基于LabVIEW的溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言
    目前的測(cè)溫控制系統(tǒng)大都使用傳統(tǒng)溫度測(cè)量?jī)x器．其功能大多都是由硬件或固化的軟件來實(shí)現(xiàn)，而且只能通過廠家定義、設(shè)置，其功能和規(guī)格一般都是固定的，用戶無法隨意改變其結(jié)構(gòu)和功能，因此已不能適應(yīng)現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，美國(guó)國(guó)家儀器公司率先提出了虛擬儀器的概念，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，使測(cè)控儀器發(fā)生了巨大變革。虛擬儀器技術(shù)充分利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算處理功能，突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸、存儲(chǔ)等方面的限制，通過交互式圖形界面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，并使用框圖模塊指定各種功能。采用集成電路溫度傳感器和虛擬儀器方便地構(gòu)建一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，且外圍電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，便于系統(tǒng)硬件維護(hù)、功能擴(kuò)展和軟件升級(jí)。
    這里利用LabVIEW作為語言開發(fā)平臺(tái)．設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件．并利用計(jì)算機(jī)串口與下位機(jī)串行通訊，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量與控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    圖1給出系統(tǒng)硬件組成框圖，由計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、測(cè)溫電路及溫度控制電路組成。該系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)、強(qiáng)大的圖形化編程軟件和模塊化硬件于一體，建立靈活且以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的測(cè)量及控制方案，構(gòu)建出滿足需要的系統(tǒng)。利用傳感器獲取溫度信號(hào)，再由單片機(jī)組成的小系統(tǒng)對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集、調(diào)理和轉(zhuǎn)換，然后通過RS-232串口將數(shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī)．并通過計(jì)算機(jī)運(yùn)行的LabVIEW程序來分析處理輸入數(shù)據(jù)．最終由計(jì)算機(jī)顯示結(jié)果。同時(shí)，通過計(jì)算機(jī)串口采樣輸入信號(hào)，利用LabVIEW中的PID控制算法，求出系統(tǒng)輸出信號(hào)的大小，再由串口將輸出信號(hào)傳輸至外部溫度控制電路，以實(shí)現(xiàn)溫度控制。

2．1 溫度測(cè)量電路
    溫度測(cè)量電路主要由溫度傳感器和信號(hào)調(diào)理部分組成。溫度傳感器主要包含數(shù)字式溫度傳感器DSl8820和K型熱電偶。DSl8820是美國(guó)DALLAS公司推出的一款可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器。它采用1一Wire總線接口，測(cè)溫范圍為一55℃～+125℃，精度可達(dá)0．067 5℃，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為200 ms，K型熱電偶的價(jià)格低廉，靈敏度高，復(fù)現(xiàn)性好，而且熱電動(dòng)勢(shì)的線性度及在1 000℃下的抗氧化性能良好。此外，廉金屬熱電偶中的穩(wěn)定性更好，但與貴金屬熱電偶相比，其時(shí)效變化大，可在900℃以下的環(huán)境內(nèi)長(zhǎng)期使用。因此該設(shè)計(jì)采用K型熱電偶測(cè)量電阻爐的爐溫，DSl8820檢測(cè)校準(zhǔn)常溫下的溫度。調(diào)理電路主要用于濾波和放大來自模擬量輸入通道的信號(hào)，以滿足A／D轉(zhuǎn)換器輸入端電氣參數(shù)的要求。
2．2 溫度控制電路
    圖2給出溫度控制電路。它主要由MOC3401型光電耦合器Ul和BTl38—600型雙向晶閘管VU2組成。全周期內(nèi)都能將220 V交流電壓加載在熱棒RL上。單片機(jī)發(fā)出脈寬調(diào)制(PWM)控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器后控制Ul的狀態(tài)。當(dāng)Ul工作后，使VU2的控制極處于高電平，VU2處于導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而控制RL工作。使用U1可有效地降低外界對(duì)系統(tǒng)影響，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要完成數(shù)據(jù)采集與控制、測(cè)試結(jié)果的分析和記錄、數(shù)據(jù)查詢等，同時(shí)為用戶提供一個(gè)方便的操作界面。圖3給出上位機(jī)的監(jiān)控界面。該系統(tǒng)軟件主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)報(bào)警、數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)打印及PID控制器等模塊組成?；贚abVIEW的測(cè)控系統(tǒng)軟件采用模塊化的思想來編寫，每個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)均由一個(gè)模塊完成，從而最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、記錄、打印及報(bào)警等。

    (1)數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)電阻爐溫度的測(cè)量，并把采集到的數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)表中，以備后續(xù)的數(shù)據(jù)處理、計(jì)算及打印。數(shù)據(jù)采集是該系統(tǒng)軟件的主要功能，也是其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、圖形繪制的基礎(chǔ)。LabVIEW可通過數(shù)據(jù)采集模塊顯示實(shí)際的信號(hào)波形。當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊采集實(shí)測(cè)信號(hào)時(shí)，得到一組離散的信號(hào)值，通過圖形顯示控件在計(jì)算機(jī)顯示器上逐點(diǎn)顯示并連線，即可實(shí)時(shí)顯示被測(cè)信號(hào)。
    (2)數(shù)據(jù)處理模塊 采樣程序循環(huán)一次，就預(yù)處理采集數(shù)據(jù)，主要是對(duì)數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波。由于儀器用于機(jī)房和通信設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)中，干擾源較多。為了減少對(duì)采樣數(shù)據(jù)的干擾，提高儀器系統(tǒng)性能，在數(shù)據(jù)處理之前，需對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波。所謂數(shù)字濾波，就是通過特定的計(jì)算程序處理，減少干擾信號(hào)在有用信號(hào)中所占的比例，實(shí)質(zhì)上是一種程序?yàn)V波。
    (3)數(shù)據(jù)報(bào)警模塊 當(dāng)實(shí)際溫度大于溫度上限或小于溫度下限值時(shí)予以超溫報(bào)警。超溫報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)即中斷自動(dòng)控溫，確保人員及設(shè)備安全。系統(tǒng)通過信號(hào)燈及報(bào)警聲實(shí)現(xiàn)超溫報(bào)警，即當(dāng)采樣數(shù)據(jù)超過系統(tǒng)所設(shè)定的上下限時(shí)，指示燈變紅，并發(fā)出警報(bào)聲。
    (4)數(shù)據(jù)存取模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分主要利用LabVIEW與數(shù)據(jù)庫接口程序，將采集的原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Access數(shù)據(jù)庫中，供后續(xù)的結(jié)果查詢和數(shù)據(jù)分析。為了實(shí)現(xiàn)LabVIEW對(duì)Access數(shù)據(jù)庫的訪問，要先建立一個(gè)數(shù)據(jù)源(ODBC)，并通過DSN來標(biāo)識(shí)ODBC。先在Access中建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫，并命名為tmp．mdb。在Windows操作系統(tǒng)的控制面板中選擇ODBC，彈出ODBC數(shù)據(jù)源管理器；然后單擊系統(tǒng)DSN選項(xiàng)卡中的“添加”按鍵，在隨后出現(xiàn)的“創(chuàng)建新數(shù)據(jù)源”對(duì)話框“驅(qū)動(dòng)程序列表中”選擇“Microsoft Access Driver(*．mdb)”，并單擊“完成”按鍵；接著在隨后出現(xiàn)的對(duì)話框“數(shù)據(jù)源名”中創(chuàng)建DSN的名稱，如dsn_tmp，并利用“選擇”按鍵選擇需要利用Lab-SQL訪問的數(shù)據(jù)庫tmp．mdb，單擊“確定”按鍵，以完成DSN的創(chuàng)建。此后，LabSQL就能利用這個(gè)DSN訪問與之相關(guān)的數(shù)據(jù)庫。無論是查詢數(shù)據(jù)庫，還是刪除數(shù)據(jù)庫，步驟大體相同，即建立與數(shù)據(jù)庫的連接，建立與記錄集(Recordset)的連接，執(zhí)行數(shù)據(jù)庫的操作，斷開與數(shù)據(jù)庫之間的連接。圖4給出從數(shù)據(jù)庫tmp．mdb中讀出表tmp的溫度數(shù)據(jù)。

    (5)PID控制器模塊該模塊采用增量式PID控制器，在LabVIEW中主要通過兩種途徑實(shí)現(xiàn)。一是利用其外部接口調(diào)用其他軟件或編程代碼；二是利用LabVIEW本身的圖形編程語言編程。由于LabVIEW提供了MatlabScript節(jié)點(diǎn)，可在Matlab script節(jié)點(diǎn)中編輯Matlab程序，并在LabVIEW環(huán)境下運(yùn)行，而且使用Matlab script節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，這樣既能使程序結(jié)構(gòu)清晰，又能提高運(yùn)算速度。因此可采用Maflab script節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)增量式PID控制程序，其表達(dá)式為：

   
式中：k為采樣序列；u(k)為第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值：e(k)為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；e(k一1)為第k一1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；KP為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)。
    圖5給出增量式PID控制器的程序流程圖。

3．2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    在此，選用AT89S51單片機(jī)和C語言編程。AT89S5l單片機(jī)自身具有全雙工的異步通信接口，可方便串行通信。通過軟件編程，可用作通用異步接收和發(fā)送器UART，也可用作同步移位寄存器。它的幀格式可有8位、10位和ll位。并能設(shè)置各種波特率，使用靈活方便。圖6給出單片機(jī)程序流程圖。在系統(tǒng)初始化時(shí)，先令單片機(jī)的定時(shí)器T1工作于定時(shí)方式2，產(chǎn)生串行通信所需的波特率；再令單片機(jī)的串行口工作在定時(shí)方式l，為10位異步通信方式，即每幀數(shù)據(jù)由1個(gè)起始位，8數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位構(gòu)成。令A(yù)T89S51單片機(jī)的定時(shí)器T0工作在定時(shí)器模式，用于產(chǎn)生指定的控制周期。在T0的中斷程序中，首先將采集的溫度信息傳輸至上位機(jī)，然后上位機(jī)利用PID控制算法，求出系統(tǒng)輸出控制量的大小并傳輸至單片機(jī)，再由單片機(jī)輸出控制量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度控制。

4 結(jié)語
    利用LabVIEW設(shè)計(jì)閣的溫度測(cè)控系統(tǒng)，它可在計(jì)算機(jī)上完成被控溫度的實(shí)時(shí)顯示、直方圖統(tǒng)計(jì)顯示及PID控制．還可將采集的溫度數(shù)據(jù)保存到指定的數(shù)據(jù)庫中。以備系統(tǒng)運(yùn)行中隨時(shí)查閱和分析。查詢結(jié)果以表格形式呈現(xiàn)，非常方便用戶查看。該系統(tǒng)已用于學(xué)生的教學(xué)試驗(yàn)中，經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試能達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。它與傳統(tǒng)儀器構(gòu)建的系統(tǒng)相比，界面友好，測(cè)量精度高，易于擴(kuò)展。