基于LabVIEW的温度监控系统设计.docx

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基于LabVIEW的温度监控系统设计

毕业设计（论文）

题目基于LabVIEW的温度监控系统设计

摘要

针对传统测温系统存在的若干问题，基于虚拟仪器技术，利用LabVIEW软件设计开发了温度测量系统将传感器测量到的数据通过数据采集卡采集到计算机．再利用虚拟仪器开发软件LabVIEW进行编程．向用户提供操作界面和显示界面，实现了温度的数据采集、传送、分析和显示，并向用户提供历史查询功能。

结果表明，系统结构简单、界面良好、易于操作，测量准确、稳定可靠、温度控制精度优于±0-3℃．可以满足工业测试的需要。

关键词：

虚拟仪器；LabVIEW；软件设计；温度测量。

Abstract

Inviewoftraditionaltemperaturemeasurementexistencecertainquestions，usingofLabVIEWsoftware，thetemperaturemeasuringsystembasedonvirtualinstrumenttechniqueisdesigned．Itcanrealizethedataacquisitionoftemperatureaswellasdatatransmission，analysisanddisplay，withthedevelopmentsoftwareofvirtualinstrumentsLabVIEW，sensors，dataacquisitionsandSOon，inadditiontoprovideuserswithhistoricdatainquire．Experimentalresultsshowthatthesystemissimple，goodinterface，easyoperation，measurementaccuracy，stable，temperaturecontrolaccuracyisbetterthan±0．3℃tomeettheneedsofindustrialtest．

Keyword：

virtualinstrument；LabVIEW；softwaredesign；temperaturemeasuring

第1章绪论

1.1课题研究的意义及现状

温度是机械工业生产和科学研究实验中的一个非常重要的参数，许多系统的工作都是在一定的温度范围内进行的，需要测量温度和控制温度的场合及其广泛。

温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。

温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。

因此对温度的检测的意义就越来越大。

温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。

在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。

使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。

随着社会的进步和工业技术的发展，人们越来越重视温度因素，许多产品对温度范围要求严格，而目前市场上普遍存在的温度检测仪器大都是单点测量，同时还有温度信息传递不及时、精度不够的缺点，不利于工业控制者根据温度变化及时做出决定。

在这样的形式下，开发一种能够同时测量多点，并且实时性高、精度高，能够综合处理多点温度信息的测量系统就很有必要。

测量温度的方法很多，按照测量体是否与被测介质接触，可分为接触式测温法和非接触式测温法两大类。

接触式测温法的特点是测温元件直接与被测对象接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。

这种方法优点是直观可靠，缺点是感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。

非接触式测温法的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可以避免接触式测温法的缺点，具有较高的测温上限。

此外，非接触式测温法热惯性小，可达1/1000S，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。

由于受物体的发射率、被测对象到仪表之间的距离以及烟尘、水汽等其他的介质的影响，这种方法一般测温误差较大。

目前温度检测技术发展很快，从原始的温度传感器发展到了现在的热电阻温度传感器、热电偶温度传感器、数字温度传感器等等。

温度测量控制系统常采用单片机控制，该技术应用广泛，但其编程复杂，控制不稳定，系统的精度不高。

而利用虚拟仪器开发和设计的温度测量系统，采用普通PC机为主机，利用图形化可视软件LabVIEW为软件开发平台．来监测温度的变化情况，采集数据并进行处理、存储、显示等。

设备成本低，使用便、灵活。

1.2虚拟仪器技术与LabVIEW简介

虚拟仪器的概念是美国NI公司（NationalInstrument）在20世纪80年代中期提出来的虚拟仪器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它的最大特点就是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，满足多种多样的应用需求由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化。

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。

灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。

这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。

只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。

虚拟仪器实现了测量仪器的智能化，多样化，模块化和网络化，体现出多功能、低成本、应用灵活、操作方便等优点。

虚拟仪器技术是由三大部分组成的，这三大部分分别是：

1）．高效的软件

　　软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。

使用正确的软件工具,并通过设计或调用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。

提供的行业标准图形化编程软件——LabVIEW，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。

2）．模块化的I/O硬件

　　面对如今日益复杂的测试测量应用，已经提供了全方位的软硬件的解决方案。

无论您是使用PCI,PXI,PCMCIA,USB或者是1394总线，都能提供相应的模块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯，应有尽有。

高性能的硬件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。

3）．用于集成的软硬件平台

专为测试任务设计的PXI硬件平台，已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和PC技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。

PXI作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件，您就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。

无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助PXI高性能的硬件平台，您都能应付自如。

这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。

虚拟仪器软件编程环境给用户提供了一个充分发挥自己才能和想象力的空间，可根据用户自己的设想及要求，通过编程来设计、组建自己的仪器系统。

虚拟仪器由用户自行设计、自行定义，彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义、用户无法改变的模式。

在硬件平台确立之后，是由软件而不是硬件来决定仪器的功能，虚拟仪器可通过改变软件的方法来适应不同的需求，它的功能灵活、开放，容易与其他外设、网络相连，构成更大的系统，技术更新周期短，可随着计算机技术的发展和用户的需求进行仪器与系统的升级，在性能维护和灵活组态等多个方面都有着传统仪器无法比拟的优点，且投入少，收效大。

与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。

LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。

NI公司推出的LabVIEW——虚拟仪器开发平台是一种崭新的图形化编程语言，其源程序完全是图形化的框图，而不是文本代码，这一点不同于VISUAL系列编程语言。

它把复杂、繁琐、费时的语言编程简化为利用线条把各种不同的图形化功能模块连接起来的图形编程。

所以用LabVIEW编写程序的过程就变成一个程序流程框图的绘制过程。

另外LabVIEW还提供了简单、方便、完整的程序查错、调试工具。

在LabVIEW中程序查错不需要预先编译，只要程序中存在语法错误，它马上就会提示你，然后只要鼠标点击两下，就可以快速地查出错误的类型、原因以及错误的准确位置。

这在编写较大程序的时候尤为方便。

LabVIEW具有三种用来创建和运行程序的模板：

工具模板、控制模板和函数模板。

工具模板包括了程序的创建，修改和调试时使用的工具；控制模板主要用于在前面板中添加指示器和控制器；而函数模板则用于创建框图程序，它包括了很多函数子模板。

LabVIEW是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。

LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。

它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。

这是一个功能强大且灵活的软件。

利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

LabVIEW的特点是尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。

可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。

用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。

LabVIEW软件设计由三部分组成：

前面板、流程图和图标接线端口。

前面板主要用于输入量的设置和输出量的显示，它模拟了真实仪表的面板。

用户使用由系统提供的各种控件图标，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，可设计出清晰直观、易于操作的前面板；框图程序用图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码；用户可以把VI程序看成一个对象，通过图标/连接口可以在其他程序中把它作为子程序来调用。

LabVIEW的强大功能归因于它的层次化结构，用户可以把创建的VI程序当作子程序调用，以创建更复杂的程序，而这种调用阶数是无限的。

LabVIEW这种创建和调用子程序的方法，使创建的程序结构模块化，易于调试、理解和维护。

第2章系统总体设计

设计一个仪器，首先要考虑确定其功能，然后根据其功能确定需要设计前面板和程序框图。

在虚拟仪器中“仪器”的面板需要显示在计算机屏幕上，根据需要可随时进行修改，本文设计的虚拟温度测试仪要实现如下功能：

1）设置控制按钮和显示窗口，实时显示温度大小，可以对采集过程加以控制；2）设置预警信号，当温度超过某个预设的温度值时，该警示灯变亮；3）可以对采集到的温度信号进行显示、存储和打印，对采集到的温度进行调用，以便分析处理和波形回放；4）以实时趋势图的形式直观地看出温度的变化过程．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。

一个典型的数据采集控制系统由必要的硬件设备和相应的应用软件构成。

数据采集系统主要由传感器（Transducer），信号调理（SignalCondi—ioning），采集硬件（DAQHardware），接口（interface），数据分析和处理软件（Soflware）等几大部分组成。

虚拟温度测试仪将被测对象的温度转换为电压或电流等模拟信号，经信号调理电路进行功率放大、滤波等处理后，变换为可被数据采集卡采集的标准电压信号。

在数据采集卡内将模拟信号转换为数字信号，并在数据采集指令下将其送人计算机总线，在PC机内利用已经安装的虚拟仪器软件对采集的数据进行所需的各种处理。

其总体框架如图2-1所示。

图2-1虚拟温度监控系统原理框图

在该系统中用户对界面进行操作，计算机接收到命令后，开始对数据进行采集。

采集到的数据一路在前面板上显示，另一路将数据写成TDMS文件存储，以便进行数据、波形的回放；另一方面，当采集到的数据超出了设定的范围，系统就会报警。

整个测试系统的软件编写都依据了数据流编程的思想。

第3章传感器的选择

对温度的测量而言，温度传感器的选择是整个系统的第一步，也是直接影响系统性能的重要因素之一。

按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。

温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。

一般测量精度较高。

在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。

但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。

它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。

在日常生活中人们也常常使用这些温度计。

非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。

这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。

非接触式温度传感器的测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。

对于1800℃以上的高温，主要采用非接触测温方法。

随着红外技术的发展，辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展，700℃以下直至常温都已采用，且分辨率很高。

热电偶传感器是利用“热电效应”制成的，利用两种不同导体组成闭合回路。

当闭合回路的两接点也就是热电偶的工作端和自由端分别处于不同的温度场中时，回路中将会产生电动势，产生的电动势只与工作端和自由端的温度差有关。

若我们把自由端的温度固定不变，则热电偶产生的热电动势只随工作端温度的变化而变化。

这样一定的热电动势就对应着一定的温度，测量热电动势，也就可以达到测温的目的。

应用起来十分方便。

如果热电偶回路中的两个热电偶材料相同，无论两接点温度如何．热电动势均为零。

根据这个特性，可以检验两个热电极材料成分是否相同，分布是否均匀。

在热电偶中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同．则回路中总的热电势不变。

利用这种特性，可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器。

由于热电偶产生的热电动势与两端温度有关，只需将冷端的温度恒定，热电动势就与热端温度成单值函数。

在实际应用中，热电偶的冷端通常靠近被测对象，且受到周围环境温度的影响，其温度不是恒定不变的．因此必须采取一些相应的措施进行补偿．常用的方法有冷端恒温或补偿导线法。

所谓冷端恒温法是将热电偶的冷端置于温度为O℃的恒温器内或是置于各种恒温器内，使之保持温度恒定。

利用一对化学成分不同，价格便宜的导线，在一定温度范围内与配接的热电偶具有一致的热电特性。

补偿导线法是将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所。

相当于将热电极延长，根据热电偶回路中接入第三种导体，只要导体两接点温度相同，回路中总的热电动势保持不变。

这样只要热电偶和补偿导线的两个接点温度一致，就不会影响热电动势的输出。

热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。

热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。

热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。

在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。

目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。

用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。

热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，热电阻也可以与温度变送器连接，将温度转换为标准电流信号输出。

用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率，输出最好呈线性，物理化学性能稳定，复线性好等。

目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。

铜电阻与温度近似呈线性关系特性，铜电阻温度系数大，容易加工和提纯，价格便宜。

铜电阻的测温范围一般为-50℃～+150℃，其电阻与温度的关系可用下式表示

式中

——铜电阻在温度t℃时的电阻值；

——铜电阻在温度0℃时的电阻值；

A——常数，A=4.28899

℃

；

B——常数，B=

℃

；

C——常数，C=1.233

℃

。

采用热电阻作为测温元件时，温度的变化转化为电阻的变化，对温度的测量转化为对电阻的测量。

一般以热电阻作为电桥的一臂通过电桥把电阻的变化转变为电压的变化，再由动圈式仪表直接测量或经过放大器输出实行自动测量或记录。

但工业用热电阻安装在生产现场，与其安装在控制室指示或记录仪表之间的引线很长，如果仅用两根导线接在热电阻两端，导线本身的阻值必然和热电阻的阻值串联在一起，由于热电阻的阻值变化较小，势必造成较大的测量误差。

且导线阻值是随其所处环境温度而变的，这种误差很难修正，因此，两线制连接方式不宜在工业热电阻上应用。

常采用三线制的测量电路来解决此问题。

所谓三线制接法，即热电阻的一端与一根导线相接，另一根同时接两根导线。

三线制的优点可用图3-1说明。

图3-1热电阻的三线制接法

图中连接热电阻

的三根导线，直径与长度均相同，阻值都是

。

其中一根串联在电桥的电源上，对电桥的平衡与否毫无影响，另外两根分别串联在电桥的相邻两臂里，则相邻两臂的电阻都增加想同的阻值。

当电桥平衡时，可写出下列关系式，即

由此可以得出

设计电桥时如满足

，则有

，这种情况下连接电阻

对桥路平衡毫无影响，即可消除热电阻测量过程中

的影响。

但必须注意，只有在对称电桥（

的电桥），且在平衡状态下才如此。

第4章温度监控系统的信号调理