楊浩 遼寧錦州渤海大學工學院

基于Labview的室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)設計

楊浩 遼寧錦州渤海大學工學院

基于Labview的室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)的原理是通過傳感器先把待測溫度信號變?yōu)殡娦盘?，接著再通過信號調理電路將電信號轉為標準信號，最后將結果返回到數(shù)據(jù)采集卡中。這里的溫度采集部分用到了集成元件，實現(xiàn)起來操作更簡單且方便。本文設計的溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能主要涉及了自動存儲溫度模塊、實時顯示模塊等等。同時該系統(tǒng)的外圍電路實現(xiàn)起來比較方便，硬件部分易于維護，擴展性強以及提供了很好的人機交互界面。

Labview 溫度控制系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集

作為一種程序開發(fā)環(huán)境，LabVIEW已經(jīng)普遍應用到了測試系統(tǒng)中，LabVIEW對儀器工業(yè)起到了很大的推動作用。LabVIEW功能強大，具體體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)采集和PID控制工具包等方面。從而方便了人們將虛擬儀器技術應用到測量上，另外還能夠將虛擬儀器延伸到自動控制行業(yè)中，從而形成基于虛擬儀器的控制系統(tǒng)。本文設計的溫度控制系統(tǒng)應用到了LabVIEW編程語言和外掛的PID工具包。

傳統(tǒng)儀器通常都是生產(chǎn)廠家定義制造實現(xiàn)的，所以在功能以及外觀設計方面都是固定的。不同于傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器是通過軟件從而把儀器硬件和計算機中的所自帶的硬件資源結合成一體了，進而結合了計算機的控制能力和計算處理能力，使得儀器硬件以及儀器的體積都減少了很多，同時實現(xiàn)了數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)分析存儲的功能。

1 系統(tǒng)硬件設計

通過傳感器將待測溫度信號轉為電信號，接著通過信號調理電路形成標準信號，基于Lab VIEW的溫度控制系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。系統(tǒng)的硬件組成部分主要包括的模塊有數(shù)據(jù)采集卡、溫度檢測電路和溫度控制電路等。

圖1 系統(tǒng)硬件結構圖

該硬件簡化部分應用了虛擬儀器技術，數(shù)據(jù)處理部分用到了計算機技術，數(shù)據(jù)采集卡中包括了重要的信息數(shù)據(jù)。用戶的不同需求所選擇的傳感器也就不同，編寫的程序也不同，進而可以完成不同的測試功能。在很大程度上提高了系統(tǒng)的靈活性。

1.1 溫度檢測電路

溫度檢測電路的組成部分有電壓放大電路、溫度傳感器電路以及溫度補償電路。該電路圖如圖2所示。溫度傳感器選擇了熱電偶，通過溫度傳感器可以把溫度信號變?yōu)殡妱菪盘?，溫度測量部分用到了變換器以及相關的儀器，從而能夠完成測量溫度的功能以及轉換溫度信號。因為測溫的范圍比較寬所以熱電偶溫度計在很多的領域應用普遍。在工程領域中可以通過熱電偶溫度計進行點以及壁面溫度的測量，同時也可以用來測量動態(tài)溫度。

圖2 溫度檢測電路

1.2 聲音報警電路

報警電路的實現(xiàn)需要用到數(shù)據(jù)采集卡中的D/A，因為輸入的信號比較微弱，所以需要將信號進行放大，報警電路的思路是：先將報警信號輸出，接著讓報警信號通過三極管，如果報警信號的電平是高，那么說明三極管導通，報警器就成功通電，如果電平顯示為低，那么三極管截止，報警器沒有電量通過，所以報警器停止。

圖3 軟件系統(tǒng)的構成

2 溫度控制系統(tǒng)的軟件設計

本文設計的基于LabVIEW的溫度控制系統(tǒng)運用了模塊化的方法來編寫的，所有的功能都是通過單獨的一個模塊實現(xiàn)的，接著各個模塊的調用需要用到主控模塊，主要實現(xiàn)的功能包括了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)記等等。軟件系統(tǒng)的構成如圖3所示。

2.1 主控模塊

在主控模塊中實現(xiàn)的功能包括了溫度控制部分，將該部分和其他的部分進行相互地結合，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)打印、PID控制以及數(shù)據(jù)查看等等功能。

PID控制模塊設計的原理是：作為PID控制系統(tǒng)設計中的一個重要的組成部分，PID控制器在現(xiàn)今的很多工業(yè)控制有著廣泛的運用?？刂葡到y(tǒng)中的參數(shù)稱為過程變量，英文全稱是VPPorcessvariabl，控制過程中的變量所對應的理想值稱為設定點，PID控制器對應著系統(tǒng)中的輸出量，在進行驅動的時候變量會不斷地接近設定點。PID控制模塊在工程應用中比較廣泛，而且一般都是通過PID工具包實現(xiàn)的。將一些比較繁瑣的算法應用到Labview中，從而形成了PID工具包，快速地結合IPD控制工具包和Labview的算術，從而實現(xiàn)了自動控制程序的生成。因為作為采樣控制中的一種，基于虛擬儀器的控制計算控制量的時候是按照采樣時刻的偏差值實現(xiàn)的，只可以通過選擇數(shù)值計算的方法完成逼近。當采樣時刻是t的時候，PID控制器的輸出值的計算過程是通過PID控制器計算積分、微分以及比例之間的和完成的。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要的思路就是實現(xiàn)溫度信號向數(shù)字量的轉換。這個數(shù)據(jù)采集模塊的實現(xiàn)是運用了Functions Data Acquisition函數(shù)實現(xiàn)的。這個函數(shù)能夠對特定的信道進行數(shù)據(jù)的采集，并且把所采集到的結果放到所設置的緩存里面，同時將所采集到的數(shù)據(jù)進行返回。在運用的時候，要給出采樣數(shù)、信道名、初始化、采樣率以及緩存大小等。PID控制器的輸入端口會接收到所采集到的數(shù)據(jù)，通過PID進行處理以后，就可以通過數(shù)據(jù)采集卡的輸出通道把控制輸出量輸出。

圖4 數(shù)據(jù)顯示模塊結果

2.3 數(shù)據(jù)記錄模塊

數(shù)據(jù)記錄模塊主要是以系統(tǒng)當前的時間作為文件名，內(nèi)容是處理好的溫度變化數(shù)據(jù)，一起存放到電腦的子目錄文件中。

2.4 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊指的將所記錄的數(shù)據(jù)讀取出來，接著吧數(shù)據(jù)傳送給主控模塊，在Waveform Chart中顯示出來。數(shù)據(jù)顯示模塊的結果圖如圖4所示。

2.5 溫度實時控制

溫度控制部分選擇的是Lab VIEW自帶的PID控制器模塊實現(xiàn)，這個模塊選擇的是增量式的PID控制器，實現(xiàn)的方式主要包括了2種，首先是編程代碼或者是其他軟件的調用需要用到外部接口調用。其次是運用Lab-VIEW自帶的編程語言完成編程。因為Lab VIEW中自帶了Matlab Script的節(jié)點，所以Matlab程序的編寫能夠在Matlab script節(jié)點中進行，運行環(huán)境是Lab VIEW，同時實現(xiàn)部分是通過Matlab script節(jié)點，通過這種方式可以確保有著清晰的程序結構，同時還可以將運算的速度提高。所以增量式PID控制程序部分能夠借用Matlab script的節(jié)點實現(xiàn)，具體對應的表達式如下所示。

Δu(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

公式中的n代表著采樣序列，Ki表示積分的系數(shù)，e(n)代表著第n次采樣時刻所輸進去的偏差值，Kp表示比例的系數(shù)，Kd表示微分的系數(shù)，u(n)代表的是第n次采樣時刻所對應的計算機輸出值。

結論：本文涉及了基于Lab VIEW的溫度控制系統(tǒng)，在設計方面比較簡單，實現(xiàn)了優(yōu)化的界面，實現(xiàn)的功能具體包括了采集環(huán)境溫度信號，對數(shù)據(jù)進行分析，以及顯示和存儲數(shù)據(jù)等，同時當出現(xiàn)故障的時候，可以完成報警操作，系統(tǒng)提供了開放的功能以及開放的應用，例如能夠控制反饋溫度以及濕度，和采集多路溫度。

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