温度测试实验系统设计的相关资料.doc

我的毕设1 FPGA 智能传感器(1) 智能化传感器不但能够对信息进行处理、分析和调节，能够对所测的数值及其误差进行补偿，而且还能够进行逻辑思考和结论判断，能够借助于一览表对非线性信号进行线性化处理，借助于软件滤波器滤波数字信号。此外，还能够利用软件实现非线性补偿或其它更复杂的环境补偿，以改进测量精度。(2) 智能化传感器具有自诊断和自校准功能，可以用来检测工作环境。当工作环境临近其极限条件时，它将发出告警信号，并根据其分析器的输人信号给出相关的诊断信息。当智能化传感器由于某些内部故障而不能正常工作时，它能够借助其内部检测链路找出异常现象或出了故障的部件。(3) 智能化传感器能够完成多传感器多参数混合测量，从而进一步拓宽了其探测与应用领域，而微处理器的介人使得智能化传感器能够更加方便地对多种信号进行实时处理。此外，其灵活的配置功能既能够使相同类型的传感器实现最佳的工作性能，也能使它们适合于各不相同的工作环境。(4) 智能化传感器既能够很方便地实时处理所探测到的大量数据，也可以根据需要将它们存储起来。存储大量信息的目的主要是以备事后查询，这一类信息包括设备的历史信息以及有关探测分析结果的索引等。(5) 智能化传感器备有一个数字式通信接口，通过此接口可以直接与其所属计算机进行通讯联络和交换信息。此外，智能化传感器的信息管理程序也非常简单方便，譬如，可以对探测系统进行远距离控制或者在锁定方式下工作，也可以将所测的数据发送给远程用户等基于labview 和声卡本系统主要实现温度的检测与控制，使系统的温度始终保持在要求的范围内。系统框图如图I所示。首先将温度信号转换为电信号然后通过数据采集电路将电信号采集进入计算机，借助LabVIEW软件进行数据分析、处理和显示最后通过温度控制接口电路对温度进行实时监控。系统中温度检测、采集和控制由硬件实现，信号的分析与处理及后续结果的输出与显示则靠软件完成。由于声卡采集的信号是音频信号，且幅值受到一定限制，同时我们在实验中发现声卡对于信号频率采集的灵敏度远远大于对信号幅度的灵敏度，所以本单元电路包括两部分：通过温度传感器将温度信号转换为电压信号，再利用v，F(压，频)转换电路将电压信号转换为具有一定幅值的频率信号，通过声卡采集频率，然后借助I_abVlEW的信号处理功能对信号进行处理和显示。需要注意的是转换电路的设计既要保证V腰转换器具有良好的线性度。又要具有合适的频率(3)加热与降温电路加热与降温电路的作用，就是利用前级双限电压比较器电路的输出信号，控制继电器的通断。使其起到一个开关作用，用以控制加热元件与降温元件的工作。限于学生实验条件，本系统分别采用加热电阻和c叫风扇作为加热和降温元件。由于电路简单，这里不再给出电路图。基于单片机控制的PTCR阻温特性测试系统的设计与实现单片机与智能型温控表之间的串行通信，单片机接收温控表发送来的温度信号，并对温控表发送控制信号，工作在全双工形式。在 PTCR 阻温特性测试中，温度是非常重要的参数，炉温的均匀性和稳定程度对测量准确性有着至关重要的影响。本测试系统的温度源采用工业电炉300，利用温度传感器Pt100 测温37，由温控表（智能型专家自整定PID 调节器）进行控温保温。在温控系统中温控表采用RS232 通信协议，C8051F020 单片机通过串口，经由MAX232 电平转换电路与温控表连接，结合该温控表的通信协议，采用C51 编制串行通信程序就可以实现C8051F020 单片机和温控表之间的串行通信，C8051F020 单片机根据需要向温控表写入命令后，具体的控温保温工作交由智能型温控表完成38。本系统选用的是日本岛电公司SR80 系列温控表。温度控制电路基本结构如图3-20所示。基于Laview的红外测温虚拟仪器技术凭借图形化的编程方法和强大的硬件平台，在系统性能测试方面具有显著的优势，能出色的完成数据采集和数据分析。系统性能的测试是一个不断反复的过程，虚拟仪器技术提供的测量和自动化解决方案，能够快速的对测试方案进行更新，具有很好的灵活性和可扩展性。在标定过程中，运用 Labview 编写最小二乘标定法能够快速的进行曲线拟合，得出测温方程和均方差，并将数据测量点和拟合曲线在同一窗口内显示，从而更好的判断拟合优劣；使用波长函数法计算，分析波长误差、参考点误差、波长函数()误差、测量误差对红外测温仪测温精度的影响。NI 公司开发的虚拟仪器技术，作为功能强大而又灵活的应用仪器和分析软件系统，可以进行数据采集及控制、数据分析和数据显示。在工业、学术界和实验室中，广泛用于做开发数据采集系统、仪器控制软件和分析软件的标准语言。自1986 年问世以来，Labview 帮助设计人员进行图形化开发环境来开发项目，从而获得更高的质量，更短进入市场的时间，和更高的工程和生产效率。和现在普遍运用的各种编程语言，如C 语言、matlab 相比较，Labview 有如下几个特点：(1) 真实信号 I/O，测量分析和数据显示的紧密集成(2) 使用交互式配置和图形化编程的快速开发方式(3) 基于 PC 的平台，拥有强大的功能扩展(4) 广泛的部署对象，从桌面到手持、从实时到嵌入式设备(5) 针对初学者的 EXPRESS 技术、针对有经验的程序员的完整功能(6) 内置 500 个内置函数，对采集数据进行有意义的统计和处理功能强大且灵活的软件是所有虚拟仪器系统的核心。虚拟仪器除了应用程序层（如labview，Visual Studio 等）外，测量服务软件也有非常重要的功能。NI-DAQmx 是测量软件中的一种，它不仅仅是一个驱动软件，而应该把它看成I/O驱动软件层。它提供了虚拟仪器软件和硬件之间的连通性以用于测量和控制。直观的4应用程序编程接口（API）、仪器驱动、配置工具、快速I/O 助手，都是测量软件的特色。DAQ 助手是一个基于步骤的向导，它可以无需编程即可配置数据采集任务、虚拟通道以及实现缩放操作。对系统进行整体性能的分析，一套好的数据采集设备是非常重要的。NI 公司的MSeries 高精度系列的数据采集卡在数据采集方面有强大的优势。全文通过仿真和实验，依托虚拟仪器这一强大的测试平台，对红外测温仪的整体性能进行评价。首先，由于温度传感器得到的信号电压需要通过具体的数学模型，转换为实际目标的温度信号；其次，每一台不同的红外测温仪都需要进行标定过程，从而确定信号电压和温度信号之间的关系，标定的精准度直接影响红外测温仪的各项参数，同时在标定的过程当中存在着各种误差，更需要一种快捷简便的方法提供高效的标定方法；最后，红外测温仪应用的广泛性使得测温的环境千差万别，环境中存在各种不同的影响测温精度的因素，本文也对三个主要的因素进行了实际的测量，通过修正方法提高测温的精度。信号处理系统：对于不同类型、不同测温范围、不同用途的红外点温仪，由于红外探测器种类的不同、设计原理的不同，其信号处理系统也就不同，但信号处理系统要完成的主要功能是相同的，即放大、抑制噪声、线性化处理、发射率修正、环境温度补偿、A/D 和D/A 转换以及要求输出信号等。通过式（2-26）可以用线性最小二乘法求得目标的真实温度T 和光谱发射率( , ) i T ，线性情况的最小二乘估计参数是参数的无偏估计，且无论观测值服从何种分布，在参数的所有线性无偏估计中，最小二乘法估计的方差最小。0 1 , , n a a a0 1 , , n a a a使用基于最小二乘法的标定理论可以求得目标的真实温度T 和光谱发射率( , ) i T ；基于波长函数辐射的测温仪标定方法证明了，对于任意给定温度T 值即可通过计算得到对应的仪器的信号S 值，这一对应关系可以用来分析不同参数的误差对红外测温仪标定的误差影响为了从研制水平和生产工艺控制两个方面同时采取措施提高系统的成品率，通常需要进口专用的红外综合检测仪，这种仪器测试的参数全、精度高的，但造价非常高，且只能进行整机测试，不能进行仿真和控制，不易维护和升级。如果采用标准箱式仪器搭建这套测试系统，则需要示波器、万用表、任意波形发生器（多台）、高速同步数据记录仪（多台）、动态信号分析仪、传递函数分析仪、逻辑分析仪等设备。由于是分立测试，不能保证信号之间的同步时序，体积庞大、接线复杂，即使如此，对热图像分析来说，仍然是无能为力的。为了兼顾科研过程中的分级测试、单元仿真测试、系统性能分析和生产过程的工艺参数积累分析和工艺过程控制，并兼顾现场试验和检测维修，经过查阅大量的参考文献，决定采用NI 公司的虚拟仪器搭建NI 测量硬件充分利用PCI 和USB 计算机总线的性能，实现高速数据的传送，实现对温度信号电压的最小二乘标定算法，以及对影响红外测温精度的神经网络算法，具有非常好的灵活性和扩展性。abview又称虚拟仪器，即VI，其外观和操作类似于真实的物理仪器（如示波器和万用表）Labview拥有一整套工具用于数据采集、分析、显示和存储，以及解决用户编写代码中可能出现的问题。同时，Labview提供众多输入控件和显示控件用于创建用户界面，即前面板。输入控件是指旋钮、按钮、转盘等输入装置。显示空间是指图形、指示灯等输出显示装置。创建用户界面后，可用VI和结构来添加代码，从而控制前面板对象29。要形成一个完整的系统测量软件，还包括信号的采集过程，一个完整的数据记录仪应该包括数据采集、分析、存储以及在今后的分析工作和对数据的调用。可以说Labview 软件可以十分方便快捷的完成数据的存储、分析和调用，对于数据的采集，NI还提供了另一个软件DAQmax。图形化的编程语言称为G 语言，框图即源代码，执行为数据流通过，图标和连接器制定了数据流进出VI（Virtual Instrument）的路径。传统的顺序代码流是指令驱动，VI 的数据流是数据驱动。进行数据采集的时候，应该能兼顾到以下几个点，（1）目标温度点，（2）测温仪探测器的输出电压信号（3）测温仪经过标定和算法修正后得到到温度显示信号, 将这三点的数据得到后，才能完成标定和误差分析等试验过程。虚拟仪器技术是对传统仪器和计算机数据处理技术的重大突破。所谓虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）是指在计算机上加入模块化功能硬件，如数据采集卡，用软件在计算机显示器上生成仪器面板，用程序来控制信号的采集、分析和处理，进行结果的表达和输出，实现仪器的功能。它是主要面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台，将复杂的语言编程简化为可视化的数据流编程，以图标表示功能模块，以图标间连线表示数值传输。除了提供大量常规函数功能外，还提供丰富的数据采集、分析和处理功能。同时，Labview 高度集成了各种GPIB、RS-232、RS-485 标准设备及数据采集卡的驱动功能基于labview的实验设计实验教学很重要，但基于传统仪器的硬件实验模式积弊甚多：设备更新周期长，维护工作艰难；传统实验仪器功能固定，可操作性、可扩展性差；实验室管理没有灵活性，资源浪费现象严重，实验开出率、仪器设备利用率不高；实验教学组织方式和管理模式落后。现代远程教育中实验教学环节缺失或理论教学与实践环节脱节现象普遍。因此，开发实验仪器，创新实验手段和方式，优化教学目标和实验模式的整合策略，不断革新实验教学尤其关键。在实验仪器开发方面，虚拟仪器(virtual instrument)技术是值得关注的，虚拟仪器技术是计算机技术和实验仪器技术相结合的产物，它推动着传统仪器朝着数字化、模块化、网络化的方向发展。虚拟仪器是利用PC显示器的显示功能替代传统仪器的功能面板，利用Pc的鼠标和键盘控制驱动各种功能按钮，利用LabVIEW软件实现数据(信号)的分析处理、表达和储存，利用IO接口设备完成数据(信号)的采集和调理，从而实现各种仪器功能的一种基于计算机的仪器系统。虚拟仪器是用户根据自己的需要设计开发的，虚拟仪器数据(信号)的分析处理、表达和储存等操作是集中交由计算机软件来做的，虚拟仪器技术与Web技术相融合，远程控制操作实验得以实现。将虚拟仪器引入实验教学将成为学校教学科研的重要方法和手段。，1)温度自动控制系统：温度信号由温度传感器AD590K和信号调理电路提供；由USB20多功能数据采集卡进行温度实时采集，并把数据送往计算机中的虚拟仪器前面板进行曲线显示和记录，进而进行温度控制和声光报警；制冷片电路由采集卡上的I0端口驱动，控制半导体制冷片的工作。系统开始工作时，温度传感器采集的温度转变为电压信号送入数据采集卡，然后由数据采集卡对信号进行处理，显示当前的温度并绘制温度一时问曲线。然后系统会判断当前温度与设定的温度是否相等，相等则无动作，不相等则控制外部模块工作，直至到所需要的温度，达到温度自动控制。基于虚拟仪器的温室温湿度模糊解耦控制系统研究以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独具的运算、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，使之与计算机融为一体，构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用计算机智能资源的全新仪器系统1)通道多。传统的独立仪器系统功能单一，只能测量固定的几个参数，通常不具备同时测量多个参数的能力。而基于PC机的虚拟仪器系统可配备多个信号通道，有的多达上千路。对于多路信号，通过计算机软件控制，进行高速扫描采样，实现多信息的同步测量。2)精度高。测试系统可以选用高分辨率的AD转换器，可以随时修正测量误差，如自动校准(消除零漂、温漂、增益不稳定等系统误差)、软件线性化处理(对传感器等硬件的非线性特性进行校正)、软件滤波(消除系统内、外部引入的干扰)等。3)速度快。这得益于微处理器和PC总线的发展。4系统功能强，操作简单、方便。而且，计算机部分还要在分析的基础上设置控制参数，以及图形显示历史数据、数据自动存取、实时数据监控、报警记录记载、串行口操作等功能。基于labview的炉温控制 传统的控制方法有两种：第一种就是手动调压法，即是依靠人的经验直接改变电加热炉的输入电压，其控温效果依赖于人为的调节，控制精度不高，且浪费人力资源。第二种控制方法：在主回路中采取可控硅装置，并结合些简单的仪表，保温阶段自动调节，升温过程仍依赖于试验者的调节，它属于半自动控制【。随着计算机的出现和迅速更新换代，智能温度控制仪表在电加热炉温度控制领域日益得到广泛地应用。其基本设计思想为通过传感器测量出被控对象温度，将它与设定值做比较，通过一些控制算法，输出控制量控制执行机构来调节温度在控制领域中，温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，电阻炉温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后的特点。其升温单向性是由于电阻炉的升温保温是依靠电阻丝加热，降温则是依靠环境自然冷却，当其温度一旦超调，就无法用控制手段使其降温。传统的继电器调温电路简单实用，但由于继电器动作频繁，可能会因触点不良而影响正常工作。近年来提出改进的电路，采用主回路无触点控制，克服继电器接触不良的缺点，且维修方便，缺点是温度控制范围小，精度不高。最近几年快速发展的PID控制，模糊控制，以及神经网络，遗传算法在温度控制中的都有所应用。PID控制即比例、积分、微分控制，自19世纪40年代以来，由于其结构简单、容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点，因而，在工业过程控制中至今仍得到广泛应用(有资料表明在90以上)。温控系统将热电偶实时采集的温度值与设定值比较，将差值作为PID功能块的输入。PID算法计算出合适的输出控制参数，利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制，使控制过程连续，其缺点是现场PID参数整定麻烦，被控对象模型参数难以确定，外界干扰会使控制漂离最佳状态。许多学者提出一种PID参数自整定的温度控制算法，用编程的方法实现在线参数自整定，这种系统特点是其瞬态响应超调量小，抗干扰能力强，且振荡有足够的阻尼，具有良好的选择性和灵敏度，控制效果得到了改善。如果模糊控制与PID结合将具备两者的优点，其实质是一种以模糊规则调节PID参数的自适应控制，即在一般PID控制系统基础上，加上一个模糊控制规则环节【4】。根据不同实时状态下对PID参数的推理结果分析可得，当温差较大时采用模糊控制，响应速度快，动态性能好；当温差较小时采用PID控制，使其静态性能好，满足系统精度要求。因此模糊PID控制，比单一的模糊控制或PID控制有更好的控制性能，实现对任何一种模型参数的系统都能自动调节其PID参数，使输出与给定的温度曲线趋于一致，实现快速响应特性与超调量最优的统一。本系统构成一个闭环控制系统，主要是对环境温度的数据采集与自动控制，其硬件组成如图22所示。它主要由温度测量电路、温度控制电路、一块基于USB总线的多功能数据采集卡及相应的软件组成。其工作过程如下：温度信号由传感器转换为电压信号，经信号调理和数据采集卡进入计算机，在计算机上运行的LABVIEW程序对输的数据进行分析处理，结果由计算机显示。计算机采集卡通过其AD转换通道采样输入信号，利用LABVIEW图形化编程语言中的PID工具包中的Pm算法，求出系统输出信号的大小，其输出信号通过数据采集卡DA通道输出给外部温度控制电路，以达到控制温度的作用。通过数据采集卡输出控制信号给外部双向晶闸管，改变电阻炉的输入功率，从而改变炉内的温度，最终达到控制温度的作用。，一是因为虚拟仪器系统主控常采用pC机，而当今PC机已经更多地采用USB总线，二是因为USB总线已经得到广泛的支持。微软Windows全面支持USB总线，Sun公司和Digital公司也已经支持USB。USB是Universal Serial Bus的简称，即通用串行总线，它是近年开发出来的个人计算机(以下简称PC机)外设总线传输接口。这种接口连接简单，可在不断电的情况下进行连接且马上就可使用，具有即插即用的功能。USB的出现与推广，将结束现存PC机每种外设对应一种专用接口的五花八门的局面。在1998年公步的USBI1规范中，将USB的速率规定为全速模式和低速模式。主模式为全速模式，速率为12Mbps，以此适应那些要求高速传输数据的外设。低速模式的传输速度为15Mbps，适用于那些传输量不大，但实时性要求较高的外设。不管是高速模式还是低速模式，其传输速率都比RS232接口快得多。在2000年公布的USB20规范中，USB的最高速率己达480Mbps。由此可见，USB可以很好地满足高速的数据采集和处理的要求，可用作大多数虚拟仪器的通讯接口。系统要求控制的温度值可以通过键盘在20-一200C范围内自行设定，面板上可以显示设定温度值和实际温度值，并且可以通过在线调节控制算法的参数以取得较好的控制效果。报警显示主要完成的功能是上限报警、下限报警。控制电路的功能是在控制信号到来时触发晶闸管导通，产生电流，电阻丝发热，炉温上升。数据存贮部分是把温度数据和温度实时曲线作为一个文件，存在一个虚拟的数据库中，以备对系统进行分析的时候使用。打印报表是把存在数据库中的数据读出来，把波形存储起来，需要的时候只要找到保存的文件就可以打印出来。数据采集就是通过采集卡，把电阻炉的温度数据实时地采进来，然后输送到计算机里进行处理和计算。本系统的被控对象是电阻炉，被控参数是炉内的温度，炉温由热电偶测量，热电偶输出电信号在100mV以下，经信号调理模块变为小于10V信号，经过数据采集卡进入计算机，计算机根据系统的给定温度和炉内实际温度求出偏差，再利用PID控制算法求出系统的输出控制信号，通过数据采集卡输出控制信号给外部双向晶闸管，改变输入给电阻炉的功率，从而改变炉内的温度，最终达到控制温度的作用PID在温度控制中已使用数十年，是一种成熟的技术，它具有结构简单，易于理解和实现的特点【13】。在工业控制中，90以上的控制系统回路具有PID结构。在目前的温度控制领域，应用十分广泛PID控制是一种负反馈控制，是一种线性控制器，它具有比例、积分、微分三种调节作用，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差：e(t)=y(t)一r(t)主控程序采用的是模块化的设计方法，将系统划分成几个相互独立的功能模块，各模块内部分别完成确定的任务，模块之间相对独立而又通过系统的框架协议相互联系。模块化编程的主要优点是：单个模块容易编写、查错和测试；有利于程序设计任务的划分；模块可阻共享，一个模块可被多个任务在不同的条件下调用f32l。根据电阻炉温度控制系统的基本要求，将系统划分为六个功能模块，即：密码验证模块、数据采集模块、信号处理模块、数据报警模块、数据存取模块以及PID控制器模块等。主程序界面包括 参数设定、实时温度显示(包括数字显示和模拟显示)、温度曲线实时显示、控制算法配置(包括算法选择及其参数的调整卜控制操作(包括控靠蛞行、数据操作、报表打印、帮助四个部分)、系统时间显示、输入输出板卡设置、保存路径等几个部分，如下图41所示：在数据采集模块中 可实现对电阻炉温度的测量，并把采集到的数据全部存储到数据表中以各今后数据处理、计算及打印。数据采集是本系统软件的主要功能，也是其它模块进行数据处理、图形绘制的基础。数据采集模块是动态测试中的重要部分，可以进行采集方式相关参数的设置，它直接影响到后面数分析的结果及其他功能的实现。该模块工作状态的好快直接影响到整个系统工作的正常与否，主要完成数据采集的控制，通道控制和时基控制等。LABVIEW集成了功能强大的数据采集函数库DataAcquisition。其中有大量的数据采集子程序，这些子程序只支持NI公司的数据采集卡，由于我使用NIUSB一6008采集卡，可以直接使用这些模块，为设计本系统提供了方便。我们也可以通过DAQ Assistant函数来实现对采集卡输入输出类型、采集数据类型以及聚集所用通道选择等进行设置，也可以通过DAQmx Task Name Constant函数和DAQmx Global Channel Constant函数来实现。LabVIEW的模糊逻辑工具包(Fuzzy Logic Toolkit)为设计者提供了便捷的开发平台。模糊控制是基于规则的一种智能控制，它不依赖于被控对象的精确数学模型，特别适宜对具有多输入多输出的强耦合性、参数的时变性和严重的非线性与不确定性的复杂系统或过程的控制，且控制方法简单，实际效果好，近年来在各个工程领域得到了广泛应用。但由于模糊控制理论还并不完善，系统设计缺乏统一有效的理论指导，在模糊控制器的实际设计和应用中仍主要采用试凑的方法，通过试凑法进行模糊控制器的设计，必须根据仿真或实际控制效果不断的调整控制器参数，如隶属函数的形状、分布，比例、量化因子的取值，解模糊方法，控制规则等，工作量大而繁琐，因此一个高效方便的开发环境对模糊控