基于LABVIEW的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計摘要技術(shù)，設(shè)計了基于labview的溫度控制系統(tǒng)，在分析溫度的基礎(chǔ)上，采用PID控制原理，實現(xiàn)了溫度調(diào)節(jié)，以及溫度超限報警；同時采用labview軟件，實現(xiàn)了對溫度控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計，系統(tǒng)的硬件采用pt100的白色鉑熱電阻作為對溫度檢測的敏感性元件，通過溫度變送器，實現(xiàn)了420mA的信號的有電器對風(fēng)扇進(jìn)行控制；上位機(jī)的監(jiān)測系統(tǒng)主要基于LabVIEW軟件編程，其程序LabVIEW的分析能力和運(yùn)算能力非常強(qiáng)大，將該軟件選作上位機(jī)的開發(fā)平關(guān)鍵詞：labview,溫度控制，USB數(shù)據(jù)采集卡摘要 I 1 1 2 2 2 33硬件設(shè)計 43.1溫度傳感器 43.1.1簡介 43.1.2曲線圖表 53.1.3安裝 53.2PT100溫度變送器 53.3數(shù)據(jù)采集 73.3.1簡介 73.3.2端子定義及排序說明 7工I3.3.3模擬信號連接方式 73.4繼電器 83.4.1控制電路 94系統(tǒng)軟件設(shè)計 4.1參數(shù)采集模塊 14.2實時監(jiān)測顯示模塊 4.3超限報警模塊 4.4信號輸出模塊 4.5PID控制模塊 4.5.1PID控制系統(tǒng)原理 4.5.2兩種PID控制算法 5.1軟硬件的結(jié)合 5.2硬件部分的組裝 6設(shè)計過程中遇到的問題和困難及解決措施 6.1采集卡與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信 6.2傳感器的選擇問題 6.3如何根據(jù)系統(tǒng)超限與否控制風(fēng)扇模塊 7結(jié)論 附錄 附錄A:軟件部分前面板設(shè)計 附錄B:后面板程序框圖 附錄C:硬件電路實物連接圖 1隨著信息與電子技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展及其在現(xiàn)代電子計算與測量儀器技術(shù)和電子儀器測試領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，新的電子測試儀器理論、新的計算與測試方法、新的電子測試應(yīng)用領(lǐng)域和新的測試儀器體系結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的電子儀器測試越來越不足。溫度控制管理系統(tǒng)應(yīng)用中的爐溫電加熱爐爐溫是目前工業(yè)生產(chǎn)過程和科學(xué)實驗室中廣泛存在使用的一種加熱控制設(shè)備，爐內(nèi)的各種加熱控制元件通常能將全部電能直接轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)變?yōu)轭~定熱能，通過微波輻射或電磁對流的加熱方式直接傳遞電能給已經(jīng)加熱過的對象，從而直接改變加熱對象的工作溫度，通常整個工業(yè)生產(chǎn)過程都對爐溫的溫度控制系統(tǒng)提出了一定的技術(shù)要求，這就我們需要對各種電加熱爐的爐體進(jìn)行溫度控制，調(diào)節(jié)它的額定通電持續(xù)時間或改變通電時的強(qiáng)度等等來從而改變它平時輸出的額定熱能。傳統(tǒng)的手動控制加熱方法主要有兩種：第一種方法就是手動直接調(diào)節(jié)電壓法，即是電工依靠其本人的工作經(jīng)驗直接手動改變高壓電加熱爐的電源輸入輸出電壓。第二種加熱控制操作方式：保溫主控回路中主要采用可控多晶硅控制裝置，在保溫試驗階段通過結(jié)合一些簡單的控制儀表進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，加熱控制過程仍主要依靠保溫測試儀的手動調(diào)節(jié)。智能鍋爐溫度控制計量儀表在家用電加熱爐中的溫度控制技術(shù)領(lǐng)域日益重要得到廣泛地研究應(yīng)用。在溫度控制技術(shù)領(lǐng)域中，溫度控制集成電路廣泛應(yīng)用于我們社會經(jīng)濟(jì)生活的各個領(lǐng)域，近年來國家提出一種改進(jìn)的控制電路，采用新型主控制回路無觸點溫度控制，克服傳統(tǒng)繼電器接觸不良的傳統(tǒng)缺點，且使用維修方便，缺點主要是其對模糊控制算法特別適用于通過控制不易確定取得精確度的數(shù)學(xué)物理模型和其他數(shù)學(xué)物理模型不容易確定或經(jīng)常發(fā)生變化的數(shù)學(xué)對象。對具有溫度控制誤差實時采樣的精確度測量進(jìn)行模糊化，經(jīng)過系統(tǒng)數(shù)學(xué)分析處理后將輸入送到計算機(jī)中，計算機(jī)根據(jù)模糊控制規(guī)則可以推理出并做出模糊控制決策，求出一個相應(yīng)的溫度控制精確量，變成精確的測量輸進(jìn)去控制驅(qū)動實時執(zhí)行控制機(jī)構(gòu)，調(diào)整控制輸入溫度達(dá)到實時調(diào)節(jié)工作溫度，使之穩(wěn)定的工作目的。2控制系統(tǒng)的功能精確使產(chǎn)品溫度波動隨周圍外界電磁干擾作用條件的不同變化，2總體方案設(shè)計2.1方案論證串行接口通常中文簡稱串行總線口或串□,也有以可中文簡稱串行總線接□串行通信接口或中文簡稱總線串行總線網(wǎng)絡(luò)通訊通信接□(通常意義就是本文指據(jù)傳輸方式的一種總線擴(kuò)展通信接口。串行接□(serialinterface)的主要目的是沿只要一對一的數(shù)據(jù)傳送運(yùn)輸線就一樣樣便可以輕松地實現(xiàn)雙向通信(一般用戶此時可以直接自行考慮選擇利用普通移動電話線直接使用作為一對數(shù)據(jù)傳輸線的通信線)因此，可以大大降低雙向通信線路的成本，并且特別適合于長距離的無線通信，但是數(shù)據(jù)線路的傳輸速度相對較慢。如圖2-1所示。單片單片機(jī)器器串行接口器器串行接口機(jī)機(jī)或者ibm-pc/at的任意一個PCI插槽中都能夠直接插入。它可以在實驗室以及3產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心等各個場所打造出具有波形分析功能以及波形處理功能和數(shù)圖2-2所示。USB采集卡，即與數(shù)據(jù)采集器連接的一個接口卡，只是讀取數(shù)據(jù)采集器接收到的本地數(shù)據(jù)而不直接輸入到其他個人計算機(jī)設(shè)備的一個數(shù)據(jù)采集接□,它也只是連接usb數(shù)據(jù)采集卡的一個接□。在今天非的傳輸速率大大提高。如果采用USB3.0標(biāo)準(zhǔn)，則可以實現(xiàn)400Mbyte/s的最小數(shù)據(jù)吞吐量和5Gb/s的物理層傳輸速率。利用數(shù)據(jù)采集和USB高速傳輸原理實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集卡，最終使今天的USB高速采集卡如圖2-3所示。4圖2-3USB數(shù)據(jù)3硬件設(shè)計按照信號流向?qū)⒂布糠值哪K劃分成風(fēng)機(jī)、繼電器控制電路、數(shù)據(jù)采集卡以及信號調(diào)理電路和溫度傳感器5個部分。在對硬件部分進(jìn)行設(shè)計時所采用的基本思路概括如下：溫度傳感器負(fù)責(zé)對溫度信號進(jìn)行采集，采集卡相對應(yīng)的輸入信號應(yīng)該是規(guī)格為3.3伏的電壓信號，所以溫度傳感器獲取到的溫度信號應(yīng)該在信號調(diào)理電路的作用下，被傳輸?shù)较鄳?yīng)的數(shù)據(jù)采集卡當(dāng)中。數(shù)據(jù)采集卡的USB串行通信會將其發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行軟件部分的數(shù)據(jù)分析。當(dāng)監(jiān)測到溫度數(shù)值超過上限的值，上位機(jī)會給采集卡反饋一個高電平的激勵信號，繼電器打造的控制回路可以實現(xiàn)對風(fēng)扇模塊的有效控制，從而完成有效降溫。3.1.1簡介考慮到與下一級的數(shù)據(jù)采集卡兼容，本設(shè)計決定應(yīng)用安徽天康有限公司生產(chǎn)的PT100溫度傳感器。作為典型的鉑熱電阻，PT100的電阻值會受到溫度波動的劇烈影響。在溫度傳感器的作用下，溫度信號可以實現(xiàn)到電信號的轉(zhuǎn)換，電流信號和電壓信號都屬于電信號，轉(zhuǎn)化出來的電信號與實際的溫度值相對應(yīng)，當(dāng)溫度升高的時候，傳感器的電阻阻值也會不斷增大，甚至超出250Ω。PT100在溫度方面是特別敏感的，溫度相對偏低時，該電阻處于低電阻狀態(tài)。憑借著良好的綜5合性能，溫度傳感器已經(jīng)在各個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了真正意義上的廣泛應(yīng)用。云母元件以及玻璃元件和陶瓷元件等都屬于特別常規(guī)的PT100感溫元件。PT100溫度傳感器的外形如圖3-1所示。pt100溫度傳感器如果由兩個可以用來同時測量輸入溫差的溫度傳感器器件組成，輸出溫度信號與輸入溫差之間就會有一個對給定的連續(xù)溫度函數(shù)和的關(guān)系。pt100溫度傳感器中的輸出電阻信號與給定的溫度傳感變量之間通常存在一系列給定的連續(xù)或函數(shù)關(guān)系(通常是線性連續(xù)函數(shù)),在早期工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用pt100溫度傳感器中，溫度傳感器的輸出電阻信號與輸出電阻值(或電壓函數(shù)值)通常呈現(xiàn)線性化或函數(shù)關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)化的直流輸出電路信號主要可分為0ma～10ma和4ma~20ma直流輸出信號。測量電路也被叫做信號調(diào)理電路或者轉(zhuǎn)換電路。測量電路負(fù)責(zé)電信號的進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，其主要功能就是記錄以及處理和顯示等一系列的線性化功能，如放大、濾波控制等。本傳感器的測量電路如圖3-3所示。6圖3-3測量電路3.2PT100溫度變送器在Pt100鉑電阻接線盒中安設(shè)的PT100溫度變送器是將熱電阻Pt100的電阻信號轉(zhuǎn)化為二線制4-20mA輸出的裝置，如圖3-4所示。因為pt100傳感器把采集得到的溫度信號直接轉(zhuǎn)換為電阻式的信號，而pt100溫度變送器則是負(fù)責(zé)把采集到的電阻式信號直接轉(zhuǎn)換為電流式信號的，電路圖如圖3-5所示。圖3-5電路圖7產(chǎn)品靈感來自于恒凱電子有限公司推出的USB2.0數(shù)據(jù)采集處理卡。以USB總線為基礎(chǔ)的USB2.0數(shù)據(jù)采集處理卡的關(guān)鍵構(gòu)成部分包括1路輸入pwm的進(jìn)出輸入/驅(qū)動控制輸出端口、8路模擬數(shù)字信號的進(jìn)出輸入/驅(qū)動輸出控制端口及12路數(shù)字模擬信號數(shù)據(jù)采集控制端口等。USB2.0數(shù)據(jù)采集處理卡已經(jīng)在高等院校教學(xué)以及工業(yè)生產(chǎn)線等多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用，其能夠?qū)崿F(xiàn)計算機(jī)和傳感器的有機(jī)結(jié)合，將其引入在計算機(jī)中，還可以實現(xiàn)對計算機(jī)輸出信號的全面接收。相較于同類別的數(shù)據(jù)采集卡而言，其他價格方面有著極大的優(yōu)勢，功能也相對齊全，只需要適當(dāng)?shù)木幊叹涂梢詫崿F(xiàn)功能升級。3.3.2端子定義及排序說明恒凱電子USB2.0數(shù)據(jù)采集卡接口定義如圖3-6所示。 出92香者查者看是1盾是250出天C居h3.3.3模擬信號連接方式8采集卡可以對0~3.3V范圍內(nèi)的模擬電壓量信號進(jìn)行有效接收。在對采集卡進(jìn)行使用的過程中，應(yīng)該保證上一級輸出信號相對應(yīng)的電壓范圍與其吻合。圖3-7為采集卡模擬器上連接方式。DADA2信號輸出DA1信號輸出因為usb數(shù)據(jù)采集卡只能接受電壓信號，而pt100變送器直接將傳感器pt100的電阻信號轉(zhuǎn)換為電流信號，所以我們需要連接一個控制電路，將這個電流信號直接轉(zhuǎn)換為電壓信號。這個控制電路很好實現(xiàn)，就是加一個電阻可以輕松實現(xiàn)。在對繼電器進(jìn)行開發(fā)的過程中需要應(yīng)用到各種各樣的理論，而其中最核心的就是電磁感應(yīng)效應(yīng)。電磁感應(yīng)效應(yīng)的本質(zhì)就是通過對小電流回路的應(yīng)用實現(xiàn)對大電流回路斷開或連接的有效控制，在電磁感應(yīng)控制階段中，不同回路間是相互連接而又相互隔離的。每個繼電器中都有常閉觸點(NC)以及常開觸點(NO)的設(shè)置，銜鐵連接著動觸點(COM)。當(dāng)信號輸入被繼電器感受到的時候，線圈回路就會自動導(dǎo)通，在電磁感應(yīng)效應(yīng)的作用下，線圈纏繞著的鐵芯會實現(xiàn)磁場的產(chǎn)生，磁力的存在會導(dǎo)致公共觸點連接常開觸點，回路由此形成。繼電器的設(shè)計思維特別巧妙，通過對電感原理的充分應(yīng)用完成了智能開關(guān)的制造。圖3-8為繼電器實物圖。9結(jié)合實際情況設(shè)置出如圖3-9所示的繼電器控制電路。風(fēng)扇模塊中包含的電動機(jī)以及常開觸點共同構(gòu)成大回路，繼電器線圈對應(yīng)的回路屬于小回路?？諝庵袑嶋H的溫度值在正常范圍之內(nèi)時，系統(tǒng)會自動進(jìn)入到正常測量模式，采集卡輸出端不會對小回路進(jìn)行信號的輸出，常閉觸點與公共觸點相結(jié)合，不會有向下一級風(fēng)扇模塊傳遞的信號，風(fēng)扇模塊并沒有進(jìn)入到運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。溫度超出限定值且系統(tǒng)報警之后，采集卡輸出端會對小回路輸出相應(yīng)的高電平信號，繼電器小回路因此而導(dǎo)通，在電磁感應(yīng)效應(yīng)的作用下，鐵芯產(chǎn)生磁場，銜鐵位置的變化使得公共觸點連接對象從常閉觸點轉(zhuǎn)變?yōu)槌ｉ_觸點。風(fēng)扇模塊對應(yīng)的大回路因此而導(dǎo)通，風(fēng)扇進(jìn)入到運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而實現(xiàn)溫度的有效降低。常閉觸點常閉觸點常開觸點線圈M線圈電源風(fēng)扇模塊電動機(jī)4系統(tǒng)軟件設(shè)計LabVIEW2017的圖形編程功能非常強(qiáng)大，用其對軟件部分進(jìn)行設(shè)計。軟件部分包含的功能模塊有PID控制模塊、信號輸出模塊、超限報警模塊和實時監(jiān)測顯示模塊與參數(shù)采集模塊。圖4-1為上位機(jī)功能模塊圖。實時監(jiān)測里示模塊超限報警模塊參數(shù)采集模塊信號輸出模塊4.1參數(shù)采集模塊采集卡輸出端輸出的信號會被LabVIEW接收到，對凱恒電子有限公司提供的USB數(shù)據(jù)采集卡資料包中包含的庫函數(shù).d1l文件進(jìn)行直接調(diào)用，借助ADSingleV20()函數(shù)，實現(xiàn)對模擬通道電壓的有效采集，返回float型數(shù)據(jù)，對前端測量電路輸出端輸出的電壓進(jìn)行讀取。圖4-2為調(diào)用庫函數(shù)界面?！踉诔绦蚩驁D中指定路徑函數(shù)名函數(shù)原型int32_tADSingleV20(int32_t參數(shù)1,線程在UI線程中運(yùn)行○在任意線程中運(yùn)行C確定取消幫助在對溫度部分進(jìn)行設(shè)計的過程中，將單次采集函數(shù)的首個參數(shù)設(shè)定為0,代表對數(shù)據(jù)采集卡AD0端口輸出的值的接收。圖4-3為環(huán)境參數(shù)采集模塊的程序框圖。7000A0加熱20圖4-4前面板4.2實時監(jiān)測顯示模塊實時溫度實時溫度圖溫度曲線m圖4-5實時監(jiān)測顯示模塊0y01A心200圖4-6前面板檢測圖4.3超限報警模塊mYt0m圖4-7超限報警模塊4.4信號輸出模塊相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡。在這里需要對庫函數(shù)文件當(dāng)中包含的單向操作函數(shù)設(shè)置。溫度數(shù)值超限報警后，上位機(jī)會將一個高電平的輸出激勵信號傳輸給采集卡，從而驅(qū)動器進(jìn)入到運(yùn)行模式。圖4-8為信號輸出模塊對應(yīng)的程序框圖。DD0出404.5PID控制模塊4.5.1PID控制系統(tǒng)原理PID控制器具有著比較簡單的結(jié)構(gòu)，其魯棒性良好，在絕大部分工業(yè)控制系統(tǒng)中都比較適用。它是目前應(yīng)用最廣泛的控制方法之一。圖4-9為傳統(tǒng)PID閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，設(shè)定值為閉環(huán)系統(tǒng)控制參數(shù)r(t),系統(tǒng)輸出值為y(t)。PID控制器e(t)用作輸入測量單元，以反饋輸出信號以計算輸入和輸出之間的差。PID控制器的輸出u(t)是通過對e(t)進(jìn)行比例，積分和微分運(yùn)算來對這三部分求和而獲得的，相應(yīng)的受控對象由執(zhí)行器的輸出控制。PID調(diào)節(jié)器部分被控對象式4-1為PID控制器輸出的計算公式：由上式可知，積分項以及微分項和比例項的代數(shù)和等于PID控制器的輸出。系統(tǒng)比例增益系數(shù)和溫度偏差信號分別是Kp和e(t),Td和Ti分別代表著微分作制器。如果控制器在精度方面的要求比較高，最佳的方式就是PI組合控制方式，將控制器應(yīng)用在具有較大滯后性的系統(tǒng)中時，比較適用的控制方式為PID或者PID的基本控制原理為：在PID控制校正階段中其重要作用的三個參數(shù)分別是Kp、(1)比例控制參數(shù)Kp誤差進(jìn)行降低的方式被稱為比例調(diào)節(jié)。而且，如果kp很大，控制系統(tǒng)的響應(yīng)可以很快，控制精度也很好。但是，過多的kp會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，并且系統(tǒng)可能以適當(dāng)?shù)腒p會對控制系統(tǒng)的質(zhì)量性能造成直接影響。(2)積分調(diào)節(jié)參數(shù)Ki(3)微分調(diào)節(jié)參數(shù)Kd增量控制pid增量控制的主要目的是更新通過積分計算得到的量自動進(jìn)行被控采樣的輸出結(jié)果和加入設(shè)定值之間的方向偏移使用e(n)函數(shù)來自動計算第一或n次被控采樣結(jié)束后所加入輸出的控制變量。式中：Ka以及ki和kp分別對應(yīng)著微分系數(shù)以及積分系數(shù)和比例系數(shù)。出于對分系數(shù)和積分系數(shù)以及比例系數(shù)分別設(shè)定為0以及0.010和1。以下是PID控制模板，如圖4-10所示。真控制模式圖4-10PID控制模塊5系統(tǒng)調(diào)試些不可預(yù)見的問題。比如設(shè)計的軟件或者硬件是否存在缺陷?硬件和軟件結(jié)果之后，系統(tǒng)的正常運(yùn)行是否可以得到保障?這部分問題的存在使得聯(lián)調(diào)實驗的價值本系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集卡以及前端數(shù)據(jù)采集部分和后端溫度監(jiān)控模塊與上位通過USB串口通訊到相應(yīng)的上位機(jī)；上位機(jī)可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的報警以及分析和5.3上位機(jī)監(jiān)控展測試的階段中，應(yīng)用程序框圖和前面板之間存在著互相作用且互相關(guān)聯(lián)的關(guān)測試背景為室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)條件下的溫度，測試結(jié)果如圖5-3所示溫度監(jiān)控系統(tǒng)1020BBg△0A加熱確定確定比例增益當(dāng)溫度超過上限時，紅燈亮，蜂鳴器報警，然后風(fēng)扇持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖5-4所示。圖5-4報警示意圖6設(shè)計過程中遇到的問題和困難及解決措施6.1采集卡與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信選用國產(chǎn)采集卡參與本次設(shè)計的主要原因就是國產(chǎn)產(chǎn)品具有著更高的性價晰的認(rèn)知：首先要對采集卡驅(qū)動程序進(jìn)行安裝，在LabVIEW程序界面對庫函數(shù)文件進(jìn)行調(diào)用，借助ADSingleV20()函數(shù)對前端測量電路輸出端輸出的電壓進(jìn)行讀取，在輸出端對庫函數(shù)文件中包含的單相操作輸出函數(shù)DoSetV20()進(jìn)行調(diào)用，這個函數(shù)能夠?qū)UT07對應(yīng)的輸出狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，實際溫度值超出輸出端輸出的電壓無法使得風(fēng)扇轉(zhuǎn)動得到有力驅(qū)動。為使得該問題得到有效緩7結(jié)論在正式進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計之前，本人借助各種渠道找到了與課題有關(guān)的各類材料，通過對材料的查閱和了解，對課題的研究價值以及研究意義有了更加深入的了解，對系統(tǒng)需要實現(xiàn)的具體功能以及軟件操作流程和硬件電路設(shè)計流程有了更加全面的認(rèn)知。在畢設(shè)流程中，對系統(tǒng)整體設(shè)計思路有了更加全面的構(gòu)思。進(jìn)而實現(xiàn)了硬件的設(shè)計以及組裝和調(diào)試，還有軟件對應(yīng)的圖形化編程。出于對設(shè)計要求的考慮，硬件部分增加了針對溫度的控制