虛擬溫度測量系統設計

0 引言　　

溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究實(shí)驗中的一個(gè)非常重要的參數，物體的許多物理現象和化學(xué)性質(zhì)都與溫度有關(guān)，許多生產(chǎn)過(guò)程都是在一定溫度范圍內進(jìn)行的，需要測量溫度和控制溫度的場(chǎng)合極其廣泛。目前的溫度測量控制系統常采用單片機控制，該技術(shù)應用十分廣泛，但其編程復雜，控制不穩定，系統的精度不高。而利用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)和設計的溫度測量系統，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(kāi)發(fā)平臺，來(lái)監測溫度變化情況，采集數據并進(jìn)行處理、存儲、顯示等。設備成本低，使用方便靈活，適用于工農業(yè)生產(chǎn)和教學(xué)。

1 虛擬儀器技術(shù)與LabVIEW簡(jiǎn)介　　

虛擬技術(shù)、計算機通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)是信息技術(shù)三大核心技術(shù)，其中虛擬儀器是虛擬技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。虛擬儀器（Virtual Instrument,簡(jiǎn)稱(chēng)VI）是突破傳統儀器概念的最新一代測量?jì)x器，它利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件，由用戶(hù)自己定義來(lái)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，可代替傳統的測量?jì)x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(dòng)控制、工業(yè)控制系統;可自由構建成專(zhuān)有儀器系統。虛擬儀器技術(shù)具有性能高、擴展性強、開(kāi)發(fā)時(shí)間少和出色的集成四大優(yōu)勢，使其成為現代測控技術(shù)的發(fā)展趨勢。 　　

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench實(shí)驗室虛擬儀器工程平臺）是一個(gè)程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。它使用圖形化編程語(yǔ)言G在流程圖中創(chuàng )建源程序，而非使用基于文本的語(yǔ)言來(lái)產(chǎn)生源程序代碼。LabVIEW還整合了諸如滿(mǎn)足GPIB、VXI、RS-232和RS-485以及數據采集卡等硬件通訊的全部功能。內置了便于TCP/IP、Active X等軟件標準的庫函數。LabVIEW程序被稱(chēng)為虛擬儀器（VIs），是因為它們的外觀(guān)和操作能模仿實(shí)際的儀器。即使用戶(hù)沒(méi)有多少編程經(jīng)驗，同樣也能利用LabVIEW來(lái)開(kāi)發(fā)自己的應用程序。

2系統方案設計　　

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

圖1 溫度測量系統原理框圖　

基于虛擬儀器技術(shù)的測溫系統由硬件和軟件兩大部分構成。 　　

2.1 硬件系統設計 　　

硬件系統由前端感溫裝置（溫度傳感器）、數據采集卡、PC機系統等組成，主要實(shí)現溫度信號采集、轉化、處理等功能。


圖2 測溫系統硬件電路原理圖　　

本系統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理電路（如放大），盡量減小量化誤差。當溫度變大時(shí)，熱敏電阻RT1電阻變小，在分壓點(diǎn)產(chǎn)生一線(xiàn)性電壓，經(jīng)電壓跟隨器保持后，經(jīng)過(guò)LM324進(jìn)行一級和二級放大，輸出一個(gè)正向、與溫度變化大小成正比的線(xiàn)性電壓。測量電路輸出的模擬電壓送入數據采集卡，轉化為數字信號再輸入PC機。 　　2.2 軟件系統設計 　　

軟件部分主要是對數據進(jìn)行后續處理、報警、顯示等功能，具體實(shí)現采集卡參數設定、數據標定、實(shí)時(shí)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(guò)實(shí)驗以建立傳感器輸入量與輸出量之間的關(guān)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(guò)的一道校驗程序。對于虛擬溫度測量系統而言，標定就是為了獲得電壓和被測物體溫度的函數關(guān)系，以便通過(guò)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(cháng)，適于遠距離測量等優(yōu)點(diǎn)，但其非線(xiàn)性誤差較大，穩定性稍差，所以必須進(jìn)行標定。 　　　　

通過(guò)曲線(xiàn)擬合法對系統進(jìn)行標定，即可求出測溫范圍內任一電壓對應的溫度。 　　

（2） 前面板設計 　　

用戶(hù)界面（前面板）是虛擬儀器的重要組成部分，儀器參數的設置、測試結果顯示等功能都是通過(guò)軟件實(shí)現，因此要求軟件界面簡(jiǎn)單直接，便于使用。本系統采用LabVIEW8.2軟件設計了用戶(hù)界面如圖3所示。該界面可顯示經(jīng)傳感器檢測、數據卡采集并轉換得到的電壓波形的變化，同時(shí)將標定后得到的溫度值分別用波形、指針和數值三種方式顯示出來(lái)，適應不同用戶(hù)的需求，通過(guò)布爾量開(kāi)關(guān)設置超限報警指示。

圖3 系統前面板（用戶(hù)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，從數據采集到儀器控制，從信號產(chǎn)生到信號處理，從數據分析到圖形顯示，從文件讀寫(xiě)到網(wǎng)絡(luò )通信，多種多樣，大大提高了用戶(hù)編程的效率，減輕了編程工作量。 　　本系統程序框圖設計主要包括設備初始化、AD部件初始化、模擬數據讀取、電壓-溫度轉換、數據處理及顯示、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用LabVIEW中的子模塊（庫函數），如乘法、減法、比較超限與否、定時(shí)器等;還有些如Create/Release ID、AD Int/Read/Close等模塊由用戶(hù)自定義設計實(shí)現。 　　
具體流程圖和程序框圖見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 系統流程圖

圖5 測溫系統程序框圖

4 結束語(yǔ)　　

利用LabVIEW軟件實(shí)現了虛擬溫度測量系統，改善了工作條件，提高了精度，節約了時(shí)間，降低了成本。該系統的擴展性很強，可進(jìn)一步擴充其功能，如實(shí)現對溫度遠程測控等。該系統構建測控系統的方法，可推廣到類(lèi)似的應用中，有著(zhù)十分重要的現實(shí)意義。 　　

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