基于LabVIEW的溫度測控系統設計

2 系統硬件設計
圖1給出系統硬件組成框圖，由計算機、單片機、測溫電路及溫度控制電路組成。該系統集計算機、強大的圖形化編程軟件和模塊化硬件于一體，建立靈活且以計算機為基礎的測量及控制方案，構建出滿(mǎn)足需要的系統。利用傳感器獲取溫度信號，再由單片機組成的小系統對溫度信號進(jìn)行采集、調理和轉換，然后通過(guò)RS-232串口將數據送給計算機．并通過(guò)計算機運行的LabVIEW程序來(lái)分析處理輸入數據．最終由計算機顯示結果。同時(shí)，通過(guò)計算機串口采樣輸入信號，利用LabVIEW中的PID控制算法，求出系統輸出信號的大小，再由串口將輸出信號傳輸至外部溫度控制電路，以實(shí)現溫度控制。

2．1 溫度測量電路
溫度測量電路主要由溫度傳感器和信號調理部分組成。溫度傳感器主要包含數字式溫度傳感器DSl8820和K型熱電偶。DSl8820是美國DALLAS公司推出的一款可組網(wǎng)數字式溫度傳感器。它采用1一Wire總線(xiàn)接口，測溫范圍為一55℃～+125℃，精度可達0．067 5℃，最大轉換時(shí)間為200 ms，K型熱電偶的價(jià)格低廉，靈敏度高，復現性好，而且熱電動(dòng)勢的線(xiàn)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)境內長(cháng)期使用。因此該設計采用K型熱電偶測量電阻爐的爐溫，DSl8820檢測校準常溫下的溫度。調理電路主要用于濾波和放大來(lái)自模擬量輸入通道的信號，以滿(mǎn)足A／D轉換器輸入端電氣參數的要求。
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。全周期內都能將220 V交流電壓加載在熱棒RL上。單片機發(fā)出脈寬調制(PWM)控制信號，經(jīng)驅動(dòng)器后控制Ul的狀態(tài)。當Ul工作后，使VU2的控制極處于高電平，VU2處于導通狀態(tài)，進(jìn)而控制RL工作。使用U1可有效地降低外界對系統影響，增強系統的穩定性。

3 系統軟件設計
3．1 上位機軟件設計
上位機軟件設計主要完成數據采集與控制、測試結果的分析和記錄、數據查詢(xún)等，同時(shí)為用戶(hù)提供一個(gè)方便的操作界面。圖3給出上位機的監控界面。該系統軟件主要由數據采集、數據處理、數據報警、數據存取、數據打印及PID控制器等模塊組成。基于LabVIEW的測控系統軟件采用模塊化的思想來(lái)編寫(xiě)，每個(gè)功能的實(shí)現均由一個(gè)模塊完成，從而最終實(shí)現數據采集、處理、顯示、記錄、打印及報警等。

(1)數據采集模塊數據采集模塊實(shí)現電阻爐溫度的測量，并把采集到的數據全部存儲到數據表中，以備后續的數據處理、計算及打印。數據采集是該系統軟件的主要功能，也是其他模塊進(jìn)行數據處理、圖形繪制的基礎。LabVIEW可通過(guò)數據采集模塊顯示實(shí)際的信號波形。當數據采集模塊采集實(shí)測信號時(shí)，得到一組離散的信號值，通過(guò)圖形顯示控件在計算機顯示器上逐點(diǎn)顯示并連線(xiàn)，即可實(shí)時(shí)顯示被測信號。
(2)數據處理模塊 采樣程序循環(huán)一次，就預處理采集數據，主要是對數據的數字濾波。由于儀器用于機房和通信設備的現場(chǎng)中，干擾源較多。為了減少對采樣數據的干擾，提高儀器系統性能，在數據處理之前，需對采樣數據進(jìn)行數字濾波。所謂數字濾波，就是通過(guò)特定的計算程序處理，減少干擾信號在有用信號中所占的比例，實(shí)質(zhì)上是一種程序濾波。
(3)數據報警模塊 當實(shí)際溫度大于溫度上限或小于溫度下限值時(shí)予以超溫報警。超溫報警時(shí)，系統即中斷自動(dòng)控溫，確保人員及設備安全。系統通過(guò)信號燈及報警聲實(shí)現超溫報警，即當采樣數據超過(guò)系統所設定的上下限時(shí)，指示燈變紅，并發(fā)出警報聲。
(4)數據存取模塊數據存儲部分主要利用LabVIEW與數據庫接口程序，將采集的原始數據存儲到Access數據庫中，供后續的結果查詢(xún)和數據分析。為了實(shí)現LabVIEW對Access數據庫的訪(fǎng)問(wèn)，要先建立一個(gè)數據源(ODBC)，并通過(guò)DSN來(lái)標識ODBC。先在A(yíng)ccess中建立一個(gè)數據庫，并命名為tmp．mdb。在Windows操作系統的控制面板中選擇ODBC，彈出ODBC數據源管理器；然后單擊系統DSN選項卡中的“添加”按鍵，在隨后出現的“創(chuàng )建新數據源”對話(huà)框“驅動(dòng)程序列表中”選擇“Microsoft Access Driver(*．mdb)”，并單擊“完成”按鍵；接著(zhù)在隨后出現的對話(huà)框“數據源名”中創(chuàng )建DSN的名稱(chēng)，如dsn_tmp，并利用“選擇”按鍵選擇需要利用Lab-SQL訪(fǎng)問(wèn)的數據庫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(fǎng)問(wèn)與之相關(guān)的數據庫。無(wú)論是查詢(xún)數據庫，還是刪除數據庫，步驟大體相同，即建立與數據庫的連接，建立與記錄集(Recordset)的連接，執行數據庫的操作，斷開(kāi)與數據庫之間的連接。圖4給出從數據庫tmp．mdb中讀出表tmp的溫度數據。

(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(guò)兩種途徑實(shí)現。一是利用其外部接口調用其他軟件或編程代碼；二是利用LabVIEW本身的圖形編程語(yǔ)言編程。由于LabVIEW提供了MatlabScript節點(diǎn)，可在Matlab script節點(diǎn)中編輯Matlab程序，并在LabVIEW環(huán)境下運行，而且使用Matlab script節點(diǎn)實(shí)現，這樣既能使程序結構清晰，又能提高運算速度。因此可采用Maflab script節點(diǎn)實(shí)現增量式PID控制程序，其表達式為：

式中：k為采樣序列；u(k)為第k次采樣時(shí)刻的計算機輸出值：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；Ki為積分系數；Kd為微分系數。
圖5給出增量式PID控制器的程序流程圖。

3．2 下位機軟件設計
在此，選用AT89S51單片機和C語(yǔ)言編程。AT89S5l單片機自身具有全雙工的異步通信接口，可方便串行通信。通過(guò)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。并能設置各種波特率，使用靈活方便。圖6給出單片機程序流程圖。在系統初始化時(shí)，先令單片機的定時(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，即每幀數據由1個(gè)起始位，8數據位，1個(gè)停止位構成。令AT89S51單片機的定時(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，然后上位機利用PID控制算法，求出系統輸出控制量的大小并傳輸至單片機，再由單片機輸出控制量，進(jìn)而實(shí)現實(shí)時(shí)溫度控制。

4 結語(yǔ)
利用LabVIEW設計閣的溫度測控系統，它可在計算機上完成被控溫度的實(shí)時(shí)顯示、直方圖統計顯示及PID控制．還可將采集的溫度數據保存到指定的數據庫中。以備系統運行中隨時(shí)查閱和分析。查詢(xún)結果以表格形式呈現，非常方便用戶(hù)查看。該系統已用于學(xué)生的教學(xué)試驗中，經(jīng)實(shí)驗調試能達到系統的設計要求。它與傳統儀器構建的系統相比，界面友好，測量精度高，易于擴展。