基于LabVIEW和DAQmx的温度采集与控制系统.doc

基于LabVIEW和DAQmx的温度采集与控制系统学 院： 工程学院 专 业： 电子信息工程 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 摘 要虚拟仪器的技术基础是计算机技术，核心是计算机软件技术。随着现代测试技术的不断发展，以LABVIEW为软件平台虚拟仪器测量技术正在现代测控领域占据越来越重要的位置。本次设计报告首先给出了虚拟温度测量系统总体方案的设计，然后对数据采集模块和LABVIEW的软件模块进行了设计。基LabVIEW为软件平台，通过热电偶冷端补偿的方法进行温度测量。有效地运用了LabVIEW虚拟仪器技术，将诸多重要步骤都在配备硬件的普通PC电脑上完成，与传统的温度测量仪表相比，该系统具有结构简单、成本低、构建方便、工作可靠等特点具有较高应用价值，是虚拟仪器技术应用于温度测量领域的一个典型范例。关键词：温度测量；LabVIEW虚拟仪器；热电偶；冷端补偿目录一、 设计任务4二、设计所需设备4三、设计要求：4四、设计步骤5五、 总体方案的设计6六、LABVIEW软件模块的设计66.1 温度信号处理的设计66.1.1 前面板设计66.1.2 框图程序设计（这里要根据我们的图描述）7七、 系统调试及结果分析14结论及尚存在的问题15课程设计感想16 一、课题设计背景和意义1.1、研究背景虚拟仪器的技术基础是计算机技术，核心是计算机软件技术。Labview使用了“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，提供了许多仪器面板中的控制对象，如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。所谓虚拟仪器就是以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器系统。Labview使用了“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，提供了许多仪器面板中的控制对象。如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。用户可以通过使用编辑器将控制对象改变为适合自己工作领域的控制对象。就是Labview提供了多种强有力的工具箱和函数库，并集成了很多仪器硬件库。以Labview支持多种操作系统平台，在任何一个平台上开发的Labview应用程序可直接移植到其它平台上。1.2、研究的目的及意义随着现代测试技术的不断发展，以LABVIEW为软件平台虚拟仪器测量技术正在现代测控领域占据越来越重要的位置。因此如何能将温度测量与LABVIEW 虚拟仪器相结合就成了温度测试领域的一个新课题。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。二、 设计任务本设计要求创建一个虚拟温度测量分析系统。在测量一个实际的物理信号时，必须用一个传感器或转换器把物理信号（如温度、压力等非电量信号）转化为电信号（如电压、电流信号），再通过一个数据采集卡（含信号调理电路）对这些电信号进行处理（如滤波、放大、线性化、A/D等），将模拟信号转换为计算机可以处理的数字信号，由虚拟仪器进行计算、分析、显示，并存储结果。技术要求：（1）所选传感器和自制的调理电路工作可靠。（2）能够以图形方式显示信号波形，显示准确，稳定。（3）能够实现测量数据的存储、回放、超限报警等功能。（4）测量精度满足系统要求。（5）界面友好、操作方便。三、设计所需设备（1）安装LabVIEW2010软件的PC机一台；（2）PCI-6251多功能数据采集卡一块；（3）BNC-2120实验箱一套；（4）K型热电偶一套；（5）模拟温室一个；（6）5V继电器模块1组（2个）。四、设计要求：使用LabVIEW软件编写程序，完成：（1）检测“模拟温室”内的温度；（2）根据检测温度输出控制信号到BNC2120的数字I/O口，实现以下图示的260秒控制过程，即，当温度大于目标温度则打开风扇降温，反之打开加热器升温；“温室”外的环境温度图1. 温度控制曲线（3）保存温度数据到文件，按下式计算控制误差E(oC)：，其中式中：N = 测量点个数；Tm =温度测量值 (oC)；Td = 目标控制温度 (oC)。五、设计步骤（1）BNC2120上有内置的集成温度传感器，可通过模拟通道AI0测量“温室”外部的环境温度，作为热电偶冷端补偿参考温度（CJC），注意此时通道AI0的BNC接头上方的拨动开关应置于右侧；（2）采用K型热电偶使用BNC2120上的模拟通道AI1测量“模拟温室”内部的温度，注意此时通道AI1的BNC接头上方的拨动开关应置于右侧。通过MAX（Measurement and Automation Explorer）配置热电偶温度检测任务，冷端补偿方法选“内置”；（3）可将此温度检测程序创建为子程序，命名为“温度测量.vi”；（4）使用数字I/O端口的通道0和1分别控制风扇和加热器，在程序中通过设定相应的通道高电平或低电平，经由继电器模块控制风扇和加热器的开关，使得“模拟温室”内的温度按照图1中所示的曲线变化，并在260秒计时结束时同时关闭风扇和加热器。将此控制部分的程序创建为子程序，命名为“温度控制.vi”。（5）本课程设计中的温度检测与控制过程，需要选择合适的采样频率，可在函数选板中选择Time&Dialog >wait until the next ms multiple实现。（6）图1中的控制曲线分为4个阶段，灵活选用合适的编程结构（sequence，case，for loop， 或while loop）。（7）把260秒内测量到的温度值记录并输出到文件，在Excel中以时间为x轴在图上画出温度测量值和目标温度值，并计算误差E。六、LABVIEW软件模块的设计6.1 温度信号处理的设计6.1.1 前面板设计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。用户界面是虚拟仪器的重要组成部分，仪器参数的设置、测试结果显示等功能都是通过软件实现，因此要求软件界面简单直接，便于使用。本系统采用LabVIEW软件设计了用户界面如图所示。该界面可显示经传感器检测、数据卡采集并转换得到的理论波形和实际波形的变化，同时将标定后得到的温度值用数值方式显示出来，界面还显示了采样间隔、采样次数和时间，如图所示。图6-1 用户界面6.1.2 主要框图设计完成相应的硬件模块配置后，虚拟仪器设计的主要工作就是编制相应的软件，用软件实现传统仪器的数据采集、存储、分析和显示等功能。仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器，并设置特定的参数和工作方式，使虚拟仪器保持正常的工作状态，软面板程序由一个人机交互的界面一前面板和相当于源代码功能的框图程序一后面板组成。软面板程序用来提供虚拟仪器与用户的接口。前面板是在计算机屏幕上生成一个与传统仪器面板相似的图形界面，可设置控制按扭和显示窗口，用户可以通过前面板上的按钮实现对虚拟仪器的操作，显示窗口可以以文本或图形形式显示测量结果。图4-1为温度测量系统的前面板设计，采用文本方式、温度计方式和实时趋势图显示测量温度的变化，在实时趋势图中新数据连续扩展在已有数据的后面，波形连续向前推进显示。测量数据还可以数据文本文件方式进行保存，以便分析处理和波形回放。本系统主要程序框图设计主要包括数据处理及波形显示等模块，其中有些模块直接调用LabVIEW中的子模块（库函数），如乘法、减法、定时器等;还有模拟加热、风扇等模块由用户自定义设计实现。图6-2 测温系统程序框图模块的原理分析：（1）初始化表格模块：该模块可以通过虚拟按键使得内部数据空间初始化，方便后面的数据录入。图6-3 初始化表格模块框图（2）关闭系统模块：该模块可以在系统工作结束后实现系统关闭的功能。图6-4 系统关闭模块框图（3）温度采集模块：该模块为虚拟电路与试验箱上温度采集模块连接的接口模块，可以实现外界温度的采集并且保存数据，以便后期的使用。图6-5 温度采集模块框图（4）输出信号模块：该模块为信号处理后输出的模块，可以实现温度处理后的数据用波形和数据显示的功能。图6-6 输出信号模块框图七、 系统调试及结果分析在实验中，经过程序和硬件的联调，我们小组得出图7-1波形图。由图中波形可知道，根据检测温度输出控制信号到BNC2120的数字I/O口，在260秒控制过程中，当温度大于目标温度则打开风扇降温，反之打开加热器升温；在规定时间后，实验可得出理论波形（左边框图）与方案设想一致，而实际波形图（右边框图）则出现波纹，说明实际操作上有着一定的误差，但大致上出现了理论波形的形状。图7-1 输出波形图分析：采用LabVIEW软件平台和温度传感器所组成的测试电路，具有使用简单、体积小、灵敏度高、响应时间短、抗干扰能力强等特点。 采用虚拟仪器技术构建温度测量系统突破了传统仪器在数据处理、显示、传输和存储等方面的限制，减少了硬件成本和重复开发，使得系统硬件维护、功能扩展和软件升级非常方便。特别是只要对原程序作少许改动，使用者就可以根据自己的需求，自行设计各种具有个性化的仪器显示和操作面板。目前，以LabVIEW为软件平台的虚拟仪器技术正在成为现代温度测量乃至整个测试领域的发展方向。本次设计使用的是K型热电偶，作为感温元件，因此对其精度的要求较高，但K型热电偶在250500范围内短期热循环稳定性不好，即在同一温度点，在升温降温过程中，其热电动势示值不一样，其差值可达23，若长期处于高通量中系统辐照环境下，由于负极中的锰、钴等元素发生蜕变，是其稳定性欠佳，致使热电动势发生较大变化，因此在具体环境和温度条件下，选择相应能测温合适的热电偶类型。课程设计感想经过我们小组的忙碌和实践，本次课程设计已经接近尾声，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有老师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。这次的虚拟仪器课程设计，为我们提供了一个平台接触虚拟仪器这个我们并不是很了解的领域，在这段实践的时间里，我们学到了许多新的东西，感觉有一扇新的门为我们打开了，正等着我们进去探索新的领域。在这次的课程设计中，我们小组所选择的课题名称为基于LabVIEW和DAQmx的温度采集与控制系统，众所周知，温度与湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，时时刻刻在我们生活的周围出现。许多物品的存储都对温湿度有着严格的要求。在基于LabVIEW和DAQmx的温度采集与控制系统中，我体会到应用Labview设计虚拟仪器有以下的优点：1.开发周期短，程序框图形象生动，使得程序编写的难度降低，便于理解。 2.将传统测量仪器和一些价格昂贵的仪器用虚拟仪器来代替，降低实验成本，简化操作，大大增强了系统的功能与灵活性。 3.便于网络使用，扩展了学生实验的时间和空间。 在以计算机网络为主的信息时代，网络化的虚拟仪器系统是测试与仪器仪表领域发展的一个新的方向。对于高校的电子实验室来说，应用Labview中制作网络虚拟实验室，供学生练习和实验，相当于为学生提供了实验教学的新课堂。因此，虚拟仪器的开发和广泛使用具有非常深远的意义。这一次的为期两周的虚拟仪器实验周过得很充实，不仅更进一步地了解了Labview这个软件，对Labview这个软件的应用又有了新的认识，还增加了自己收集资料查阅资料团队合作的能力，感觉自己的在大学里所学到的东西有了用武之地。