江歡 遲玉倫 黎萬(wàn)波 過聰 盧相林

【摘 要】文章介紹了一種基于LABVIEW和采集卡的遠(yuǎn)程自動(dòng)控溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用溫度傳感器和繼電器檢測(cè)加熱液體的溫度變化狀況并做出有效控制。通過采集卡和LABVIEW編寫的程序，用戶可對(duì)溫度實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控，加熱過程中可以在達(dá)到目標(biāo)溫度后停止加熱。系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高、擴(kuò)展方便且具有良好的人機(jī)交互功能。該系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，取得了較為滿意的控制效果。

【關(guān)鍵詞】采集卡;溫度傳感器;LABVIEW;遠(yuǎn)程控制;繼電器;TCP

【中圖分類號(hào)】TP273 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）07-0050-03

0 引言

從日常起居到餐飲經(jīng)營(yíng)乃至辦公環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)，人們無時(shí)無刻不在使用加熱工具[1]。在加熱工具的使用過程中，常常伴隨著危險(xiǎn)與不便[2]。隨著環(huán)境變化，很難確切地掌握加熱所需要的時(shí)間，當(dāng)加熱時(shí)間出現(xiàn)誤差，加熱的結(jié)果不盡如人意，還可能遇到安全問題[3-4]。在日常起居，可能因?yàn)榕瘹鉁囟炔粔驘o法安穩(wěn)入眠;在餐飲行業(yè)，可能因?yàn)榧訜徇^度烤煳失誤，甚至加熱不足出現(xiàn)食品安全問題;在辦公場(chǎng)所，不適宜的溫度可能影響辦公效率和職員積極性;在工業(yè)生產(chǎn)，不適宜的溫度可能帶來次品和嚴(yán)重的安全問題[5]。一個(gè)安全可靠，自動(dòng)化程度高，解放人們雙手離開危險(xiǎn)工作場(chǎng)所的自動(dòng)控溫系統(tǒng)便是在這樣的背景下被提出的，它在設(shè)定好一個(gè)可調(diào)的目標(biāo)溫度后，可以從遠(yuǎn)程端控制它的開啟，并自動(dòng)加熱到目標(biāo)溫度。

由此設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程自動(dòng)控溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括繼電器、采集卡、溫度傳感器、加熱裝置。usb-600采集卡作為控制單元，選用溫度傳感器檢測(cè)溫度變化反饋到采集卡，選用繼電器響應(yīng)來自采集卡的控制信號(hào)，控制加熱的開始與停止，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)自動(dòng)化。除此之外，TCP/IP能讓其實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的要求，使它的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。通過在遠(yuǎn)處控制端發(fā)送的控制信號(hào)，由采集卡接受之后傳遞到繼電器，開始加熱裝置的運(yùn)作，加熱裝置開始加熱之后溫度傳感器會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋數(shù)據(jù)，一旦達(dá)到目標(biāo)溫度，通過labview編寫的程序就會(huì)自動(dòng)發(fā)送信號(hào)，一路傳輸?shù)嚼^電器切斷加熱裝置的電源，從而完成一系列自動(dòng)控制。

1 系統(tǒng)的組成與原理

該遠(yuǎn)程自動(dòng)控溫系統(tǒng)由溫度采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、輸出控制模塊、工作模塊4個(gè)部分組成，其原理圖如圖1所示。

系統(tǒng)工作原理：溫度采集模塊采集工作模塊的實(shí)時(shí)溫度，通過數(shù)據(jù)通信模塊傳輸?shù)捷敵隹刂颇K與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)溫度低于設(shè)定溫度，輸出控制模塊向工作模塊輸出啟動(dòng)信號(hào)，工作模塊開始加熱。當(dāng)檢測(cè)溫度達(dá)到設(shè)定溫度，輸出控制模塊向工作模塊輸出關(guān)閉信號(hào)，工作模塊停止加熱。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度采集模塊

由于要將需測(cè)量液體的溫度轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧碾妷盒盘?hào)，因此溫度采集模塊主要由引線式溫度傳感器和智能溫度變送器組成[6]。引線式溫度傳感器相比于傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻傳感器，具有靈敏度高、測(cè)溫范圍廣、響應(yīng)迅速、廣泛的測(cè)溫適用性和滿足多種工作環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。采用的是PT-100溫度傳感器，量程為-50～200 ℃，防護(hù)等級(jí)為IP68（完全防水）。智能溫度變送器采用的是杭州聯(lián)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為SIN-ST500智能溫度變送器，其具有精度高、抗干擾性強(qiáng)、偏移小等優(yōu)點(diǎn)。引線式溫度傳感器與智能溫度變送器采用標(biāo)準(zhǔn)三線式接法，將引線式溫度傳感器的接線端的3根線（2根紅色和1根其他顏色），2根紅色線接入智能溫度變送器的1號(hào)口和2號(hào)口，另外1根線接入3號(hào)口。智能溫度變送器的正極（DC24V）接工作電源的正極，4號(hào)口接工作電源負(fù)極。智能變送器的OUT口接板卡的輸入口，4號(hào)口（與工作電源共用）接板卡的接地口[7]。

智能溫度變送器連接示意圖如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)通信模塊

因?yàn)橹悄軠囟茸兯推鞑杉臏囟刃盘?hào)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M的電壓信號(hào)，輸出控制模塊在PC端需要通過USB接口接收模擬的電壓信號(hào)，所以數(shù)據(jù)通信模塊采用型號(hào)為USB-6001數(shù)據(jù)采集板卡[8]。智能溫度變送器的OUT口和電源負(fù)極分別接入板卡的AI輸入口和接地口。板卡通過數(shù)據(jù)傳輸線將數(shù)據(jù)傳入PC給輸出控制模塊。輸出控制模塊處理數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)返回板卡通過AO輸出口和接地口將電壓信號(hào)傳給工作模塊[9]。

2.3 輸出控制模塊

輸出控制模塊接收到數(shù)據(jù)通信模塊的模擬電壓信號(hào)，通過用LABVIEW編寫的控制系統(tǒng)處理后，將該信號(hào)轉(zhuǎn)化成溫度采集模塊采集的實(shí)時(shí)溫度值。系統(tǒng)會(huì)將該值顯示在系統(tǒng)服務(wù)端，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)將該溫度值與用戶的預(yù)設(shè)溫度值進(jìn)行比較，判斷是否向板卡傳遞控制信號(hào)[10]。

2.4 工作模塊

工作模塊的功能是從板卡接收到控制信號(hào)，判斷這個(gè)信號(hào)指令并執(zhí)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。因?yàn)榘蹇▊鬟f給工作模塊的信號(hào)是一個(gè)電壓信號(hào)，所以使用繼電器做該電壓信號(hào)的執(zhí)行元件。工作模塊由繼電器、加熱電阻絲、加熱電路、保護(hù)電阻組成[11]。從板卡接收到的電壓信號(hào)接入繼電器的工作電源接口。加熱電路的火線接入保護(hù)電阻的正極，將保護(hù)電阻的負(fù)極與繼電器的公共端相連，將繼電器的常開端與加熱電阻絲的正極相連，加熱電阻絲的負(fù)極與加熱電路的零線相連[12]。

3 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

LabVIEW程序由客戶端和服務(wù)器端2個(gè)部分組成，通過LabVIEW的TCP/IP的編程實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的遠(yuǎn)程顯示與控制[13]。

3.1 服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)

服務(wù)器端程序由接收信息、發(fā)送信息及硬件控制三大部分組成。首先接收信息需要將信息強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成數(shù)組類型，然后通過數(shù)組索引依次給加熱開關(guān)和設(shè)定溫度賦值，完成信息的接收過程。發(fā)送信息則要通過強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換和字符串長(zhǎng)度兩大組件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的輸入。硬件控制則需要完成兩大功能，一是對(duì)溫度的感知，通過DAQ助手實(shí)現(xiàn)采集卡到labVIEW這一數(shù)據(jù)傳輸，然后通過數(shù)據(jù)運(yùn)算轉(zhuǎn)換成溫度;二是同樣通過DAQ助手完成對(duì)于電壓的輸出來控制繼電器的通斷。將這三大部分整合成兩個(gè)while循環(huán)，對(duì)錯(cuò)誤信息整合處理就完成了對(duì)服務(wù)器程序的編寫。具體程序如圖3、圖4所示。

3.2 客戶端程序設(shè)計(jì)

客戶端設(shè)計(jì)與服務(wù)器端設(shè)計(jì)大同小異，主要的不同在于客戶端是呈現(xiàn)于使用者的，不需要對(duì)硬件進(jìn)行交互，只需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送方面，需要將加熱開關(guān)和設(shè)定溫度組合成數(shù)組，這需要強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換的幫助。然后通過強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換和字符串長(zhǎng)度來獲取數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及將數(shù)組轉(zhuǎn)換成字符串發(fā)送出去。將接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)置于2個(gè)while循環(huán)中，把錯(cuò)誤信息整合處理就完成了對(duì)客戶端程序的編寫。具體程序如圖5、圖6所示。

4 系統(tǒng)工作流程

綜上所述，該遠(yuǎn)程自動(dòng)控溫系統(tǒng)主要分為2個(gè)部分，即硬件設(shè)計(jì)和軟件控制。該系統(tǒng)具體工作流程分為4個(gè)部分：{1}在PC端打開LabVIEW程序，在客戶端界面設(shè)定加熱溫度。{2}溫度采集模塊中的溫度傳感器將液體實(shí)時(shí)溫度采集到溫度變送器，溫度變送器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，將之傳輸?shù)綌?shù)據(jù)通信模塊。{3}數(shù)據(jù)通信模塊中的采集卡接收到電壓信號(hào)后，將之傳輸?shù)絇C端。{4}PC端將實(shí)時(shí)溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)時(shí)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，PC端輸出工作信號(hào)到采集卡，進(jìn)而由采集卡控制工作模塊開始加熱，當(dāng)實(shí)時(shí)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，PC端再次發(fā)出停止信號(hào)，工作模塊中的繼電器便斷開電路，停止加熱。工作流程如圖7所示。

5 總結(jié)

本文介紹了一種基于LabVIEW的遠(yuǎn)程自動(dòng)溫控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用的是PC端的LabVIEW控制，通過電腦上程序的編寫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的準(zhǔn)確測(cè)量與調(diào)控。該系統(tǒng)不僅可以將液體溫度測(cè)量顯示在PC端上，同時(shí)也可以在PC端上設(shè)定所需的溫度，從而驅(qū)動(dòng)工作模塊，加熱到設(shè)定溫度。該系統(tǒng)通過驗(yàn)證，其工作原理可以得到驗(yàn)證，設(shè)計(jì)方案亦是合理的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能化，溫度調(diào)控準(zhǔn)確，具有一定的實(shí)用性。該遠(yuǎn)程自動(dòng)溫控系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在于以PC端的LabVIEW作為控制系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)顯示溫度，實(shí)現(xiàn)調(diào)控，通用性較強(qiáng);同時(shí)采用了溫度變送模塊，具有較高的靈敏度、精確性。

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]