基于labview的温度测控仪表设计

基于labview的温度测控仪表设计内容摘要：

LABVIEW 的功能十分强大。 像 C 和 C++等其它计算机高级语言一样，LABVIEW 也是一种通用编程语言，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、 GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有网络功能。 LABVIEW 也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步执行等。 LABVIEW的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据流向及其变化情况，比其它语言的开 发环境更方便、更有效。 G 语言编写的程序称为虚拟仪器 VI(Virtual Instrument)，因为它的界面和功能与真实仪器十分相像，在 LABVIEW 环境下开发的应用程序都以 VI 为后缀的，以表示虚拟仪器的含义。 一个 VI 由交互式用户接口、数据流框图和图标连接端口组成。 同时， G 语言很好地实现了模块化编程思想。 用户可以将一个应用分解为多个任务，再将任务细分，将一个复杂的应用分解为多个简单的子任务，为每个子任务建立一个 VI，然后把这些 VI 组合在一起成为最终的应用程序。 因为每个子 VI 可以单独执行，所以很容易调试。 进 一步而言，许多低级子 VI 可以完成一些常用功能，因此，用户可以开发特定的子 VI 库，以适用一般的应用程序。 LABVIEW 的运行机制从宏观上讲已经不再是传统上的冯诺依曼计算机体系结构的执行方式。 传统的计算机语言中的顺序执行结构在 LABVIEW 中被并行机制所代替：从本质上讲，它是一种图形控制流结构的数据流模式。 数据流程序设计规定，一个函数只有当它的所有输入有效时才能执行；而目标的输出，只有当它的功能完成时才是有效的。 也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影响。 这样， LABVIEW中被连接的功能节点之间的数据流就能控制程序的执行次序，而不像文本程序受到行顺序执行的约束。 从而，我们可以通过相互连接功能节点快速地开发应用序，甚至还可以有多个数据通道同步运行。 LABVIEW 的核心是 VI。 VI 有一个人机对话的用户界面，即前面板 (From Panel)和类似于源代码功能的程序图 (Diagram)。 前面板接收来自程序图的指令。 在 VI 的前面板中，输入控件 (Controls)模拟了仪器的输入装置并把数据提供给 VI的程序图；而显示控件 (Indicators)模拟了仪器的输出装置并 显示由程序图获得或 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 5 页 产生的数据。 当把一个输入控件或显示放置到前面板上时， LABVIEW 在程序图中相应地放置了一个端 EI(Terminals)，这个从属于输入控件或显示控件的端口不能随意删除，只有删除它对应的输入控件或显示控件时它才随之一起被删除。 用 LABVIEW 编制框图程序时，不必受常规程序设计语法的限制。 首先，从功能菜单中选择需要的功能节点，将之置于面板上合适的位置；然后用线 (Wires)连接各功能节点在程序图中的端口，用来在功能节点之间传输数据。 这些节点包括了简单的算术功能，高级数据采集和分析以及用来存 储和检索数据的文件输入输出功能和网络功能。 用 LABVIEW 编制出的图形化 VI 是分层次和模块化的。 我们可以将之用于顶层程序，也可用作其它程序或子程序的子程序。 显然LABVIEW 依附并发展了模块化程序设计的概念。 图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高。 LABVIEW的应用现状 LABVIEW 广泛应用于包括自动化、通信、半导体、电路设计、航空和生产、过程控制及生物医学在内的各种工业领域中，用来提高应用系统的开发效率。 这些应用涵盖了产品的研发、测试、生产到后期服务的各个环节。 在系统设计中协调使用 LABVIEW，共享软件及信息资源，可以节约大量的时间和金钱。 LABVIEW的应用大致可分为以下几个主要方面： (1)应用于生产检测： LABVIEW 已经成为用于测试测量领域的工业标准化开发工具。 LABVIEW 结合 NI Test Stand 测试执行环境和该领域中最大的仪器驱动程序库，为整个系统建立稳固完整的检测管理平台。 (2)应用于研究与分析：运用 LABVIEW，可在汽车、能源研究和其它众多工业领域的应用系统中进行实时数据的分析和处理、对于图像处理、时频分析、小波和数字滤波的应用系统， LABVIEW 特别提供各种附 加工具包以加速系统的开发。 (3)应用于过程控制和工厂自动化：可利用 LABVIEW 来建立过程控制和工业自动化应用系统。 在 LABVIEW 平台下，可以实现多通道的高速测量和控制。 对于大型复杂的工业自动化和控制系统，有专门的 LABVIEW数据记录和监控模块， 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 6 页 用于监控多通道 I／ O、 与工业控制器和网络进行通信，以及提供基于 PC 机的控制。 (4)应用于机器监控：对于要求有实时控制、视觉和图像分析或运动控制的机器监视和预先维护的应用系统 ， LABVIEW 是理想的选择。 LABVIEW 系列产品，包括用于可靠、确定性控制的实时 LABVIEW(LABVIEW RT)软件，能够快速、准确的建立起功能强大的机器监视和自动控制应用程序。 (5)应用于测控系统 ： LABVIEW 有着强大的功能和广阔的应用前景，但就目前国内的现状来看，大多数的用户还是把 LABVIEW 作为虚拟仪器，仅仅利用它来进行数据的处理、分析和显示，忽略了 LABVIEW 强大的数据采集和控制功能，特别是基于 PC 机的实时控制，在国内应用较少。 本章小结 本章主要介绍了虚拟仪器与 LABVIEW 的相关知识。 本章分别阐述了它的概念、特点及应用等内容，并介绍了虚拟仪器软件开发平 台及 NI 公司的提供的图形化编程语言 LABVIEW 的特点及应用。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 7 页 3 温度控制总体设计 小型加热器模型是一种具有纯滞后的大惯性系统，环境温度、加热材料以及电网等都影响控制过程，基于精确数学模型的常规控制难以保证加热要求。 因此小型加热器模型的温度控制是一项关键性的技术，本章主要讨论小型加热器模型温度控制系统的设计方案。 首先介绍了测控系统的设计原则；然后具体介绍了系统的总体设计方案，最后讨论了系统软件开发平台的选择 系统实现的功能 本论文针对传统测控仪表功能由仪器厂商定义，与其它仪器设备的连接十 分有限，图形界面小，人工读取数据信息量小，数据无法编辑、存储、打印，系统封闭、功能固定、可扩展性差，技术更新慢，开发和维护费用较高的特点，设计了一个基于 LABVIEW 的温度测控系统。 此小型加热器模型温度测控系统主要实现以下功能： (1)实现下位机硬件与 PC 机的串口通信，能及时地将温度数据传给 PC 机，并将运算得到的控制量输出。 (2)实现大林算法的 PID 控制器，能对小型加热器模型的温度进行实时测控，能达到测控精度高，响应速度快。 (3)测试和控制参数的显示：如测试时间、设定温度、当前温度等，当温度超出某个范围 进行报警等。 (4)加热器温度实时控制曲线，而且具有数字显示和波形图显示。 (5)测试结果的数据处理与分析：可以进行在线分析和离线分析。 当采集或读入数据后，可选用不同的滤波器进行数字滤波。 (6)测试结果的数据保存：将采集到的数据保存在数据库中，并在数据库中加入数据创建的时问等信息，便于数据采集后的读取与处理。 系统设计的原则 本论文研究开发的是基于 LABVIEW 的温度测控系统，要开发出好的测控系 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 8 页 统，首先要对整个系统进行总体设计。 在设计开发中主要考虑以下几个原则： (1)从整体到部分的设计原则。 首 先把一个复杂的系统分解成为若干相对独立的、简单的、容易实现的几个部分，再把这些部分分解成为实现不同具体功能的模块，采用模块化的设计思想，分别设计各个模块，完成后再进行综合而形成整个系统。 本论文所开发的基于 LABVIEW 的温度测控系统将系统分成多个模块进行设计，正是考虑了从整体到部分的设计原则。 (2)可扩展性原则。 好的系统应该具有较好的可扩展性，当使用者需要增加系统的功能或者需要改善系统的功能时，系统的可扩展性显得格外重要。 如果只需对系统中软件部分或硬件部分作一定的修改，系统的功能就会得到加强或者增加了一些 新功能，那么该系统就具有良好的可扩展性。 本论文所开发的基于LABVIEW 的智能温度测控系统具有良好的可扩展性。 (3)经济性原则。 在设计一个系统时，较高的性价比，是系统设计和开发所不容忽视的。 在满足性能指标的前提下，应尽可能采用易实现、简洁、实用的方案，因为方案简洁意味着所用环节较少，可靠性较高，而且比较经济。 另外，在考虑经济性时，除造价外还应考虑使用期间的运转费，维护费等，必须综合考虑后才能评估出其真正的经济效果，从而选出最佳的方案。 本论文所开发的基于LABVIEW 的智能温度测控系统，采用 PC 机与自己搭建 的温度测控仪表板构成的虚拟仪器系统，正是由于此系统成本低。 (4)可靠性原则。 所谓可靠性是指系统在特定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。 对于本论文设计开发的基于 LABVIEW 的智能温度测控系统，在软硬件支持的条件下确保计算机与外围硬件的通信畅通，不能在测试过程中出现通信的中断，还需要软件的容错能力，因此本系统采用了多线程技术。 (5)易操作性原则。 在智能温度测控系统的设计开发时，应该考虑系统的操作难易程度，尽量使系统的操作简单，人机界面友好，以降低对操作人员的专业知识的要求， (6)可移植性原则。 在 设计一个系统时，应该考虑到可以将其它语言所设设计的程序能够为此系统所用。 本论文所设计的基于大林算法的 PID 控制器是用MATLAB 编程的，最后可以在 LABVIEW 设计的系统中进行调用，正是考虑了可 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 9 页 移植性原则。 系统设计的总体方案 本论文设计开发的基于 LABVIEW 的温度测控系统，根据从总体到局部的设计原则，通过对系统功能的分析，将整个系统分解为实现不同功能的几个部分，然后分别对每个部分设计。 为了能够实现小型加热器模型温度测控系统所提出的各项具体功能，可以将整个系统分解为上位机和下位机两个部分：上位机 为装有LabVlEW 软件的 PC 机，下位机为自己搭建的温度测控仪表及温度报警组成的硬件。 两个部分是通过 PC 机中的串口进行通信的。 其中下位机部分主要完成温度信号的采集以及控制信号的输出；上位机部分完成对硬件的驱动与控制，数据显示、处理与存储，超温报警及人机交互操作界面的生成，其中控制器采用的是为本系统所开发的一种基于大林算法的 PID 控制器，运用 MATLAB 编程语言编写相应的程序，通过 LABVIEW 中的 MATLAB Script 节点建立与温度信号采集系统的连接。 系统总体设计框图如图 所示。 小型加热器温 度 采 集 电 路温 度 控 制 电 路搭建的电路板单片机小系统 计算机L a b V I E W 8 . 6M A T L A B 7 . 6参 数 设 置串 联 通 信数 据 分 析越 限 报 警数 据 存 储P I D 控 制 器 图 3. 1 系统总体设计框图 下位机硬件的选择 该系统将计算机和强大的图形化编程软件 LABVIEW 结合在一起，建立起具有灵活性的基于计算机的测量与控制应用方案，最终构建起满足自己需要的系统。 在下位机的硬件选择和设计利用单片机以及单片机周围的硬件组成的最小系统，以下几个部分组成：装有 LABVIEW 软件的计算机，由 AT89S52 单片机和最 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 10 页 小系统组成的试验箱，电平转换电路 MAX232， 串口线，温度测控实验 板（对象、传感器、变送器部分、信号分析电路、手动自动转换部分、温度控制部分）。 由计算机上位机给小型加热器一个加热电压，加热器加热的信号由单片机组成的小系统进行信号采集、调理和转换，然后通过 PC 机的 串口将数据传送给计算机，在计算机上运行的 LABVIEW 程序对输入的数据进行分析处理，将结果由计算机显示出来，同时计算机中 LABVIEW 利用 PID 控制算法，求出系统输出信号的大小，并通过串口将输出信号输出给单片机，通过单片机控制固态继电器的开关，以达到控制温度的作用。 其实验硬件的组成框图如图 3 .2: 小型加热器手 动 控 制P N 结 检 测元 件固 态 继 电 器信 号 调 理电 路报 警 电 路温度测控板单片机小系统LabVIEW计算机 图 3. 2 用实验板组成的系统硬件组成框图 系统网络结构框图如下： 图 3. 3 系统网络结构图 系统实物图形如下： 加热对象 RS.232串口线。