虛擬溫度測量系統(tǒng)設計

0 引言　　

溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學研究實驗中的一個非常重要的參數(shù)，物體的許多物理現(xiàn)象和化學性質(zhì)都與溫度有關，許多生產(chǎn)過程都是在一定溫度范圍內(nèi)進行的，需要測量溫度和控制溫度的場合極其廣泛。目前的溫度測量控制系統(tǒng)常采用單片機控制，該技術應用十分廣泛，但其編程復雜，控制不穩(wěn)定，系統(tǒng)的精度不高。而利用虛擬儀器技術開發(fā)和設計的溫度測量系統(tǒng)，采用普通PC機為主機，利用圖形化可視測試軟件LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，來監(jiān)測溫度變化情況，采集數(shù)據(jù)并進行處理、存儲、顯示等。設備成本低，使用方便靈活，適用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和教學。

1 虛擬儀器技術與LabVIEW簡介　　

虛擬技術、計算機通信技術與網(wǎng)絡技術是信息技術三大核心技術，其中虛擬儀器是虛擬技術的一個重要組成部分。虛擬儀器（Virtual Instrument,簡稱VI）是突破傳統(tǒng)儀器概念的最新一代測量儀器，它利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件，由用戶自己定義來完成各種測試、測量和控制的應用。其本質(zhì)特征是：“軟件就是儀器”。它是基于計算機的軟硬件測試平臺，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等;可集成于自動控制、工業(yè)控制系統(tǒng);可自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。虛擬儀器技術具有性能高、擴展性強、開發(fā)時間少和出色的集成四大優(yōu)勢，使其成為現(xiàn)代測控技術的發(fā)展趨勢。 　　

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench實驗室虛擬儀器工程平臺）是一個程序開發(fā)環(huán)境。它使用圖形化編程語言G在流程圖中創(chuàng)建源程序，而非使用基于文本的語言來產(chǎn)生源程序代碼。LabVIEW還整合了諸如滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485以及數(shù)據(jù)采集卡等硬件通訊的全部功能。內(nèi)置了便于TCP/IP、Active X等軟件標準的庫函數(shù)。LabVIEW程序被稱為虛擬儀器（VIs），是因為它們的外觀和操作能模仿實際的儀器。即使用戶沒有多少編程經(jīng)驗，同樣也能利用LabVIEW來開發(fā)自己的應用程序。

2系統(tǒng)方案設計　　

虛擬儀器測溫系統(tǒng)是用虛擬儀器技術改造傳統(tǒng)的測溫儀，使其具有更強大的功能。系統(tǒng)框架如圖1所示，儀器系統(tǒng)通過前端感溫裝置的傳感元件，將被測對象的溫度轉(zhuǎn)換為電壓或電流等模擬信號，經(jīng)信號調(diào)理電路進行功率放大、濾波等處理后，變換為可被數(shù)據(jù)采集卡采集的標準電壓信號。在數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并在數(shù)據(jù)采集指令下將其送入計算機總線，在PC機內(nèi)利用已經(jīng)安裝的虛擬儀器軟件對采集的數(shù)據(jù)進行所需的各種處理。

圖1 溫度測量系統(tǒng)原理框圖　

基于虛擬儀器技術的測溫系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分構(gòu)成。 　　

2.1 硬件系統(tǒng)設計 　　

硬件系統(tǒng)由前端感溫裝置（溫度傳感器）、數(shù)據(jù)采集卡、PC機系統(tǒng)等組成，主要實現(xiàn)溫度信號采集、轉(zhuǎn)化、處理等功能。


圖2 測溫系統(tǒng)硬件電路原理圖　　

本系統(tǒng)前端感溫裝置采用熱敏電阻，熱敏電阻RT1與R1串聯(lián)分壓，電路輸出電壓與溫度成正比。傳感器通常輸出的信號較小，必須采用合適的信號調(diào)理電路（如放大），盡量減小量化誤差。當溫度變大時，熱敏電阻RT1電阻變小，在分壓點產(chǎn)生一線性電壓，經(jīng)電壓跟隨器保持后，經(jīng)過LM324進行一級和二級放大，輸出一個正向、與溫度變化大小成正比的線性電壓。測量電路輸出的模擬電壓送入數(shù)據(jù)采集卡，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號再輸入PC機。 　　2.2 軟件系統(tǒng)設計 　　

軟件部分主要是對數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理、報警、顯示等功能，具體實現(xiàn)采集卡參數(shù)設定、數(shù)據(jù)標定、實時顯示、溫限設定及報警和人機交互等功能。 　　

（1） 傳感器的標定 　　

傳感器的標定是通過實驗以建立傳感器輸入量與輸出量之間的關系。標定是儀器儀表在設計完成后，正式使用前必須要經(jīng)過的一道校驗程序。對于虛擬溫度測量系統(tǒng)而言，標定就是為了獲得電壓和被測物體溫度的函數(shù)關系，以便通過電壓計算出溫度。 　　

熱敏電阻具有靈敏度高、體積小、重量輕、使用壽命長，適于遠距離測量等優(yōu)點，但其非線性誤差較大，穩(wěn)定性稍差，所以必須進行標定。 　　　　

通過曲線擬合法對系統(tǒng)進行標定，即可求出測溫范圍內(nèi)任一電壓對應的溫度。 　　

（2） 前面板設計 　　

用戶界面（前面板）是虛擬儀器的重要組成部分，儀器參數(shù)的設置、測試結(jié)果顯示等功能都是通過軟件實現(xiàn)，因此要求軟件界面簡單直接，便于使用。本系統(tǒng)采用LabVIEW8.2軟件設計了用戶界面如圖3所示。該界面可顯示經(jīng)傳感器檢測、數(shù)據(jù)卡采集并轉(zhuǎn)換得到的電壓波形的變化，同時將標定后得到的溫度值分別用波形、指針和數(shù)值三種方式顯示出來，適應不同用戶的需求，通過布爾量開關設置超限報警指示。

圖3 系統(tǒng)前面板（用戶界面）


（3） 程序框圖設計 　　

LabVIEW的源程序為框圖式的，且提供了非常豐富的庫函數(shù)，從數(shù)據(jù)采集到儀器控制，從信號產(chǎn)生到信號處理，從數(shù)據(jù)分析到圖形顯示，從文件讀寫到網(wǎng)絡通信，多種多樣，大大提高了用戶編程的效率，減輕了編程工作量。 　　本系統(tǒng)程序框圖設計主要包括設備初始化、AD部件初始化、模擬數(shù)據(jù)讀取、電壓-溫度轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及顯示、超限報警、AD部件釋放、設備釋放等模塊，其中有些模塊直接調(diào)用LabVIEW中的子模塊（庫函數(shù)），如乘法、減法、比較超限與否、定時器等;還有些如Create/Release ID、AD Int/Read/Close等模塊由用戶自定義設計實現(xiàn)。 　　
具體流程圖和程序框圖見圖4、圖5。

圖4 系統(tǒng)流程圖

圖5 測溫系統(tǒng)程序框圖

4 結(jié)束語　　

利用LabVIEW軟件實現(xiàn)了虛擬溫度測量系統(tǒng)，改善了工作條件，提高了精度，節(jié)約了時間，降低了成本。該系統(tǒng)的擴展性很強，可進一步擴充其功能，如實現(xiàn)對溫度遠程測控等。該系統(tǒng)構(gòu)建測控系統(tǒng)的方法，可推廣到類似的應用中，有著十分重要的現(xiàn)實意義。 　　

本文創(chuàng)新點在于：采用虛擬儀器構(gòu)建了溫度測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了測溫的智能化，精度高，成本低，通用性和擴展性強。