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基于LabVIEW的温度测控系统设计
来源:本站整理  作者:佚名  2009-02-02 10:29:42



1 引言
    目前的测温控制系统大都使用传统温度测量仪器.其功能大多都是由硬件或固化的软件来实现,而且只能通过厂家定义、设置,其功能和规格一般都是固定的,用户无法随意改变其结构和功能,因此已不能适应现代化监测系统的要求。随着计算机技术的飞速发展,美国国家仪器公司率先提出了虚拟仪器的概念,彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式,使测控仪器发生了巨大变革。虚拟仪器技术充分利用计算机的强大运算处理功能,突破传统仪器在数据处理、显示、传输、存储等方面的限制,通过交互式图形界面实现系统控制和显示测量数据,并使用框图模块指定各种功能。采用集成电路温度传感器和虚拟仪器方便地构建一个测温系统,且外围电路简单,易于实现,便于系统硬件维护、功能扩展和软件升级。
    这里利用LabVIEW作为语言开发平台.设计系统软件.并利用计算机串口与下位机串行通讯,实现温度的实时测量与控制。


2 系统硬件设计

    图1给出系统硬件组成框图,由计算机、单片机、测温电路及温度控制电路组成。该系统集计算机、强大的图形化编程软件和模块化硬件于一体,建立灵活且以计算机为基础的测量及控制方案,构建出满足需要的系统。利用传感器获取温度信号,再由单片机组成的小系统对温度信号进行采集、调理和转换,然后通过RS-232串口将数据送给计算机.并通过计算机运行的LabVIEW程序来分析处理输入数据.最终由计算机显示结果。同时,通过计算机串口采样输入信号,利用LabVIEW中的PID控制算法,求出系统输出信号的大小,再由串口将输出信号传输至外部温度控制电路,以实现温度控制。

2.1 温度测量电路
   
温度测量电路主要由温度传感器和信号调理部分组成。温度传感器主要包含数字式温度传感器DSl8820和K型热电偶。DSl8820是美国DALLAS公司推出的一款可组网数字式温度传感器。它采用1一Wire总线接口,测温范围为一55℃~+125℃,精度可达0.067 5℃,最大转换时间为200 ms,K型热电偶的价格低廉,灵敏度高,复现性好,而且热电动势的线性度及在1 000℃下的抗氧化性能良好。此外,廉金属热电偶中的稳定性更好,但与贵金属热电偶相比,其时效变化大,可在900℃以下的环境内长期使用。因此该设计采用K型热电偶测量电阻炉的炉温,DSl8820检测校准常温下的温度。调理电路主要用于滤波和放大来自模拟量输入通道的信号,以满足A/D转换器输入端电气参数的要求。
2.2 温度控制电路
   
图2给出温度控制电路。它主要由MOC3401型光电耦合器Ul和BTl38—600型双向晶闸管VU2组成。全周期内都能将220 V交流电压加载在热棒RL上。单片机发出脉宽调制(PWM)控制信号,经驱动器后控制Ul的状态。当Ul工作后,使VU2的控制极处于高电平,VU2处于导通状态,进而控制RL工作。使用U1可有效地降低外界对系统影响,增强系统的稳定性。

3 系统软件设计
3.1
上位机软件设计
   
上位机软件设计主要完成数据采集与控制、测试结果的分析和记录、数据查询等,同时为用户提供一个方便的操作界面。图3给出上位机的监控界面。该系统软件主要由数据采集、数据处理、数据报警、数据存取、数据打印及PID控制器等模块组成。基于LabVIEW的测控系统软件采用模块化的思想来编写,每个功能的实现均由一个模块完成,从而最终实现数据采集、处理、显示、记录、打印及报警等。

    (1)数据采集模块数据采集模块实现电阻炉温度的测量,并把采集到的数据全部存储到数据表中,以备后续的数据处理、计算及打印。数据采集是该系统软件的主要功能,也是其他模块进行数据处理、图形绘制的基础。LabVIEW可通过数据采集模块显示实际的信号波形。当数据采集模块采集实测信号时,得到一组离散的信号值,通过图形显示控件在计算机显示器上逐点显示并连线,即可实时显示被测信号。
    (2)数据处理模块 采样程序循环一次,就预处理采集数据,主要是对数据的数字滤波。由于仪器用于机房和通信设备的现场中,干扰源较多。为了减少对采样数据的干扰,提高仪器系统性能,在数据处理之前,需对采样数据进行数字滤波。所谓数字滤波,就是通过特定的计算程序处理,减少干扰信号在有用信号中所占的比例,实质上是一种程序滤波。
    (3)数据报警模块 当实际温度大于温度上限或小于温度下限值时予以超温报警。超温报警时,系统即中断自动控温,确保人员及设备安全。系统通过信号灯及报警声实现超温报警,即当采样数据超过系统所设定的上下限时,指示灯变红,并发出警报声。
    (4)数据存取模块数据存储部分主要利用LabVIEW与数据库接口程序,将采集的原始数据存储到Access数据库中,供后续的结果查询和数据分析。为了实现LabVIEW对Access数据库的访问,要先建立一个数据源(ODBC),并通过DSN来标识ODBC。先在Access中建立一个数据库,并命名为tmp.mdb。在Windows操作系统的控制面板中选择ODBC,弹出ODBC数据源管理器;然后单击系统DSN选项卡中的“添加”按键,在随后出现的“创建新数据源”对话框“驱动程序列表中”选择“Microsoft Access Driver(*.mdb)”,并单击“完成”按键;接着在随后出现的对话框“数据源名”中创建DSN的名称,如dsn_tmp,并利用“选择”按键选择需要利用Lab-SQL访问的数据库tmp.mdb,单击“确定”按键,以完成DSN的创建。此后,LabSQL就能利用这个DSN访问与之相关的数据库。无论是查询数据库,还是删除数据库,步骤大体相同,即建立与数据库的连接,建立与记录集(Recordset)的连接,执行数据库的操作,断开与数据库之间的连接。图4给出从数据库tmp.mdb中读出表tmp的温度数据。

    (5)PID控制器模块该模块采用增量式PID控制器,在LabVIEW中主要通过两种途径实现。一是利用其外部接口调用其他软件或编程代码;二是利用LabVIEW本身的图形编程语言编程。由于LabVIEW提供了MatlabScript节点,可在Matlab script节点中编辑Matlab程序,并在LabVIEW环境下运行,而且使用Matlab script节点实现,这样既能使程序结构清晰,又能提高运算速度。因此可采用Maflab script节点实现增量式PID控制程序,其表达式为:

   
式中:k为采样序列;u(k)为第k次采样时刻的计算机输出值:e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值;e(k一1)为第k一1次采样时刻输入的偏差值;KP为比例系数;Ki为积分系数;Kd为微分系数。
    图5给出增量式PID控制器的程序流程图。

3.2 下位机软件设计
   
在此,选用AT89S51单片机和C语言编程。AT89S5l单片机自身具有全双工的异步通信接口,可方便串行通信。通过软件编程,可用作通用异步接收和发送器UART,也可用作同步移位寄存器。它的帧格式可有8位、10位和ll位。并能设置各种波特率,使用灵活方便。图6给出单片机程序流程图。在系统初始化时,先令单片机的定时器T1工作于定时方式2,产生串行通信所需的波特率;再令单片机的串行口工作在定时方式l,为10位异步通信方式,即每帧数据由1个起始位,8数据位,1个停止位构成。令AT89S51单片机的定时器T0工作在定时器模式,用于产生指定的控制周期。在T0的中断程序中,首先将采集的温度信息传输至上位机,然后上位机利用PID控制算法,求出系统输出控制量的大小并传输至单片机,再由单片机输出控制量,进而实现实时温度控制。

4 结语
   
利用LabVIEW设计阁的温度测控系统,它可在计算机上完成被控温度的实时显示、直方图统计显示及PID控制.还可将采集的温度数据保存到指定的数据库中。以备系统运行中随时查阅和分析。查询结果以表格形式呈现,非常方便用户查看。该系统已用于学生的教学试验中,经实验调试能达到系统的设计要求。它与传统仪器构建的系统相比,界面友好,测量精度高,易于扩展。

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