基于Labview的溫度控制器的設(shè)計(jì).doc

基于LabView的溫度控制器的設(shè)計(jì)背景隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)計(jì)術(shù)、儀器技術(shù)和通信技術(shù)等在各個(gè)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器由于其功能單一、體積龐大，已經(jīng)很難滿足實(shí)際測(cè)量工作中的需求，由此在80年代末期虛擬儀器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有功能更豐富、處理速度更快、可充性更好的優(yōu)點(diǎn)。作為計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代儀器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)了在傳統(tǒng)測(cè)試?yán)碚摵蜏y(cè)量方法上的革命性突破。LabView由面板、流程方框圖、圖標(biāo)/連接器組成。其中，面板是用戶界面，流程方框圖是虛擬儀器源代碼，圖標(biāo)/連接器是調(diào)用接口。流程方框圖包括輸入/輸出（I/O）部件、計(jì)算部件和子虛擬儀器部件，它們用圖標(biāo)和數(shù)據(jù)流的連線表示。這里利用LabVIEW作為語(yǔ)言開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件并利用計(jì)算機(jī)串口與下位機(jī)串行通訊，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量與控制。虛擬儀器包括硬件和軟件兩個(gè)基本要素。其中，硬件的功能是獲取被測(cè)試的物理信號(hào)，提供信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?。在本設(shè)計(jì)中，所需要模擬的是溫度信號(hào)，溫度信號(hào)主要由電壓信號(hào)提供。另外，虛擬儀器的硬件技術(shù)以GPIB、PXI等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)接口總線的發(fā)展為發(fā)展標(biāo)志。GPIB、PXI接口是早期比較流行的接口，隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在使用比較廣泛的接口是DAQ、PXI和LXI。本次設(shè)計(jì)中用到的就是DAQ儀器。儀器上需要我們了解運(yùn)用的，是位于儀器上左上角的電位器。調(diào)節(jié)電位器時(shí)，電壓信號(hào)也會(huì)在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)，這對(duì)我們的設(shè)計(jì)起到一定的作用?；贚abView的溫度控制器的設(shè)計(jì)，首先由集成溫度傳感器AD590產(chǎn)生的溫度-電壓信號(hào)輸入到采集卡AI端，其次，由于本次課設(shè)只是運(yùn)用有電壓值模擬一個(gè)溫度值，就在采集卡的輸入端送給LabView一個(gè)5V的電壓，通過(guò)傳輸?shù)杰浖娐分?，加以處理再進(jìn)行應(yīng)用。最后，通過(guò)前面板和程序框圖的設(shè)計(jì)，完成設(shè)計(jì)要求。I基于LabView的溫度控制器的設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)思路1.1 數(shù)據(jù)的采集我們的設(shè)計(jì)題目即為溫度控制，需要對(duì)溫度值進(jìn)行設(shè)定、測(cè)量和顯示，所以首先我們應(yīng)該從對(duì)溫度值的采集入手，即數(shù)據(jù)的采集。1.1.1 傳感器傳感器就是內(nèi)部程序跟外界溝通的門戶,負(fù)責(zé)把外界的各種物理信息,如光、壓力、溫度、聲音等物理信號(hào)變成電信號(hào)。在實(shí)際的溫度測(cè)量中,我們的目的是將溫度變化轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)變化,這就需要用到一種溫度傳感器。在本次設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)用到的是電壓信號(hào)模擬出的溫度值,所以傳感器部分在設(shè)計(jì)中沒(méi)有得到具體體現(xiàn),但這部分是設(shè)計(jì)中必需要考慮的。通過(guò)考慮到從傳感器出來(lái)的信號(hào)要經(jīng)過(guò)放大、隔離、濾波等，如果這樣去設(shè)計(jì)的話會(huì)很麻煩，在設(shè)計(jì)中我就選用了一款集成溫度傳感器AD590，因?yàn)榧蓽囟葌鞲衅鞅旧砭桶朔糯?、隔離、濾波等功能，在設(shè)計(jì)過(guò)程中不用那么繁瑣。所以在此基礎(chǔ)上，我們只需將傳感器的功能理解即可。1.1.2 數(shù)據(jù)采集卡在了解了傳感器的功能后，我們需要知道的是如何將數(shù)據(jù)從傳感器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，這個(gè)媒介即為在設(shè)計(jì)中起到樞紐作用的數(shù)據(jù)采集卡。從傳感器出來(lái)的信號(hào)接到數(shù)據(jù)采集卡的輸入端，然后再通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的A/D通道連接至計(jì)算機(jī)中去。數(shù)據(jù)采集卡接收到的是一個(gè)模擬電壓量，但是經(jīng)過(guò)它的A/D通道后，計(jì)算機(jī)接收到的就是一個(gè)數(shù)字量，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，我們就可以方便地對(duì)它進(jìn)行控制了。1.2 軟件功能的實(shí)現(xiàn)軟件功能即為本次設(shè)計(jì)的核心，要達(dá)到設(shè)計(jì)要求，主要看的就是此階段的設(shè)計(jì)。我們通過(guò)對(duì)前面的介紹，了解到一個(gè)VI程序由前面板和程序框圖組成。又有上學(xué)期對(duì)虛擬儀器的學(xué)習(xí)，我也知道，在考慮構(gòu)建軟件系統(tǒng)時(shí)，第一步即要由前面板入手，進(jìn)行大體布局，理清思路，然后再創(chuàng)建程序視圖，進(jìn)一步對(duì)整個(gè)軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和操作。1.2.1 前面板的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)前面板時(shí)，由于要使外界采集來(lái)的溫度真是的顯示在觀察者面前，所以在進(jìn)行LabView的軟件編程時(shí)，就需要將外界時(shí)時(shí)變化的溫度與一個(gè)數(shù)據(jù)顯示控件相連，這樣我們就可以從前面板上讀出此時(shí)此刻測(cè)得的溫度了。另外，要求中提到要通過(guò)波形圖表來(lái)觀察溫度的變化趨勢(shì)，那么在連接顯示控件時(shí)，就應(yīng)該不要忘記安置所需要的波形顯示控件。使數(shù)據(jù)更直觀，更清晰的表現(xiàn)在我們的眼前。1.2.2 程序框圖的設(shè)計(jì)程序框圖是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。在設(shè)計(jì)該部分時(shí)，首要要考慮功能的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)各個(gè)功能選擇需要用到的器件，完成各器件的連接。由于在程序中，有些量是經(jīng)常被用到的，我們創(chuàng)建了若干個(gè)數(shù)據(jù)的局部變量，這樣做不僅方便在創(chuàng)建中對(duì)數(shù)據(jù)或圖形的操作，也使程序框圖更加清晰美觀。在設(shè)計(jì)要求中用PWM方式控制溫度升降等功能是本次設(shè)計(jì)難點(diǎn)。需要做到通過(guò)調(diào)節(jié)方波的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度變化，此環(huán)節(jié)需要用到真假判斷結(jié)構(gòu)以及各種比較器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果外界的溫度大于我所設(shè)定的溫度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，報(bào)警這個(gè)功能是很容易實(shí)現(xiàn)的，只要用一個(gè)比較函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)，把我設(shè)定的溫度值連接到比較函數(shù)的X輸入端，外界溫度值連接到比較函數(shù)的Y輸入端，比較函數(shù)的輸出端與一個(gè)布爾指示燈相連就可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警了。升溫、降溫是時(shí)通過(guò)一個(gè)條件結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行判斷，再通過(guò)調(diào)節(jié)方波的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果外界溫度值還沒(méi)達(dá)到設(shè)定溫度值時(shí)，就需要對(duì)外界物體進(jìn)行升溫，這時(shí)方波的占空比是很大的，當(dāng)外界的溫度越來(lái)越接近設(shè)定溫度值時(shí)，方波的占空比會(huì)變小，以為不需要太高的溫度來(lái)加熱了。降溫的過(guò)程其實(shí)與升溫的過(guò)程是同樣的道理，當(dāng)外界的溫度值已經(jīng)超過(guò)了設(shè)定的溫度值時(shí)，就要對(duì)外界物體進(jìn)行降溫，降溫的過(guò)程中，如果當(dāng)外界物體的溫度越來(lái)越接近設(shè)定溫度時(shí)，方波的占空比也是越來(lái)越小的。2 系統(tǒng)方框圖被測(cè)溫度值傳感器信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡計(jì)算機(jī)非電量電信號(hào)模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)圖2-1溫度采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖3 溫度控制器的硬件設(shè)計(jì)3.1 溫度的測(cè)量在本次設(shè)計(jì)中我選擇AD590作為溫度傳感器，AD590以熱力學(xué)溫標(biāo)零點(diǎn)作為零輸出點(diǎn)，在25時(shí)的輸出電流為298.2uA。由于我設(shè)定的溫度測(cè)量范圍為0100，所以按圖4-1選定電路參數(shù)，該電路的輸出電壓靈敏度為10mV/。因?yàn)锳D590直接測(cè)量的是熱力學(xué)溫度（溫度單位為K），為了以攝氏溫度讀出，其輸出必須為273.2 uA偏置。令A(yù)D590的輸出電流為1電阻，這樣就將1 uA/K的電流靈敏度轉(zhuǎn)換為1mV/K的電壓靈敏度。再將轉(zhuǎn)換后的輸出電壓連接到AD524儀表放大器的同相輸入端?；鶞?zhǔn)電壓芯片AD580輸出的2.5V基準(zhǔn)電壓用電阻分壓到273.2 mV，接儀表放大器的反相輸入端，設(shè)置AD524的放大倍數(shù)為10，經(jīng)AD524對(duì)兩輸入端的差值放大后，就可以將0100的的溫度輸入變換為05V的電壓輸出，因此該溫度測(cè)量電路的輸出電壓靈敏度為10mV/。圖3-1溫度測(cè)量電路3.2 數(shù)據(jù)采集卡本次設(shè)計(jì)采用的是NI SC-2075采集卡，由于該卡支持DAQmx驅(qū)動(dòng)程序，所以本設(shè)計(jì)是直接使用DAQmx-DataAcquisition開發(fā)的，在這部分中，主要是采集參數(shù)的設(shè)置，其中包括物理通道的選擇，采樣模式、采樣率、每通道采樣數(shù)、輸入方式的配置，采樣最大最小值的設(shè)置。4 溫度控制器的軟件設(shè)計(jì)4.1 溫度控制器的軟件流程圖溫度控制器的軟件流程圖如圖4-1所示：?jiǎn)?dòng)DAQ設(shè)置DAQ的工作參數(shù)設(shè)置工作溫度外加溫度值與設(shè)定值比較超過(guò)預(yù)設(shè)溫度？執(zhí)行條件結(jié)構(gòu)的真執(zhí)行條件結(jié)構(gòu)的假進(jìn)入虛擬儀器軟件升溫降溫報(bào)警顯示結(jié)束開始NY4.2 溫度控制器前面版的設(shè)計(jì)前面板是用戶接口，即交互式界面，用于用戶向程序中輸入各種控制參數(shù)和觀察輸出量，在前面板中，使用了各種仿真圖標(biāo)，如開關(guān)、旋鈕等，并以數(shù)字或?qū)崟r(shí)趨勢(shì)圖等各種形式的輸出測(cè)試結(jié)果來(lái)模擬真實(shí)儀器的面板。前面板的設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了LabVIEW的特長(zhǎng),即建立了友好的人機(jī)操作界面，是虛擬信號(hào)發(fā)生器的最上層。在使用中直接通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤設(shè)定信號(hào)的相關(guān)參數(shù)。本次溫度控制器的前面板主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成:溫度計(jì)，報(bào)警燈，輸入/輸出控件，波形圖表。此外，為了使設(shè)計(jì)的儀器更加形象、美觀，還增加了許多修飾性的元件如面板上的邊框，設(shè)計(jì)題目，生產(chǎn)公司，改變字體顏色等。盡量與真實(shí)儀器的使用界面相一致。啟動(dòng)LabVIEW8.5后，在啟動(dòng)界面上選擇新建VI，創(chuàng)建一個(gè)新VI，然后按下面的步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)。（1）在控件選板的【新式】【數(shù)值】子選板中選擇一個(gè)“數(shù)值輸入”控件和兩個(gè)“數(shù)值顯示”控件，放置到前面版設(shè)計(jì)窗口的合適位置。數(shù)值輸入控件是用來(lái)設(shè)置所需要的溫度；兩個(gè)數(shù)值輸出控件一個(gè)是用來(lái)實(shí)時(shí)溫度顯示的，一個(gè)使用來(lái)做方波占空比顯示的。（2）在控制選板的【新式】【數(shù)值】子選板中選擇“溫度計(jì)”控件，放置到前面板設(shè)計(jì)窗口的合適位置。（3）在控制選板的【經(jīng)典】【經(jīng)典圖形】子選板中選擇三個(gè)“波形圖表”控件，放置到前面板設(shè)計(jì)窗口的合適位置。然后，用鼠標(biāo)右鍵單擊該控件，在彈出的快捷菜單中外觀選項(xiàng)中“標(biāo)簽”選擇可見，分別為“溫度曲線”、“PWM脈沖寬度調(diào)制升溫”、“ PWM脈沖寬度調(diào)制降溫”。 “溫度曲線”的Y軸設(shè)置成“溫度”， X軸設(shè)置成“時(shí)間”， “PWM脈沖寬度調(diào)制”曲線的Y軸設(shè)置成“幅度”， X軸設(shè)置成“時(shí)間”。（4）在控制選板的【經(jīng)典】【經(jīng)典布爾】子選板中選擇“圓形指示燈”控件，放置到前面板設(shè)計(jì)窗口的合適位置。然后，用鼠標(biāo)右鍵單擊該控件，在彈出的快捷菜單中，標(biāo)簽改為“報(bào)警”。（5）在控件選板的【新式】【修飾】子選板中選擇“標(biāo)簽”控件，放置到前面板設(shè)計(jì)窗口的合適位置，并輸入文本“虛擬溫度控制器”。（6）在控件選板的【新式】【修飾】子選板中選擇“平面凹框”控件，放置到前面板設(shè)計(jì)窗口的合適位置，并設(shè)置合適的大小。完成以上6個(gè)步驟后的虛擬溫度控制器的前面版如圖5-2所示。圖4-2虛擬溫度控制器前面板4.3 溫度顯示程序框圖的設(shè)計(jì)溫度顯示程序框圖的設(shè)計(jì)步驟如下：（1）首先要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)DAQ助手，在流程圖設(shè)計(jì)窗口中打開【函數(shù)】模塊,執(zhí)行【函數(shù)】【express】【DAQ助手】，調(diào)入DAQ。然后用右鍵單擊調(diào)入的“DAQ助手”，選擇屬性選項(xiàng)，就會(huì)出現(xiàn)如圖4-3所示。在生成信號(hào)中選擇【模擬輸出】【電壓】輸出，選擇通道ao1，DAQ創(chuàng)建完成。圖4-3 創(chuàng)建DAQ（2）打開程序框圖編輯窗口，調(diào)整與前面板相對(duì)應(yīng)的控件圖標(biāo)位置，以便后續(xù)擺放函數(shù)與連線。（3）在函數(shù)選板的【編程】【數(shù)值】子選板中選擇“乘”函數(shù)，放置到程序框圖編輯窗口的合適位置。（4）在函數(shù)選板的【編程】【數(shù)值】子選板中選擇“數(shù)值常量”函數(shù)，放置到程序框圖編輯窗口的合適位置（常量數(shù)值設(shè)置為20）。完成以上4個(gè)步驟后溫度顯示框圖就設(shè)計(jì)完了如圖4-4所示。圖4-4溫度顯示程序框圖4.4 報(bào)警程序框圖的設(shè)計(jì)報(bào)警程序框圖的設(shè)計(jì)步驟如下：（1）在函數(shù)選板的【編程】【比較】子選板中選擇“大于？”函數(shù)，放置到程序框圖編輯窗口的合適位置。（2）其它部分已經(jīng)在溫度顯示部分選完了，所以報(bào)警程序框圖如圖4-5所示。當(dāng)外界采集進(jìn)來(lái)的溫度大于設(shè)定溫度時(shí)報(bào)警指示燈就會(huì)亮為黃色。圖4-5 報(bào)警程序框圖4.5 PWM脈沖寬度調(diào)制升溫PWM脈沖寬度調(diào)制升溫程序框圖的設(shè)計(jì)步驟如下：（1）在函數(shù)選板的【編程】【結(jié)構(gòu)】子選板中選擇“條件結(jié)構(gòu)”，放置到程序框圖編輯窗口的合適位置，然后選擇條件結(jié)構(gòu)的幀為“真”。（2）在函數(shù)選板的【編程】【數(shù)值】子選板中選擇“減”函數(shù)，放置到程序框圖編輯窗口的合適位置。（3）在函數(shù)選板的【編程】【數(shù)值】子選板中選擇“數(shù)值常量”函數(shù)，放置到程序框圖編輯窗口的合適位置（放置4個(gè)數(shù)值常量，常量數(shù)值分別設(shè)置為2、4、13、）。（4）在函數(shù)選板的【信號(hào)處理】【信號(hào)生成】子選板中選擇“方波波形”， 放置到程序框圖編輯窗口的合適位置。該方波的頻率設(shè)為4，幅度設(shè)為2，初始相位設(shè)為13。完成以上步驟后PWM脈沖寬度調(diào)制升溫程序框圖如圖4-6所示。只有當(dāng)設(shè)置溫度大于外界溫度時(shí)才滿足條件結(jié)構(gòu)的真，這時(shí)執(zhí)行條件結(jié)構(gòu)的真，然后用設(shè)置溫度與外界溫度的差值作為方波發(fā)生器的占空比。圖4-6 PWM脈沖寬度調(diào)制升溫程序框圖4.6 PWM脈沖寬度調(diào)制降溫PWM脈沖寬度調(diào)制降溫程序框圖的設(shè)計(jì)步驟如下：（1）在函數(shù)選板的【編程】【結(jié)構(gòu)】子選板中選擇“條件結(jié)構(gòu)”，放置到程序框圖編輯窗口的合適位置，然后選擇條件結(jié)構(gòu)的幀為“假”。（2）在函數(shù)選板的【編程】【數(shù)值】子選板中選擇“去負(fù)數(shù)”， 放置到條件結(jié)構(gòu)的框里。（3）其它的部分與PWM脈沖寬度調(diào)制升溫程序框圖的一樣，如圖4-7所示。當(dāng)設(shè)置溫度小于外界溫度時(shí)條件結(jié)構(gòu)的假，然后用設(shè)置溫度與外界溫度的差值再取負(fù)數(shù)之后作為方波發(fā)生器的占空比。圖4-7 PWM脈沖寬度調(diào)制降溫程序框圖4.7 溫度控制器的完整程序框圖溫度控制器的完整程序框圖如圖4-8所示。（a）幀為“真”時(shí)程序框圖（b）幀為“假”時(shí)程序框圖圖4-8溫度控制器的程序框圖4.8 運(yùn)行程序4.8.1 外界溫度值小于設(shè)定溫度值時(shí)程序的運(yùn)行在前面板窗口上，單擊工具欄上的【運(yùn)行】按鈕，然后慢慢地調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)采集卡上的旋鈕，運(yùn)行結(jié)果如圖4-9所示。圖4-9當(dāng)外界溫度低于設(shè)定溫度式的運(yùn)行結(jié)果4.8.2 外界溫度值大于設(shè)定溫度值時(shí)程序的運(yùn)行在前面板窗口上，單擊工具欄上的【運(yùn)行】按鈕，然后繼續(xù)慢慢地調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)采集卡上的旋鈕，運(yùn)行結(jié)果如圖4-10所示。圖4-10當(dāng)外界溫度高于設(shè)定溫度式的運(yùn)行結(jié)果從圖4-10中可以看出，溫度顯示的數(shù)值已經(jīng)超過(guò)了設(shè)置的溫度值，這時(shí)是要產(chǎn)生報(bào)警的，所以讀者可以看出，這時(shí)報(bào)警指示燈已經(jīng)亮了。5 程序的調(diào)試我們編寫的每一個(gè)程序都需要進(jìn)行調(diào)試，我在設(shè)計(jì)中遇到了很多困難。第一天我做出來(lái)的程序運(yùn)行起來(lái)時(shí)是，當(dāng)外界溫度值越接近我設(shè)定的溫度值時(shí)，方波的占空比越來(lái)越大，經(jīng)過(guò)老師一檢查，給我指出來(lái)這種變化時(shí)不對(duì)的，因?yàn)楫?dāng)外界溫度值越接近我設(shè)定的溫度值時(shí)，方波的占空比應(yīng)該是越來(lái)越小，因?yàn)橥饨鐪囟戎翟浇咏以O(shè)定的溫度值時(shí)就不用再對(duì)物體使勁的加熱了。后來(lái)我想出來(lái)一個(gè)辦法就是當(dāng)外界的溫度還沒(méi)達(dá)到我設(shè)定的溫度時(shí)，我用我設(shè)定的溫度減去外界采集進(jìn)來(lái)的溫度之差作為方波的占空比，這樣一來(lái)上面出現(xiàn)的問(wèn)題就解決了，當(dāng)外界溫度值越接近我設(shè)定的溫度值時(shí)，它們之間的差值就越來(lái)越小，那么占空比也就越來(lái)越小了。其次在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的另一個(gè)問(wèn)題就是，當(dāng)外界溫度改變時(shí)，從溫度波形圖上觀察溫度的曲線沒(méi)有一個(gè)明顯的變化趨勢(shì)，溫度改變時(shí)曲線掃描的可快了，后來(lái)在溫度波形圖的屬性里把時(shí)間軸的時(shí)間間隔改長(zhǎng)了一點(diǎn)這個(gè)問(wèn)題也解決了。6 工作過(guò)程分析6.1 溫度控制器的硬件部分本系統(tǒng)主要是對(duì)外界溫度實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)控制，其硬件組成如圖7-1所示。它主要由溫度測(cè)量電路、溫度控制電路、一塊基于PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡及相應(yīng)的軟件組成。其工作過(guò)程如下：溫度信號(hào)由集成溫度傳感器AD590轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，AD590集成溫度傳感器把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后送至數(shù)據(jù)采集卡的A/D通道，電壓信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)利用LabVIEW程序