基于LabVIEW的温度测控系统设计

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。