01-基于虚拟仪器的温度测控系统的实现.docx

基于虚拟仪器的温度测控系统的实现本课题针对原有温度测控仪的测试与控制功能进行改造。利用虚拟仪器技术实现了原有温度测控仪对温度信号的测试与控制功能弥补了原有测控仪利用单片机操作单一﹑程序无法更改的缺欠。为现代测控技术的发展尤其是虚拟仪器这种“软件即是仪器”的新思想提供了现实证据；同时还在温度传感器的标定中作了有意义的工作。随着计算机硬件和软件技术的迅速发展测控技术也日新月异。虚拟仪器(VirtualInstrumentation)概念的提出使我们可以充分利用计算机软件硬件资源来实现计算机与测量仪器的有机结合从而极其容易的组建一个性能优异的现场测控系统。温度信号作为自然界中一个重要的物理量无论理论研究还是工程技术很多情况下都会抓住这个物理量中所加载的信息对某一特定的物理过程或现象进行定量的分析温度测控仪就是在这种条件下开发出来的。原有的温度测控仪利用硬件电路来实现数据采集﹑变换﹑显示和控制而这种温度测控系统只能给出显示的温度数据而无法实时显示温度变化的动态图形更不能对信号作进一步的分析而且利用单片机操作单一﹑可扩展性差烧制在芯片中的程序无法根据需要更改因此出于此种缺欠考虑利用现有的计算机软硬件资源开发了一个虚拟仪器系统实现对温度信号的精确测试和控制这是本研究的重点。一、温度测控仪的系统结构与功能1.1热电偶测量温度的基本原理图1为由不同种材料的导体A和B组成的热电偶第三种导体C为毫伏计毫伏计与A和B热电偶冷端的两个节点的温度均为冷端温度而热电偶AB的热端置于需要测量的温度场T时这样根据中间导体定律由导体ABC组成回路的总体电势应为(1)式中为塞贝克系数其值随材料和两结点温度而定。当保持=常数时则=常数=C所以上式变为(2)式(2)就是热电偶测量温度的基本原理只要保持冷端温度不变则热电偶的输出电势就是所测温度的单值函数即热电偶的输出电势就反映了被测温度的大小。1.2结构与功能温度测控仪分为两大部份：温度信号采集显示部分和开关量控制输出信号部分。系统的总体结构示意如图2所示。其中传感器利用铜-康铜热电偶其工作电压为220VAC；温度信号先由传感器转换成热电势传入到显示控制电路此电路先对微弱信号进行隔离放大滤波处理后利用555定时器对已烧制程序的芯片进行控制最后进行数字显示。温度测控仪可以通过显示控制电路进行预先的温度设定（包括限定值和修正值）倘若温度超过设定的限定值控制电路就发出信号中断热电偶的加热电源220VAC同时发出信号使内部继电器导通接通风扇的工作电源24VDC这时风扇使热电偶降温当温度降到设定温度的限定值时显示控制电路将发出信号使继电器中断风扇停止工作同时发出信号导通热电偶的电源使热电偶继续被加热这样就构成了一个对温度信号的测试与闭环控制系统。二、虚拟仪器测控系统的结构与功能本课题利用虚拟仪器技术通过软件编程来实现温度测控仪对温度信号的精确测试与控制功能系统的结构示意图如图3所示。虚拟仪器测控系统通过传感器（热电偶）将温度信号转换为热电势由于所转化的电压信号相当微弱（常温下仅有几十个微伏）因此通过SCXI电路调理箱将信号隔离放大滤波处理经过数据采集卡输入计算机利用由美国NI公司开发的LabWindows/CVI软件平台编写CVI程序此程序对所采集的信号进行实时的显示和控制同时程序中设定上限值当温度超过所设定的值时程序发出指令由计算机输出到采集卡通过两个通道输出控制信号一个通道控制传感器的加热电源另一个通道控制风扇这两个终端器件均作用于热电偶当超限时通过开关电路使热电偶加热电源切断而导通风扇电源使之工作此时温度开始下降当温度降到所设定的值时计算机发出指令数据采集卡输出信号导通热电偶加热电源而风扇电源切断这样就使得热电偶维持在所设定的温度上形成一个完整的闭环测试控制系统能够完全实现温度测控仪的功能。三、虚拟仪器测控系统的设计此系统分为硬件平台设计和软件平台设计。3.1硬件平台设计如图3所示硬件包括温度传感器（热电偶）﹑SCXI电路调理箱﹑数据采集卡﹑计算机﹑开关电路﹑风扇和加热槽其中SCXI电路调理箱和数据采集卡采用NI公司的设备SCXI调理电路由SCXI-1121来完成对极其微弱信号的调理而数据采集卡采用PCI-MIO-16E-4型号它的精度较高可以输入输出±10v范围的电压信号而且对微弱信号的识别也很高。风扇的电机工作电压为24VDC其中这部分电压由开关电路的内部电源来实现加热槽的工作电压为220VAC这个工作电压由外部电源输入SCXI-1121调理电路具有可编程控制特性可以通过软件调用LabWindows/CVI的库函数通过对NI-DAQ驱动程序设置实现SCXI电路调理的功能。调理电路的作用非常重要因为热电偶将热转化的热电势非常微弱后面部分我们会看到当温度达