1、基于虛擬儀器平臺溫度控制系統的設計摘要：本文介紹了利用虛擬儀器開發平臺LabVIEW，進行溫度控制系統設計，其中包括了該系統硬件和軟件部分的設計。實踐證明，該系統具有溫度自動控制，數據記錄，數據顯示，數據打印，數據網絡傳輸，報警等多種功能。 關鍵詞： 虛擬儀器； LabVIEW； 溫度控制 中圖分類號：TP216       文獻標示碼：A Abstract： The paper introduced how to&

2、#160;use the virtual instrument platform LabVIEW，designing the temperature control system ,including hardware and software design .The practice proved that the control system has many&#

3、160;functions such as automatic temperature control, write data, display data, print data, network communication data, alert and so on. Keywords：virtual instrument；LabVIEW；Temperature control

4、0;0前言 虛擬儀器技術充分利用計算機的軟硬件資源，以軟件技術為核心，使計算機成為具有數據采集、控制及分析功能的處理中心。用計算機化的軟儀器取代了傳統的電子儀器。 溫度是工農業生產中最常見和最基本的測試參數之一，許多物理變化和化學反應過程均與溫度密切相關。在冶金工業、化學工業、食品加工、農業生產等許多領域中，人們需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐、鍋爐中的溫度進行精確監測與控制。傳統的溫度控制系統，往往費時費力，甚至需要人工干預，而且應用程序的編寫更是相當復雜，然而采用了先進的虛擬儀器技術，利用NI公司的硬件設備和LabVIEW軟件開發平臺構建的溫度控制系統，具有溫度穩定時

5、間短，穩定精度高等特點，增強了控制系統的靈活性，節省了開發時間，降低了開發成本。1溫度控制系統的硬件設計 1.1  溫度控制電路 溫度控制電路由溫度傳感器，信號調理電路，同步脈沖形成電路，以及觸發脈沖放大電路組成。本系統溫度控制的原理是：改變可控硅的導通角，即改變電爐絲兩端的有效電壓，有效電壓可以在0140V 內變化，可控硅的導通角為05CH。一只負溫度系數的熱敏電阻作為溫度傳感器，溫度越高熱敏電阻值越小，其輸出電壓也越小。 1.2  數據采集卡 本系統中使用的NI公司的數據采集卡PCI-6024，此卡設

6、計基于PCI總線。由于PCI 總線傳輸速率高，數據吞吐量大，是數據采集卡設計的主流，它是一塊性價比較好的產品，支持DMA方式和雙緩沖模式，保證了實時的信號不間斷采集與儲存。它支持單極性和雙極性模擬信號輸入，信號輸入范圍分別為-5v+5v和010v。提供16路單端8路差動模擬輸入通道，2路獨立的D/A輸出通道，24線的TTL型數字I/O，3個16位定時計數器等多種功能。實際測量是輸入信號通過BNC接頭從輸入端子進入數據采集卡進行數據采集，同時用NI公司提供的Measurement Automation軟件進行簡單的設置便可完成系統軟件與數據采集卡之間的通訊。1.3 

7、 聲光報警電路 在溫度控制的過程中，計算機隨時監控溫度，當采集到的溫度偏離設定溫度值較大時，超過設定極限值，報警器工作以通知操作人員注意。 報警信號由數據采集卡的D/A 另一輸出通道給出，由于給出的信號很微弱，不能直接驅動報警器，所以必須將信號放大，該電路的控制原理是：從數據采集卡的輸出通道輸出的報警信號，通過一個電阻接到三極管9013的基極，當報警信號是高電平，三極管導通，繼電器J1的線圈得電吸合，報警器得電，發出報警信號；當信號電壓是低電平，三極管截止，繼電器J1失電，其觸點斷開，報警器不工作。 2溫度控制系統的軟件設計 該系統應

8、用軟件的設計是根據模塊化的編程思想來編寫的， 每個功能的實現由一個模塊完成，然后由主控模塊調用各個子模塊，最后實現數據采集、處理、顯示、記錄、打印、數據通過網絡傳輸等功能。軟件系統的構成如圖1所示，主要由數據采集模塊、PID控制模塊、數據記錄模塊、數據查看模塊、數據打印模塊、信號輸出模塊、數據網絡傳輸模塊、錯誤事件處理模塊組成。同時，LabVIEW圖形化編程語言能方便，高效地按照系統的功能要求編寫友好的操作界面。 2.1主控模塊 主控模塊可以使各模塊之間按照系統的框架協議協調動作和相互通信，以及實現人機交互。主控模塊提供用戶接口，用戶通過發出指令，主控模塊通過調度

9、各功能模塊實現用戶意圖。本系統提供了形象逼真的儀器軟面板，用戶使用極其方便。2.2數據采集模塊 數據采集模塊就是將溫度信號轉化為數字量并傳遞到計算機中的過程。該模塊的數據采集功能由數據采集函數FunctionsData AcquisitionAnalog InputAnalog Input UtilitiesAI Read One Scan來實現。該函數可以對某個信道進行數據采集，將采集結果存放到設置的緩存中，并返回由采樣數指定的數據。使用時，需要給它指定信道名、采樣率、采樣數、緩存大小、初始化等。我們把采集到的數

10、據送到PID控制器的輸入端口，經過PID處理后，把控制輸出量通過數據采集卡的輸出通道輸出。 2.3  PID控制模塊 PID控制模塊的設計思路是：PID控制器是PID控制系統設計的關鍵與核心，PID是當前工業控制中應用最廣泛的算法。我們將被控制的系統參數叫做過程變量（PVProcess variable），將被控制的過程變量指定的理想值叫做設定點（SPset point），PID控制器確定一個對被控系統的輸出量（Uoutput），驅動過程變量逼近設定點。一個典型的PID控制系統的基本結構如圖2所示。2.4 數據記錄模塊

11、60;數據記錄模塊是將處理好的溫度變化數據，以系統日期為文件名保存到C盤根目錄下的溫度控制子目錄下。在該模塊代碼的編寫中，數據記錄模塊主要用到了創建目錄的函數、獲取系統日期和時間函數、向文件中寫數據函數。2.5 數據顯示模塊 數據顯示模塊是從C盤根目錄下的溫度控制子目錄下讀取溫度變化數據，然后傳遞給主控模塊并顯示到Waveform Chart中。在該模塊代碼的編寫中，數據顯示模塊代碼用到顯示一個文件對話框的函數、從文件中讀數據的函數。 2.6 數據打印模塊 打印模塊的功能是將Waveform Chart中的圖形打印出來。該模

12、塊的程序結構用了FunctionsStructuresSequence，它包括兩個Sequence，Sequences用來將Waveform Chart清零，Senquence1用來向Waveform Chart中寫數據。打印功能在VI Properties中實現的，選中Automatically Print Panel Every Time VI Completes Execution項即可。 2.7 數據網絡傳輸模塊 測控數據在網上發布與共享是網絡化遠程監控的關

13、鍵技術，本溫度控制系統通過LabVIEW提供的DataSocket函數庫進行編程，DataSocket函數庫中包含DataSocket Write函數，用一臺服務器進行數據采集，用DataSocket Write函數向Server中寫數據，通過網絡的另一臺主機進行數據接收，在程序中，用DataSocket Read函數從Server中讀數據，以達到數據能通過網絡傳輸的目的，從而起到遠程監控溫度的目的。 2.8 錯誤事件處理模塊 當溫度值較大偏離已設定的控制溫度時，系統啟動錯誤事件處理模塊。當溫度過高發生時，通過過熱事件模塊將事件記錄到

14、Error event文件中去；當溫度過低發生時，通過過低事件模塊將事件記錄到Error event文件中去；并在控制面板彈出對話框，發出報警警告，提示用戶停止程序的運行，用查看事件模塊來顯示已經發生的事件。3溫度控制系統的功能測試 由實驗得到控制系統的響應過程曲線如圖3所示，各項動態性能指標如下：（1）超調量  響應曲線第一次越過靜態值達到峰值點時，超過部分的幅度與靜態值之比，=1%。 （2）過渡過程時間tS  響應曲線最后進入偏離靜態值的誤差為5%+5%的范圍且不再越出這個范圍的時間tS=3min。 

15、（3）振蕩次數n  響應曲線在t之前在靜態值上下振蕩的次數為n=2。 （4）峰值時間tP  響應曲線第一次達到峰值點的時間tP=2min。 實驗結果表明，本溫度控制系統能較快地達到穩定狀態，且穩定誤差不超過0.5%，超調量為1%，所以本系統具有達到穩定溫度時間短，穩定精度高等特點，具有良好的應用前景。 4結束語 實踐證明，在LabVIEW環境下能夠開發出各種功能強大、開放性好的虛擬儀器軟件，構造出經濟實用的計算機輔助測試、分析與控制系統。由于LabVIEW提供了友好的人機圖形交互界面及功能完備的設計工具，利用Lab

16、VIEW及其PID工具包能方便、高效地進行PID控制器的設計，同時由于LabVIEW與溫度傳感器、信號調理電路、數據采集板卡、觸發板等硬件設備良好的結合，設計完成的PID控制系統完全可以用于實際的溫度自動控制。當然，用戶可以根據實際工程中的需要去添加新的測試功能，擴展與外部的接口，實現更高的要求。5本文作者創新點 基于虛擬儀器平臺的溫度控制系統的設計，采用了先進的虛擬儀器技術，提高了系統的測試精度，增強了控制系統的靈活性，節省了開發時間，大大的降低了開發成本。 參 考 文 獻 1  雷振山編著，LabVIEW 7 Express實用技術教程，中國鐵道出版社，2004年 2 劉君華編著，虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程， 西安電子科技大學出版社，2001年 3 陳平編著，現代檢測技術，電子工業出版社，2004年 4 呂飛龍基于LabVIEW的虛擬儀器溫度檢測系統的設計微計算機信息，2007，1-1：170-171。 5 &