【基于LABVIEW的温度控制系统设计（附图）10000字】

基于LABVIEW的温度控制系统设计摘要技术，设计了基于labview的温度控制系统，在分析温度的基础上，采用PID控制原理，实现了温度调节，以及温度超限报警；同时采用labview软件，实现了对温度控制系统的软硬件进行设计，系统的硬件采用pt100的白色铂热电阻作为对温度检测的敏感性元件，通过温度变送器，实现了420mA的信号的有电器对风扇进行控制；上位机的监测系统主要基于LabVIEW软件编程，其程序LabVIEW的分析能力和运算能力非常强大，将该软件选作上位机的开发平关键词：labview,温度控制，USB数据采集卡摘要 I 1 1 2 2 2 33硬件设计 43.1温度传感器 43.1.1简介 43.1.2曲线图表 53.1.3安装 53.2PT100温度变送器 53.3数据采集 73.3.1简介 73.3.2端子定义及排序说明 7工I3.3.3模拟信号连接方式 73.4继电器 83.4.1控制电路 94系统软件设计 4.1参数采集模块 14.2实时监测显示模块 4.3超限报警模块 4.4信号输出模块 4.5PID控制模块 4.5.1PID控制系统原理 4.5.2两种PID控制算法 5.1软硬件的结合 5.2硬件部分的组装 6设计过程中遇到的问题和困难及解决措施 6.1采集卡与上位机之间的数据通信 6.2传感器的选择问题 6.3如何根据系统超限与否控制风扇模块 7结论 附录 附录A:软件部分前面板设计 附录B:后面板程序框图 附录C:硬件电路实物连接图 1随着信息与电子技术、计算机网络技术和现代网络通信技术的飞速发展及其在现代电子计算与测量仪器技术和电子仪器测试领域的广泛应用，新的电子测试仪器理论、新的计算与测试方法、新的电子测试应用领域和新的测试仪器体系结构不断涌现，传统的电子仪器测试越来越不足。温度控制管理系统应用中的炉温电加热炉炉温是目前工业生产过程和科学实验室中广泛存在使用的一种加热控制设备，炉内的各种加热控制元件通常能将全部电能直接转化转变为额定热能，通过微波辐射或电磁对流的加热方式直接传递电能给已经加热过的对象，从而直接改变加热对象的工作温度，通常整个工业生产过程都对炉温的温度控制系统提出了一定的技术要求，这就我们需要对各种电加热炉的炉体进行温度控制，调节它的额定通电持续时间或改变通电时的强度等等来从而改变它平时输出的额定热能。传统的手动控制加热方法主要有两种：第一种方法就是手动直接调节电压法，即是电工依靠其本人的工作经验直接手动改变高压电加热炉的电源输入输出电压。第二种加热控制操作方式：保温主控回路中主要采用可控多晶硅控制装置，在保温试验阶段通过结合一些简单的控制仪表进行自动调节，加热控制过程仍主要依靠保温测试仪的手动调节。智能锅炉温度控制计量仪表在家用电加热炉中的温度控制技术领域日益重要得到广泛地研究应用。在温度控制技术领域中，温度控制集成电路广泛应用于我们社会经济生活的各个领域，近年来国家提出一种改进的控制电路，采用新型主控制回路无触点温度控制，克服传统继电器接触不良的传统缺点，且使用维修方便，缺点主要是其对模糊控制算法特别适用于通过控制不易确定取得精确度的数学物理模型和其他数学物理模型不容易确定或经常发生变化的数学对象。对具有温度控制误差实时采样的精确度测量进行模糊化，经过系统数学分析处理后将输入送到计算机中，计算机根据模糊控制规则可以推理出并做出模糊控制决策，求出一个相应的温度控制精确量，变成精确的测量输进去控制驱动实时执行控制机构，调整控制输入温度达到实时调节工作温度，使之稳定的工作目的。2控制系统的功能精确使产品温度波动随周围外界电磁干扰作用条件的不同变化，2总体方案设计2.1方案论证串行接口通常中文简称串行总线口或串□,也有以可中文简称串行总线接□串行通信接口或中文简称总线串行总线网络通讯通信接□(通常意义就是本文指据传输方式的一种总线扩展通信接口。串行接□(serialinterface)的主要目的是沿只要一对一的数据传送运输线就一样样便可以轻松地实现双向通信(一般用户此时可以直接自行考虑选择利用普通移动电话线直接使用作为一对数据传输线的通信线)因此，可以大大降低双向通信线路的成本，并且特别适合于长距离的无线通信，但是数据线路的传输速度相对较慢。如图2-1所示。单片单片机器器串行接口器器串行接口机机或者ibm-pc/at的任意一个PCI插槽中都能够直接插入。它可以在实验室以及3产品质量检测中心等各个场所打造出具有波形分析功能以及波形处理功能和数图2-2所示。USB采集卡，即与数据采集器连接的一个接口卡，只是读取数据采集器接收到的本地数据而不直接输入到其他个人计算机设备的一个数据采集接□,它也只是连接usb数据采集卡的一个接□。在今天非的传输速率大大提高。如果采用USB3.0标准，则可以实现400Mbyte/s的最小数据吞吐量和5Gb/s的物理层传输速率。利用数据采集和USB高速传输原理实现的数据采集卡，最终使今天的USB高速采集卡如图2-3所示。4图2-3USB数据3硬件设计按照信号流向将硬件部分的模块划分成风机、继电器控制电路、数据采集卡以及信号调理电路和温度传感器5个部分。在对硬件部分进行设计时所采用的基本思路概括如下：温度传感器负责对温度信号进行采集，采集卡相对应的输入信号应该是规格为3.3伏的电压信号，所以温度传感器获取到的温度信号应该在信号调理电路的作用下，被传输到相应的数据采集卡当中。数据采集卡的USB串行通信会将其发送到上位机进行软件部分的数据分析。当监测到温度数值超过上限的值，上位机会给采集卡反馈一个高电平的激励信号，继电器打造的控制回路可以实现对风扇模块的有效控制，从而完成有效降温。3.1.1简介考虑到与下一级的数据采集卡兼容，本设计决定应用安徽天康有限公司生产的PT100温度传感器。作为典型的铂热电阻，PT100的电阻值会受到温度波动的剧烈影响。在温度传感器的作用下，温度信号可以实现到电信号的转换，电流信号和电压信号都属于电信号，转化出来的电信号与实际的温度值相对应，当温度升高的时候，传感器的电阻阻值也会不断增大，甚至超出250Ω。PT100在温度方面是特别敏感的，温度相对偏低时，该电阻处于低电阻状态。凭借着良好的综5合性能，温度传感器已经在各个科学技术领域实现了真正意义上的广泛应用。云母元件以及玻璃元件和陶瓷元件等都属于特别常规的PT100感温元件。PT100温度传感器的外形如图3-1所示。pt100温度传感器如果由两个可以用来同时测量输入温差的温度传感器器件组成，输出温度信号与输入温差之间就会有一个对给定的连续温度函数和的关系。pt100温度传感器中的输出电阻信号与给定的温度传感变量之间通常存在一系列给定的连续或函数关系(通常是线性连续函数),在早期工业生产应用pt100温度传感器中，温度传感器的输出电阻信号与输出电阻值(或电压函数值)通常呈现线性化或函数关系。标准化的直流输出电路信号主要可分为0ma～10ma和4ma~20ma直流输出信号。测量电路也被叫做信号调理电路或者转换电路。测量电路负责电信号的进一步转换，其主要功能就是记录以及处理和显示等一系列的线性化功能，如放大、滤波控制等。本传感器的测量电路如图3-3所示。6图3-3测量电路3.2PT100温度变送器在Pt100铂电阻接线盒中安设的PT100温度变送器是将热电阻Pt100的电阻信号转化为二线制4-20mA输出的装置，如图3-4所示。因为pt100传感器把采集得到的温度信号直接转换为电阻式的信号，而pt100温度变送器则是负责把采集到的电阻式信号直接转换为电流式信号的，电路图如图3-5所示。图3-5电路图7产品灵感来自于恒凯电子有限公司推出的USB2.0数据采集处理卡。以USB总线为基础的USB2.0数据采集处理卡的关键构成部分包括1路输入pwm的进出输入/驱动控制输出端口、8路模拟数字信号的进出输入/驱动输出控制端口及12路数字模拟信号数据采集控制端口等。USB2.0数据采集处理卡已经在高等院校教学以及工业生产线等多个领域实现了广泛应用，其能够实现计算机和传感器的有机结合，将其引入在计算机中，还可以实现对计算机输出信号的全面接收。相较于同类别的数据采集卡而言，其他价格方面有着极大的优势，功能也相对齐全，只需要适当的编程就可以实现功能升级。3.3.2端子定义及排序说明恒凯电子USB2.0数据采集卡接口定义如图3-6所示。 出92香者查者看是1盾是250出天C居h3.3.3模拟信号连接方式8采集卡可以对0~3.3V范围内的模拟电压量信号进行有效接收。在对采集卡进行使用的过程中，应该保证上一级输出信号相对应的电压范围与其吻合。图3-7为采集卡模拟器上连接方式。DADA2信号输出DA1信号输出因为usb数据采集卡只能接受电压信号，而pt100变送器直接将传感器pt100的电阻信号转换为电流信号，所以我们需要连接一个控制电路，将这个电流信号直接转换为电压信号。这个控制电路很好实现，就是加一个电阻可以轻松实现。在对继电器进行开发的过程中需要应用到各种各样的理论，而其中最核心的就是电磁感应效应。电磁感应效应的本质就是通过对小电流回路的应用实现对大电流回路断开或连接的有效控制，在电磁感应控制阶段中，不同回路间是相互连接而又相互隔离的。每个继电器中都有常闭触点(NC)以及常开触点(NO)的设置，衔铁连接着动触点(COM)。当信号输入被继电器感受到的时候，线圈回路就会自动导通，在电磁感应效应的作用下，线圈缠绕着的铁芯会实现磁场的产生，磁力的存在会导致公共触点连接常开触点，回路由此形成。继电器的设计思维特别巧妙，通过对电感原理的充分应用完成了智能开关的制造。图3-8为继电器实物图。9结合实际情况设置出如图3-9所示的继电器控制电路。风扇模块中包含的电动机以及常开触点共同构成大回路，继电器线圈对应的回路属于小回路。空气中实际的温度值在正常范围之内时，系统会自动进入到正常测量模式，采集卡输出端不会对小回路进行信号的输出，常闭触点与公共触点相结合，不会有向下一级风扇模块传递的信号，风扇模块并没有进入到运转状态。温度超出限定值且系统报警之后，采集卡输出端会对小回路输出相应的高电平信号，继电器小回路因此而导通，在电磁感应效应的作用下，铁芯产生磁场，衔铁位置的变化使得公共触点连接对象从常闭触点转变为常开触点。风扇模块对应的大回路因此而导通，风扇进入到运转状态，从而实现温度的有效降低。常闭触点常闭触点常开触点线圈M线圈电源风扇模块电动机4系统软件设计LabVIEW2017的图形编程功能非常强大，用其对软件部分进行设计。软件部分包含的功能模块有PID控制模块、信号输出模块、超限报警模块和实时监测显示模块与参数采集模块。图4-1为上位机功能模块图。实时监测里示模块超限报警模块参数采集模块信号输出模块4.1参数采集模块采集卡输出端输出的信号会被LabVIEW接收到，对凯恒电子有限公司提供的USB数据采集卡资料包中包含的库函数.d1l文件进行直接调用，借助ADSingleV20()函数，实现对模拟通道电压的有效采集，返回float型数据，对前端测量电路输出端输出的电压进行读取。图4-2为调用库函数界面。□在程序框图中指定路径函数名函数原型int32_tADSingleV20(int32_t参数1,线程在UI线程中运行○在任意线程中运行C确定取消帮助在对温度部分进行设计的过程中，将单次采集函数的首个参数设定为0,代表对数据采集卡AD0端口输出的值的接收。图4-3为环境参数采集模块的程序框图。7000A0加热20图4-4前面板4.2实时监测显示模块实时温度实时温度图温度曲线m图4-5实时监测显示模块0y01A心200图4-6前面板检测图4.3超限报警模块mYt0m图4-7超限报警模块4.4信号输出模块相应的数据采集卡。在这里需要对库函数文件当中包含的单向操作函数设置。温度数值超限报警后，上位机会将一个高电平的输出激励信号传输给采集卡，从而驱动器进入到运行模式。图4-8为信号输出模块对应的程序框图。DD0出404.5PID控制模块4.5.1PID控制系统原理PID控制器具有着比较简单的结构，其鲁棒性良好，在绝大部分工业控制系统中都比较适用。它是目前应用最广泛的控制方法之一。图4-9为传统PID闭环控制系统的结构图，设定值为闭环系统控制参数r(t),系统输出值为y(t)。PID控制器e(t)用作输入测量单元，以反馈输出信号以计算输入和输出之间的差。PID控制器的输出u(t)是通过对e(t)进行比例，积分和微分运算来对这三部分求和而获得的，相应的受控对象由执行器的输出控制。PID调节器部分被控对象式4-1为PID控制器输出的计算公式：由上式可知，积分项以及微分项和比例项的代数和等于PID控制器的输出。系统比例增益系数和温度偏差信号分别是Kp和e(t),Td和Ti分别代表着微分作制器。如果控制器在精度方面的要求比较高，最佳的方式就是PI组合控制方式，将控制器应用在具有较大滞后性的系统中时，比较适用的控制方式为PID或者PID的基本控制原理为：在PID控制校正阶段中其重要作用的三个参数分别是Kp、(1)比例控制参数Kp误差进行降低的方式被称为比例调节。而且，如果kp很大，控制系统的响应可以很快，控制精度也很好。但是，过多的kp会导致系统不稳定，并且系统可能以适当的Kp会对控制系统的质量性能造成直接影响。(2)积分调节参数Ki(3)微分调节参数Kd增量控制pid增量控制的主要目的是更新通过积分计算得到的量自动进行被控采样的输出结果和加入设定值之间的方向偏移使用e(n)函数来自动计算第一或n次被控采样结束后所加入输出的控制变量。式中：Ka以及ki和kp分别对应着微分系数以及积分系数和比例系数。出于对分系数和积分系数以及比例系数分别设定为0以及0.010和1。以下是PID控制模板，如图4-10所示。真控制模式图4-10PID控制模块5系统调试些不可预见的问题。比如设计的软件或者硬件是否存在缺陷?硬件和软件结果之后，系统的正常运行是否可以得到保障?这部分问题的存在使得联调实验的价值本系统包括数据采集卡以及前端数据采集部分和后端温度监控模块与上位通过USB串口通讯到相应的上位机；上位机可以实现对数据的报警以及分析和5.3上位机监控展测试的阶段中，应用程序框图和前面板之间存在着互相作用且互相关联的关测试背景为室内标准条件下的温度，测试结果如图5-3所示温度监控系统1020BBg△0A加热确定确定比例增益当温度超过上限时，红灯亮，蜂鸣器报警，然后风扇持续运转。如图5-4所示。图5-4报警示意图6设计过程中遇到的问题和困难及解决措施6.1采集卡与上位机之间的数据通信选用国产采集卡参与本次设计的主要原因就是国产产品具有着更高的性价晰的认知：首先要对采集卡驱动程序进行安装，在LabVIEW程序界面对库函数文件进行调用，借助ADSingleV20()函数对前端测量电路输出端输出的电压进行读取，在输出端对库函数文件中包含的单相操作输出函数DoSetV20()进行调用，这个函数能够对OUT07对应的输出状态进行设置，实际温度值超出输出端输出的电压无法使得风扇转动得到有力驱动。为使得该问题得到有效缓7结论在正式进行毕业设计之前，本人借助各种渠道找到了与课题有关的各类材料，通过对材料的查阅和了解，对课题的研究价值以及研究意义有了更加深入的了解，对系统需要实现的具体功能以及软件操作流程和硬件电路设计流程有了更加全面的认知。在毕设流程中，对系统整体设计思路有了更加全面的构思。进而实现了硬件的设计以及组装和调试，还有软件对应的图形化编程。出于对设计要求的考虑，硬件部分增加了针对温度的控制