文档介绍：基于虚拟仪器的温度测控系统的实现
本课题针对原有温度测控仪的测试与控制功能进行改造。利用虚拟仪器技术实现了原有温度测控仪对温度信号的测试与控制功能,弥补了原有测控仪利用单片机操作单一﹑程序无法更改的缺欠。为现代测控技术的发展,尤其是虚拟仪器这种“软件即是仪器”的新思想提供了现实证据;同时还在温度传感器的标定中作了有意义的工作。
随着计算机硬件和软件技术的迅速发展,测控技术也日新月异。虚拟仪器(Virtual Instrumentation)概念的提出使我们可以充分利用计算机软件硬件资源来实现计算机与测量仪器的有机结合,从而极其容易的组建一个性能优异的现场测控系统。
温度信号作为自然界中一个重要的物理量,无论理论研究还是工程技术很多情况下都会抓住这个物理量中所加载的信息对某一特定的物理过程或现象进行定量的分析,温度测控仪就是在这种条件下开发出来的。原有的温度测控仪利用硬件电路来实现数据采集﹑变换﹑显示和控制,而这种温度测控系统只能给出显示的温度数据,而无法实时显示温度变化的动态图形,更不能对信号作进一步的分析,而且利用单片机操作单一﹑可扩展性差,烧制在芯片中的程序无法根据需要更改,因此出于此种缺欠考虑,利用现有的计算机软硬件资源开发了一个虚拟仪器系统实现对温度信号的精确测试和控制,这是本研究的重点。
一、温度测控仪的系统结构与功能
图1为由不同种材料的导体A和B组成的热电偶,第三种导体C为毫伏计,毫伏计与A和B热电偶冷端的两个节点的温度均为冷端温度,而热电偶A,B的热端置于需要测量的温度场T时,这样根据中间导体定律,由导体A,B,C组成回路的总体电势应为
(1)
式中,为塞贝克系数,其值随材料和两结点温度而定。
当保持=常数时,则=常数=C,所以上式变为
(2)
式(2)就是热电偶测量温度的基本原理,只要保持冷端温度不变,则热电偶的输出电势就是所测温度的单值函数,即热电偶的输出电势就反映了被测温度的大小。
结构与功能
温度测控仪分为两大部份:温度信号采集显示部分和开关量控制输出信号部分。系统的总体结构示意,如图2所示。
其中,传感器利用铜-康铜热电偶,其工作电压为220VAC;温度信号先由传感器转换成热电势,传入到显示控制电路,此电路先对微弱信号进行隔离放大滤波处理后,利用555定时器对已烧制程序的芯片进行控制,最后进行数字显示。
温度测控仪可以通过显示控制电路进行预先的温度设定(包括限定值和修正值),倘若温度超过设定的限定值,控制电路就发出信号,中断热电偶的加热电源220VAC,同时发出信号使内部继电器导通,接通风扇的工作电源24VDC,这时风扇使热电偶降温,当温度降到设定温度的限定值时,显示控制电路将发出信号使继电器中断,风扇停止工作,同时发出信号导通热电偶的电源,使热电偶继续被加热,这样就构成了一个对温度信号的测试与闭环控制系统。
二、虚拟仪器测控系统的结构与功能
本课题利用虚拟仪器技术,通过软件编程来实现温度测控仪对温度信号的精确测试与控制功能,系统的结构示意图如图3所示。
虚拟仪器测控系统通过传感器(热电偶)将温度信号转换为热电势,由于所转化的电压信号相当微弱(常温下仅有几十个微伏),因此通过SCXI电路调理箱将信号隔离放大滤波处理,经过数据采集卡输入计算机,利用由美国NI公司开发的LabWindows/CVI软件平台编写CVI程序,此程序对所采集的信号进行实时的显示和控制,同时程序中设定上限值,当温度超过所设定的值时,程序发出指令由计算机输出到采集卡,通过两个通道输出控制信号,一个通道控制传感器的加热电源,另一个通道控制风扇,这两个终端器件均作用于热电偶,当超限时通过开关电路使热电偶加热电源切断,而导通风扇电源,使之工作,此时温度开始下降,当温度降到所设定的值时,计算机发出指令,数据采集卡输出信号,导通热电偶加热电源,而风扇电源切断,这样就使得热电偶维持在所设定的温度上,形成一个完整的闭环测试控制系统,能够完全实现温度测控仪的功能。
三、虚拟仪器测控系统的设计
此系统分为硬件平台设计和软件平台设计。
硬件平台设计
如图3所示,硬件包括温度传感器(热电偶)﹑SCXI电路调理箱﹑数据采集卡﹑计算机﹑开关电路﹑风扇和加热槽,其中,SCXI电路调理箱和数据采集卡采用NI公司的设备,SCXI调理电路由SCXI-1121来完成对极其微弱信号的调理,而数据采集卡采用PCI-MIO-16E-4型号,它的精度较高可以输入输出±10v范围的电压信号,而且对微弱信号的识别也很高。
风扇的电机工作电压为24VDC,其中这部分电压由开关电路的内部电源来实现,加热槽的工作电压为220VAC,这个工作电压由外部电源输入,SCXI-1121调理电路具有