模板：提供各种数字控件。基于 Labview 的温度测控系统研究 7 布尔量子模板：提供各种逻辑数值控件。字符串和路径子模板：提供字符串和 路径的控制和显示。数组和类子模板：提供各种复合型数据 类型控件。列表和表格子模板：提供列表和表格的 控制和显示。图形子模板：提供各种数据图形显示控件。列表框和枚举子模板：提供列表框和枚举的控制和显示。输入/输出功能子模板：提供输入/输出功能，用于操作 OLE，ActiveX等功能。参考名子模板：提供各种标识控件。对话框子模板：提供设计对话框选项的控件
19、。经典控制子模板：提供以前版本软件的面板图标。控件库子模板：提供用于调用操作 OLE，ActiveX 等控件。修饰子模板：提供对前面板进行装饰用的各种图形控件。调用控件子模板：用于调用存储在文件中的控件。存储在文件中的控件通常是用户自行开发的。用户自定义的控件模板：用于存放用户自定义的各种图形控件 2.2.3 功能模板 功能模板如图 2.5 所示。结构子模板：提供程序控制结构命令，例如循环控制，以及全局变量和局部变量。数据运算子模板：提供各种常用的数值运算符；各种常见的数值运算式；还包括数值转换、三角函数、对数、复数等运算，以及各种数值常数。布尔逻辑子模板：提供各种逻辑运算符以及布尔常数。字符
20、串运算子模板：提供各种字符串操作函数、数值与字符串之间的转换函数以及字符(串)常数等。数组子模板：提供数组运算函数、数组转换函数以及常数数组等。类子模板：提供类的处理函数以及类常数等。基于 Labview 的温度测控系统研究 8 图 2.5 功能模板 比较子模板：提供各种比较运算函数。时间和对话框子模板：提供对话框窗口、时间和出错处理函数等。文件输入/输出子模板：提供处理文件输入/输出的程序和函数，主要用于创建和打开数据文件，并进行数据的读写。数据采集子模板：提供 LabVIEW 支持的数据采集卡的驱动程序。波形子模板：提供各种波形处理工具。信号处理子模板：提供在时域、频域以及复频域进行信号发
21、生与分析处理的功能函数。仪器 I/O 子模板：提供各种 I/O 接口设备驱动程序设计用的专用函数以及通用驱动模式的 VISA 功能函数，可驱动的 I/O 接口设备有 GPIB 接口设备、串行接口仪器、VXI 仪器模块等。专用函数是用于 LabVIEW 支持的 I/O 接口设备，VISA 功能函数可以驱动 LabVIEW 不支持的 I/O 接口设备。运动与视觉子模板：提供运动与视觉控制的功能函数。数学运算子模板：提供统计、曲线拟和、公式框节点等功能函数，以及数值微分、积分等功能函数。基于 Labview 的温度测控系统研究 9 通信子模板：提供按 TCP、DDE、ActiveX 和 OLE 协议
22、进行通信的功能函数。应用程序控制子模板：提供动态调用 VI 的功能函数，可以同时打开多个 VI 的前面板窗口并同时运行；还提供将用不同语言编写的 EXE 可执行程序进行接口的功能函数。图形与声音子模板：提供绘制 2D 及 3D 图形、声音播放等功能函数。示教课程子模板：提供 LabVIEW 示教用的演示程序。文档生成子模板：提供生成报表样式及规格的功能函数。底层接口子模板：提供调用动态链接库和 CIN(Code Interface Node)的功能函数。选择VI 子程序子模板：用来调用一个子 VI，并把该子 VI 插入当前VI 的流程图中。用户自定义的子 VI 模板：用来存放用户自行设计的图标
23、。2.3 基于 Labview 平台的虚拟仪器的设计 2.3.1 虚拟仪器的构成及分类 虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分构成。1虚拟仪器的硬件平台 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分。(1)计算机 它一般为一台 PC 和工作站，是硬件平台的核心。(2)I/O 接口设备 I/O 接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。不同的总线有其相应的 I/O 接口硬件设备，如利用 PC 机总线的数据采集卡/板（简称为数采卡/板，DAQ）、GPIB 总线仪器、VXI 总线仪器模块、串口总线仪器等。虚拟仪器的构成方式主要有 5 种类型，如图 2.6 所示。基于 Labview 的温度测控系
24、统研究 10 图 2.6 虚拟仪器的构成方式 z PC-DAQ 系统 PC-DAQ 系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用 PCI 或计算机本身的 ISA 总线，将数采卡/板（DAQ）插入计算机的空槽中即可。z GPIB 系统 GPIB 系统是以 GPIB 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。z VXI 系统 VXI 系统是以 VXI 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统标。z PXI 系统 PXI系统是以PXI标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统标准总线。z 串口系统 串口系统
25、是以串口系统标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统标准总线。无论上述哪种VI 系统，都通过应用软件将仪器硬件与计算机相结合。其中，PC-DAQ 测量系统是构成 VI 的最基本的方式，也是最廉价的方式。2虚拟仪器的软件 开发虚拟仪器必须有合适的软件工具，目前的虚拟仪器软件开发工具有如下两类。被测信号 PC-DAQ 计算机 PXI 模块 VXI 模块 串口仪器 GPIB 仪器 基于 Labview 的温度测控系统研究 11z 文本式编程语言：如 Visual C+，Visual Basic，LabWindows/CVI 等。z 图形化编程语言：如 LabVIEW，HPVEE 等。
26、这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。虚拟仪器软件由两部分构成，即应用程序和I/O 接口仪器驱动程序。虚拟仪器的应用程序包含两方面功能的程序：z 实现虚拟面板功能的软件程序；z 定义测试功能的流程图软件程序。I/O 接口仪器驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。2.3.2 虚拟仪器的设计步骤 通常，一个基于 Labview 平台的虚拟仪器的设计步骤如下：1在前面板设计窗口放置控件 首先，在前面板开发窗口使用工具模板中的相应工具，从控制模板中取用和放置好所需控件，进行控件属性参数设置，标贴文字说明标签。2在流程图编辑窗口，放置节点、图框 在
27、流程图编辑窗口，使用工具模板中相应工具，从功能模板中取用并放置好所需图标，它们是流程图中的“节点”、“图框”。3数据流编程 使用脸形工具按数据流的方向将端口、节点、图框依次相连，实现数据从源头按规定的运行方式送到目的终点。4运行检验 当完成步骤（1）、（2）、（3）后，前面板程序与流程图图形化程序的设计完毕，一个虚拟仪器已基本建立，是否达到预期功能，还需运行检验。有如下两种检验方式。z 仿真检验：不使用 I/O 接口硬件设备。对 VI 检验运行所需的信号数据 采用由“数组”或“信号生成函数”产生的“仿真信号”。z 实测检验：它通过 I/O 接口硬件设备，采集输入标准信号，来检验虚拟 仪器的功能
28、。仿真检验在实测检验之前完成，是虚拟仪器所特有的优势，因为它对反复检验，调试，不断完善改进虚拟仪器极为方便，是传统仪器无法采用的检验手段。5程序调试技术 利用快捷工具栏中的“运行”、“高亮执行”、“单步执行”、“断点设置”进行 基于 Labview 的温度测控系统研究 12以下程序调试设置。找出语法错误 如果存在语法错误，则当启动快捷工具栏的“运行”按钮时，该按钮变成一个折断的箭头，程序不能被执行。鼠标单击该按钮，则将弹出错误清单窗口，窗口中列出错误的项目，然后单击其中任何一个列出的错误，单击“Find”功能按钮，则出错的对象或端口就会变成高亮。慢速跟踪程序的执行 利用快捷工具栏中的“高亮执行
29、”按钮，单击该按钮，该按钮图标变成高亮形式，再单击“运行”按钮，程序就以较慢的速度运行。没有被执行的代码灰色显示，执行后的代码高亮显示，并显示数据流上的数据值。这样，就可以根据数据流动状态，跟踪程序的执行。断点与单步执行 使用断点工具可以在程序的某一地点中止程序执行，用探针或者单步执行方式查看数据。用工具模板上的“断点”工具单击希望设置或者清除断点的地方，该处即为所设置的断点。对于节点或图框，断点表示为红框，对于连线，断点表示为红点。当 VI 程序运行到断点设置处，程序被暂停在将要执行的节点，以闪烁表示。单击单步执行按钮，闪烁的节点被执行，下一个将要执行的节点变为闪烁，表明它将执行。也可以单击
30、快捷工具栏中的“暂停”按钮，这样，程序将连续执行到下一个断点。设置探针 可以通过设置探针来查看框图程序流经某一根连接线的数据值，探针设置方法有两种。z 利用工具模板上的“探针”工具，鼠标单击欲放置探针的连接线。z 把工具模板上的“选择”工具或“连线”工具放在欲放探针的连线上，鼠标单击该连线，弹出一个对话框，选择“Probe”选项。当探针设置完毕后，会出现一个探针显示窗口。该显示窗口中的数据即为该连线上的数据值。6数据观察 当检验观察中发现有错误时，鼠标单击“Highlight Execution”按钮，观察数据流中各个节点的数值。7命名存盘 基于 Labview 的温度测控系统研究 13保存设
31、计好的 VI。2.3.3 典型虚拟仪器实例 采用 LabVIEW 开发平台设计的基于 PC-DAQ 的虚拟仪器测试系统的机构如 图 2.7 所示 虚拟仪器前面板 应用程序 LabVIEW 子模板设备驱动程序 LabVIEW 开发平台 数据采集卡计算机 图 2.7 基于 PC-DAQ 的虚拟仪器测试系统的结构 图 1.2 所示的虚拟仪器测试系统工作流程如下:z 传感器测量被测信号,将其转换为电量信号 z 信号处理电路将传感器输出的电量信号进行整形、转换、滤波处理，变 成标准信号 z 数据采集卡采集信号处理电路的电压信号，并转换为计算机能处理的数 字信号 z 通过设备驱动程序，数字信号进入计算机
32、z 在 LabVIEW 平台下，调用信号处理子模板，编写仪器功能流程、功能 算法，设计虚拟仪器前面板 z 形成具有不同仪器功能的应用程序 电量传感器 信号处理电路非电量传感器 其他传感器 基于 Labview 的温度测控系统研究 14第三章 温度测控系统 3.1 温度测控系统介绍 在许多行业中工业系统及人民生活中，很多地方都用到了温度测控系统。像电厂、石化行业、钢铁厂以及制药厂等企业中需要对温度进行测量、控制。目前大多数温度测控系统在进行温度检测时，都是利用测温器件将温度转化为电量后，经信号放次电路放大到适当的范围，再由 AXD 转换器转换成数字量来完成的。这种电路的缺点是结构复杂，调试繁杂，
33、精度易受元器件参数的影响。也有一些温度测控系统是使用各类测温器件等对温度进行采集，然后把模拟量进行运算、放大转换成数字信号，然后输入到计算机进行计算、比较，根据比较的结果输出一个控制量，对加热设备进行控制，以达到控制温度的目的，这样就解决了一些原有电路存在的问题。3.2 基于 Labview 的温度测控系统的研究内容 本设计研究的是基于 Labview 的温度测控系统，设计的主要思想就是将LabVIEW与虚拟仪器技术结合起来，连接测温器件，组成一个温度测控系统，设计的主要内容是，利用数据采集卡采集接到温度源中温度传感器上的电压，然后输入计算机，用 Labview 编写一个程序，对电压值进行采集
34、并转换成温度值，接着把测得的温度值与设定的温度值进行比较，最后计算机根据比较的结果通过数据采集卡输出一个控制信号，来控制是停止加温还是继续加温，从而控制温度在设定的温度范围内。系统由以下几个部分组成：计算机，LabVIEW，数据采集卡，温度传感电路，加热控制电路。温度信号由传感器转换为电压信号，再经数据采集卡进入计算机，在计算机上运行的 LabVIEW 程序对输入的数据进行分析处理，将结果由计算机显示出来,同时通过数据采集卡输出控制信号给外部加热控制电路，达到测量与控制温度的作用。图3.1 温度测控系统 温 度 测 控 对 象 温度传感电路 加热控制电路 数据采集卡LabView/计算机 基于
35、 Labview 的温度测控系统研究 15 与现有的温度测控系统比较，基于 Labview 的温度测控系统具有开发和维护费用低、技术更新周期短（0.51 年）、价格低、开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配置、可用网络联络周边各仪器等特点；且虚拟温度测控系统要比传统的测控更为通用，在组建和改变仪器的功能和技术性能方面更为灵活、更为经济，更能适应迅猛发展的当代科学技术对测量技术和测量仪器不断提出的更新并扩展功能与性能的要求 基于 Labview 的温度测控系统研究 16第四章 系统的总体设计 4.1 系统主要原理 利用美国国家仪器公司生产的 LabVIEW 编写一个程序，程序通过数据采集卡 AI
36、（模拟输入），采集温度传感器两端的电压，经过一定的运算将电压值转化为温度值。然后，判断是否在设定温度范围之内：第一步，判断是否高于高温设定值，如果高于高温设定值，程序就通过数据采集卡输出一个信号，驱动加热棒不工作，停止加热，并且调用一个声音文件报警。反之，数据采集卡输出一个信号，使得加热棒保持上一步状态，停止报警。第二步，判断是否低于低温设定值，如果低于低温设定值，程序同样通过数据采集卡输出一个信号，驱动电路，使得加热棒启动，开始持续加热，并且调用另一个声音文件报警。反之，输出一个信号，使得加热继电器保持上一步状态，停止报警。简言之，温度一旦低于低温设定值，系统开始加热并且报警。当温度升到温度
37、设定范围之内时，停止报警，但继续加热，一直到温度高于高温设定值时，才停止加热，但此时又开始报警，直到温度降到温度设定范围之内时，才停止报警。等温度降到低于低温设定值时，系统进入又一次循环。这样达到对温度进行实时测控的目的。4.2 系统的设计 本系统的控制对象为一电加热炉，输入为加在电阻丝两断的电压，输出为电加热炉内的温度。输入和输出的传递函数为：G(s)=2/(s(s+1)。所采用的控制方案为反馈控制，反馈控制是指由测量元件对被控量进行检测，并将它反馈回比较电路与给定值相减而得到偏差电压，经放大器放大、变换后，执行元件便依据偏差电压的性质队被控量进行相应调节，从而使偏差消失或减小到允许范围。本
38、系统采用的是典型的反馈温度控制系统，组成部分见下图。其中的数字控制器功能由计算机/LabView 实现。基于 Labview 的温度测控系统研究 174.2.1 控制系统的设计 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构,加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。目前，在工程实际中，常用的控制规律及其特点如下:1、开环控制系统 开环控制系统(open-loop co
39、ntrol system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。2、闭环控制系统 闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的 输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈(Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是
40、传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。3、阶跃响应 阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时，系统 的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性(stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来(
41、Steady-state error)描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。4、PID 控制的原理和特点 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控 基于 Labview 的温度测控系统研究 18制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制
42、技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。本设计所采用的控制系统即为PID 控制。PID 控制包含比例、微分、积分三个部分，PID 控制器就是根据系统的误差利用比例为积分计算出控制量，下图为一个PID 控制的结构图：控制器输出和控制器输入（误差）之间的关系在时域中可以用如下公式表示：也可表示为：公 式 中U(s)和E(s)分 布 为u(t)和e(t)的 拉 氏 变 换，Td=Kd/Kp,Ti=Kp/Ki,Kp，Kd，Ki 分别为控制器的比例、微分、积分系数。PID 控制最为重要的就是设定正确的控制参数，而参数设定是
43、 PID 控制中的一个难题。该控制中最主要的三个常数是增益系数 Kp，积分时间常数Ti，微分时间常数Td。这三个常数值的大小取决于控制对象的动态特性，过基于 Labview 的温度测控系统研究 19大和过小都将使输出变量产生振荡。对于温度控制系统而言，由于系统响应时间较长，信号变化缓慢，合理的设置 PID 控制的比例系数、微积分时间常数和控制的循环时间常数是系统控制成败的关键。4.3 系统的主要组成 系统主要有硬件和软件两个部分组成。软件部分是基于Labview的程序设计。包括一个控制主界面和框图程序，框图程序主要由温度的采集运算、温度的比较、对温度比较结果的处理、根据温度比较结果输出控制信号
44、等几个模块组成；在软件部分实现把数据采集卡采集到的电压值通过运算计算成温度值，然后与温度的设定值进行比较，根据比较的结果输出控制信号，并在系统的前面板显示温度的状态、把数据保存到文件等功更 硬件部分主要包括温度传感器的连接、对加热炉进行控制的电路等。温度传感器通过一定的电路把输出连接到数据采集卡的输入端，对加热炉的控制部分主要是根据计算机输出的结果开关继电器，控制启动或停止加热炉加热。4.4 系统的流程框图 如图 4-1 所示:基于 Labview 的温度测控系统研究 20 Y N Y N 图 4-1 系统流程框图 4.5 系统前面板组成 系统前面板主要实现对设定温度、采样周期、采样率等的调节
45、，以及温度的波形及状态显示等，框图如如图 4-2 所示：图 4 2 前面板框图 系统启动 温度采集、滤波 T 高f(T)?持续加热、低温报警 温度正常灯亮 主窗口操作界面输出控制模块报警模块数据存档模块 数据及曲线显示模块数据采集模块 初始化，设定温度基于 Labview 的温度测控系统研究 21第五章 系统详细设计 5.1 软件部分 本系统的软件部分是基于 Labview 平台设计，主要包括：程序前面板、程序框图。5.1.1 系统前面板设计 前面板主要由高低温设定旋钮、温度计、实时温度波形显示器、状态指示灯、数据更新周期、数据文件保存等组成。温度计用于直接显示水温；而实时温度波形显示器用于显
46、示实际水温与上、下限温度之间的关系；状态指示灯用于显示被控水温是否在设定温度范围之内。通过这些控件，学生可以方便灵活地进行操作，形象直观地监控水温的变化，最后还可以将水温变化的数据保存到文本文件中，以便日后进行数据分析。1、前面板图如图 5-1 所示 图 5 1 系统前面板图 2、前面板设计所用到的工具：基于 Labview 的温度测控系统研究 22(1)波形显示：本节点用于时实显示温度的波形及变化趋势。（2）旋钮工具：本工具采用两个旋钮，通过旋转旋钮上的指针可以设定系统的高温和低温(3)温度计工具：基于 Labview 的温度测控系统研究 23 本工具用于实时的显示温度的大小状态，红色液位算
47、着温度的升 高而升高。(4)LED 工具 该工具实现温度状态的报警功能，若温度在某一状态，则相应状态的灯为红色。若采集温度高于设定最大值则高温灯亮，若低于设定最小值则低温灯亮，若位于最大值和最小值之间则正常灯亮。(5)水平滑动工具：该工具用于调整温度采样的周期 5.1.2 系统框图设计 程序框图是一个典型的多通道连续数据采集及信号输出的流程图。它通过 AI Acquire Waveforms.vi 将两路电压值采集进来，由公式结点将电压值转换成温度值，送到显示结点显示，同时与设定值进行比较，顺序执行 Case 结构，控制继电器的吸合和调用不同声音文件报警。图 5-4 和图 5-5 主要是通过
48、Write Character To File.vi 和Write To Spreadsheet File.vi 两个子 VI 实现数据的存储。1、数据采集及显示模块：在此模块框图中，是一个典型的单通道连续数据采集及信号输出流程图，它 通过 AI Acquire Waveforms.vi将电压值采集进来，由公式结点将电压值转换成温度值，计算公式为：y=118.56*s(-0.27*x),其中 x 为采集的电压值的平均值，s 为常数 e，y 为输出的温度值，计算完成后，分别输出到温度波形显示和基于 Labview 的温度测控系统研究 24温度计显示。同时与设定值进行比较，利用一个顺序结构，顺序执
49、行和高温、低温两个设定值进行比较，在顺序结构的每个状态，执行一个 Case 结构，若比较结果为真，则通过数据采集卡 DIO(数字输出)输出一个 5v 或 0v 电压，驱动触发电路控制继电器的吸合以启动或停止加热设备，同时调用不同声音文件进行报警。程序通过一个循环节点while loop实现对数据的连续采集、显示，通过 Wait Until Next ms Multiple.vi来控制采样的频率，输入的采样周期N 乘以 1000,表示每隔N 秒采集一次。图 5-2 顺序结构1 基于 Labview 的温度测控系统研究 25 图 5-3 顺序结构 2 2、分析模块 此模块把一次采集过程结束后采集到
50、的所有温度值进行比较、运算，通过ARRAY MAX&MIN 功能计算温度的最大值和最小值并输出到前面板显示，通过MEAN.VI计算温度的平均值并输出到前面板显示。图 5-3 分析模块 3、数据存储模块 此模块用于将温度变化的数据保存到文本文件中，以便日后进行数据分析。此模块使用一个顺序结构，顺序执行两个过程，其中过程一利用 Write Characters to files.vi 用于合并操作者、操作时间等字符串，确定数据存储的格式和文件存储基于 Labview 的温度测控系统研究 26路径。过程二利用 Write to spread sheet file.vi 将采集到的温度值写入到文件中。