虚拟热电偶温度记录仪--本科毕设论文

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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学

2、校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定

3、，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日虚拟热电偶温度记录仪摘 要温度是表征设备状态的重要物理量，也是传热学中进行分析计算的重要参数，温度测试及记录是工业应用与教学实验中经常遇到的问题。随着测控技术的发展，热电偶温度测量记录及其技术与虚拟仪器相结合成为了温度测试领域的一个新课题，对测控技术的发展具有十分积极的意义。在资料收集过程中，基于单片机、D

4、SP的嵌入式、和虚拟仪器这三种方法实现的热电偶温度记录的方案在实际应运中使用比较普遍。本设计采用基于虚拟仪器的热电偶温度记录仪来实现热电偶温度记录。设计分为硬件设计与软件设计两部分。硬件主要是由前端感温装置(温度传感器)、数据采集卡、PC机系统等组成主要实现温度信号采集、转化、处理等功能。软件设计采用LabVIEW8.5进行图形化编程设计了前面板。该界面可以通过用户登陆端显示温度采集、温度记录、温度查询三部分前面板。在程序设计中，编写了用户管理、DAQ采集、通道选择、数据库访问、数据库写入、数据库查询等子VI，实现了对于八个不同通道的数据的采集、记录、实时显示、报警及查询等功能。关键词：Lab

5、 VIEW；虚拟仪器；传统仪器；温度；采集；记录内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）Virtual Thermocouple Temperature RecorderAbstractTemperature not only is an important characterization of physical equipment, but also is the heat transfer analysis in an important parameter.The test and record the temperature industrial applications are o

6、ften experiment with teaching problems. With the development of modern control technology in the thermocouple temperature records of the application of virtual instrument technology, how they can be recorded and its technology with the Lab VIEW effective combination of virtual instrument to test the

7、 temperature has become a new topic in the field of measurement. And control technology development is very positive. In the data collation process, MCU-based, DSP-based and Based on Virtual Instrument logger, based on the temperature recorder of the three programs should be delivered in practice th

8、e use of more common. This set of virtual instrument which is based on the thermocouple temperature recorder, is record the temperature of thermocouple. Design is divided into hardware design and software design.Hardware was designed by the front-end temperature sensing devices (temperature sensors)

9、, data acquisition cards, PC systems, etc. It is mainly temperature signal acquisition, transformation, processing and other functions.Software design used LabVIEW8.5 graphical programming software. The interface can be displayed Temperature acquisition, temperature records and temperature query thr

10、ough user-side. In program design, I prepared a sub-VI (user management, DAQ acquisition, channel selection, database access, database write database query). And they achieved the eight different channels for data collection, recording, real-time display, alarm and inquiry functions.Key words: Virtu

11、al instrument; traditional instruments; temperature; collection; Records内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 研究背景及意义11.1.1 研究背景11.1.2 研究意义21.2 虚拟仪器技术21.2.1 虚拟仪器的概念31.2.2虚拟仪器的结构31.2.3虚拟仪器的技术优势41.3 热电偶温度记录仪61.3.1 热电偶的发展现状71.3.2 热电偶的发展趋势81.4 本章小结9第二章 热电偶温度记录仪方案选择与设计112.1 常用设计方案112.1.1 基于单片机

12、的温度记录仪112.1.2 基于DSP的嵌入式温度记录仪112.1.3 基于虚拟仪器的温度记录仪122.2 方案比较与选择13第三章基于虚拟仪器的热电偶温度记录仪的硬件设计143.1热电偶温度记录仪调理电路153.1.1 冷端补偿调理电路153.1.2信号调理电路163.1.3 PCI6221数据采集卡设置183.2 本章小结20第四章 基于虚拟仪器的热电偶温度记录仪的软件设计214.1软件前面板设计214.2 主程序框图设计254.2.1用户登录模块程序设计254.2.2数据库访问模块程序设计274.2.3 通道选择模块程序设计284.2.4温度采集模块程序设计294.2.5 信号处理模块程

13、序设计294.2.6 温度报警模块程序设计324.2.7 数据库写入模块程序设计324.2.8 数据库查询模块程序设计334.3 本章小结34第五章运行与检测375.1 运行结果375.2 本章小结39参考文献41附录：主程序图43致 谢44内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 引 言1.1 研究背景及意义随着现代测试技术的不断发展，以LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench ) 为软件平台虚拟仪器测量技术正在现代测控领域占据越来越重要的位置。在热电偶温度记录工作中，应用虚拟仪器技术可以提高工作效率，节约

14、成本和提高准确性。因此如何能将热电偶温度测量记录及其技术有效的与LabVIEW虚拟仪器相结合就成了温度测试领域的一个新课题，对测控技术的发展具有相当积极的意义。1.1.1 研究背景温度是表征设备状态的重要物理量，也是传热学中进行分析计算的重要参数，温度测试及记录是工业应用与教学实验中经常遇到的问题。早期的温度记录仪都是有纸类型的，随着计算机的普及和广泛应用，无纸温度记录仪产生，并因为其更准确地数据记录、更方便的数据存储、更便捷的数据分析功能，所占市场份额逐年猛增；近两年推出的带USB接口的无纸记录仪更是极大的方便了数据的下载和保存1。然而由于在某些场合目前有关规定必须使用有纸温度记录仪，比如：

15、医疗上用的高温杀菌锅、低温冷藏、用于出口的食品生产等；以及有纸温度记录仪无须电脑知识而适用于一些低知识水准员工操作场合的管理和控制，因此有纸温度记录仪一时还无法被无纸记录仪完全替代。 进入21世纪以来， 作为测试技术的一个分支， 虚拟仪器的开发和研制在国内得到了飞速的发展。虚拟仪器是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板， 以多种形式表达输出检测结果， 利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，并利用I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的计算机仪器系统。1.1.2 研究意义 随着现代控制技术的发展，在工业控制领域需要对现场数据进行实时采集，例

16、如在发电厂、钢铁厂、化工领域的生产中都需要对大量数据进行现场采集，而温度采集又是其中极为重要的部分。目前，温度测量主要采用玻璃液体温度计，人工观测。这种测量方式，一方面给偏远地区的观测人员带来诸多不便；另一方面，测量精度受人为因素影响，测量误差大。因此，有必要采用效率和自动化水平更高的新的测量手段。在农业方面，温度的变化影响作物的发芽、幼苗的成长、作物的开花、果实的成熟，等等。对于不同的作物，其适宜的生长温度总是在一个范围。超过这个范围，作物或许会成活，但是其生长的规律将发生明显的变化，这对于作物能够优质、高产的目标相距甚远，因此， 实时获取作物生长的环境温度，对超过作物生长适宜范围的温度能够

17、报警非常重要。同时，作物的适宜温度范围可以由检测人员根据实际情况加以改变。 以LabVIEW 为代表的图形化语言，又称为G语言。使用这种语言编程的时候，基本上不需要编写程序代码，而是“绘制”程序流程图。利用LabVIEW，可以产生独立运行的可执行文件。它遵循“软件即仪器”的概念，将计算机资源、仪器测/控硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件进行有效结合，从而大大减少了仪器的硬件资源，并可以按照用户的需要定义仪器功能和结构，设计用户自己的仪器2。所以，在热电偶温度记录工作中，应用虚拟仪器技术可以提高工作效率，节约成本和提高准确性。因此如何能将热电偶温度测量记录及其技术有效的与LabVI

18、EW虚拟仪器相结合就成了温度测试领域的一个新课题，对测控技术的发展具有相当积极的意义。1.2 虚拟仪器技术随着计算机技术、通信技术、微电子技术的高速发展，仪器测量技术也开始由传统仪器向计算机化方向迈进。20世纪80年代中期，美国国家仪器公司（National Instrument简称NI）首先提出了“软件就是仪器”这一虚拟仪器简称概念，并随之推出第一批实用成果。这一创新使得用户能够根据自己的需要定义仪器功能，而不像传统仪器那样受到厂商的限制。虚拟仪器的出现彻底改变了传统的仪器观念，开辟了测控技术的新纪元。 1.2.1 虚拟仪器的概念所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计等同常规仪器的

19、各种功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析处理和显示功能。虚拟仪器技术强调软件在测控系统中的重要的地位，但也并不排斥测试硬件平台的重要性。虚拟仪器测控系统通过信号采集设备和调理设备将计算机硬件和被测量硬件连接起来，再通过软件取代常规仪器硬件，将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件来实现对数据的显示、存储以及分析处理3。1.2.2虚拟仪器的结构虚拟仪器由硬件和软件两部分组成3。

20、虚拟仪器的硬件主体是电子计算机，通常是个人计算机，也可以是任何通用电子计算机。为计算机配置的电子测量仪器硬件模块是各种传感器、信号调理器、模拟/数字转换器(ADC)、数字/模拟转换器(DAC)、数据采集卡(DAQ)等。电子计算机及其配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。虚拟仪器还可以选配开发厂家提供的系统硬件模块，组成更为完善的硬件平台。按照测控功能硬件的不同，VI可分为GPIB、VXI、PXI和DAQ四种标准体系结构。（1）GPIB（General purpose Interface Bus）通用接口总线，是计算机和仪器间的标准通讯协议。GPIB的硬件规格和软件协议己纳

21、入国际工业标准IEEE488.1和IEEE 488.2。它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配置了遵循IEEE 488的GPIB接口。典型的GPIB测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器。GPIB仪器覆盖了从比较便宜的到非常昂贵的仪器。但是GPIB的数据传输速度一般低于500kb/s，不大适合于对系统速度要求较高的应用。（2）VXI（VMEbusExtensionforinstrumentation）即VME总线在仪器领域的扩展，是1987年在VME总线、Euro card标准(机械结构标准)和IEEE 488等标准的基础上，由主要仪器制造商共同制订的开放性仪器总线标准。

22、VXI系统最多可包含256个装置，主要由主机箱、“0槽”控制器、具有多种功能的模块仪器、驱动软件和系统应用软件等组成。系统中各功能模块可随意更换，即插即用，可随意组成新系统。VXI的价格相对较高，适合于尖端的测试领域。（3）PXI （PCI extension for Instrumentation）PCI在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是Compact PCI结构和Microsoft Windows软件。（4）DAQ （Data Acquisition）数据采集，指的是基于计算机标准总线（如ISA、PCI、PC/104等）的内置功能插卡

23、。它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用DAQ可方便快速地组建基于计算机的仪器（Computer-Based Instruments），实现“一机多型”和“一机多用”。1.2.3虚拟仪器的技术优势虚拟仪器的国内外发展呈现两条主线：一是GPIBVXIPXI总线方式,二是PC插卡式LPT并行口式串口USB方式IEEE标准的1394口方式。美国NI公司开发的LabVIEW和中国COINV开发的DASP虚拟仪器平台是国内外具有代表性的两个平台，其软件各有特点，互相不能替代、功能互补。LabVIEW平台是一个在国内外具有相当影响和大量用户的虚拟仪器开发平台，它对于一般仪器

24、的开发商、学校仪器制造专业的教学以及一些特殊的用户是适宜的，但由于它是用于虚拟仪器二次开发的软件，而非可最终直接使用的仪器，这对大量的一般直接用户即只想用虚拟仪器马上直接测试分析试验结果的用户，有不方便的地方，也有局限性。DASP平台它是直接面向最终用户的虚拟仪器库，直接可以使用，不需要再进行编程加工，用起来非常的快捷方便，精度又很高，用户拿起来就可直接使用，但对于专业仪器开发商或者仪器行业自己需开发虚拟仪器的用户，有一定的局限性。和常规仪器技术相比，NI虚拟仪器技术有四大优势4：（1）性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全继承了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优

25、点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。（2）扩展性强NI的软硬件工具使得工程师和科学家们不再受硬件仪器的限制。这些都得益于NI软件的灵活性，我们要做的只是更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进自己的系统。在利用最新科技的时候，还可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品的设计时间。（3）开发时间少在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构

26、架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使用户轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。（4）无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。NI的虚拟仪器软件平台为所有的IO设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。1.3 热电偶温度记录仪热电偶测温的基本原理是基于金属导体的热电效应。两种不同的导体或半导体A，B构成闭合回路，如图1.1所示。当两端温度不同，在闭

27、合回路中就会产生热电势，这种现象就称为热电效应。 图 1.1 热电偶测温原理图工艺上比较成熟是标准化热电偶，其能批量生产、性能稳定、应用广泛而且具有统一的分度表，并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。国际电工委员会（IEC）共推荐了8种标准化热电偶，标准化热电偶的名称，分度号，测量范围，精确度等级及允许偏差如表1.1所示。表1.1 标准化热电偶分度表5 热电偶名称分度号热电偶识别E(100,0)（mV）测温范围（）对分度表允许偏差（）新极性识别长期短期等级使用温度允差铂铑10-铂S正亮白硬0.646013001600III6001.5负亮白软6000

28、.25%t铂铑13-铂R正较硬0.647013001600II11000.25%t铂铑30-铂B正较硬0.33016001800III6009004负稍软8000.5%t镍铬-镍硅K正不亲磁4.096012001300II-4013002.5负稍亲磁III-200-402.5镍铬硅-镍硅N正不亲磁2.774-20012001300I-401100-1.5负稍亲磁II-4013002.5镍铬-康铜E正暗绿6.319-200760850II409002.5负亮黄III-200402.5铜-康铜T正红色4.279-200350400II-403501负银白色III-200401铁-康铜J正亲磁5.2

29、69-200600750II-407502.5负不亲磁非标准化热电偶的发展很快，主要目的是进一步扩展高温的测量范围和低温的测量范围。但对这一类热电偶的研究还不够成熟，虽然已经有产品，且能够使用，但还没有统一的分度表。1.3.1 热电偶的发展现状热电偶由两种不同金属或合金组成闭合回路。它们的一端通常焊接在一起形成接点，称为测量端(工作端或热端)。而另一端置于被测温场中其参考端恒定在某一温度下(通常为0)，然后通过连接导线与测量仪表相连6。由于热电偶两端所处的温度不同，在热电偶中就有电动势产生用测量仪表测得电动势的数值后，便可间接知道相应的温度或者直接由测量仪表指示出温度。热电偶作为测温元件，其结

30、构简单、制造容易、使用方便、测温精度较高，可就地测量和远传。在工作时，只要与显示仪表配合即可测量气体、液体、固体的温度。热电偶可以用来测量-2001600范围内的温度，有些热电偶甚至可测量2000以上温度。所以热电偶是使用最广泛的测温元件之一。通过热电偶冷端补偿进行温度测量是一种传统、有效的方法，广大技术工作人员在实际的测量检测中已经积累了较多的经验7。然而广泛应用于工业和科研中的热电偶传感器。由于受到测量环境、介质气氛、使用温度以及绝缘材料和保护套管材料玷污等情况的影响，使用一段时间后，其热电特性会发生变化。当热电特性变化超过规定的范围时，热电偶指示的温度便会失真，测温误差越来越大8。除此之

31、外由于热电偶热电势和温度之间的非线性以及冷端温度的不稳定，影响了测温精度。传统的冷端及非线性补偿方法主要有以下两种:一是基于硬件的补偿，但补偿电路复杂，成本较高，精度不够；二是基于软件的补偿，通过微机进行拟合或插值实现修正，普通的软件补偿对工作人员编程能力要求较高，计算量大，实时性不是很好。因此，传统补偿方法在很多场合已经不能适应现代测温的要求9。1.3.2 热电偶的发展趋势国内外的许多研究机构和制造商,根据工业过程自动化的检测和控制要求,不断设计和制造出许多新的热电偶、热电阻,目前的发展趋势大致如下。（1）产品结构铠装化铠装热电偶与热电阻具有寿命长、可弯曲、热响应时间小、耐震动等的优点,倍受

32、用户的青睐。它也将逐步地代替过去用绝缘瓷珠穿丝的装配结构型式10。（2）产品结构安装套管化由于热电偶与热电阻检测元件实现了铠装化,因此可以做到整机与套管分离成两部分,用户可以预先将套管安装在工业过程设备上,热电偶或热电阻可以在不停机情况下安装或拆卸,设备中的介质不会泄漏,既可靠又安全10。（3）检测、信号转换和现场显示一体化随着电子产品小型化,原来作为直流420mA或15V标准信号传输的热电偶或热电阻系列的温度变送器(实际上应该叫信号转换器)也已小型化,可以安装在现场的热电偶或热电阻接线盒内与热电偶或热电阻成为一体。对于热电偶来说只需用两根普通导线连接而不必使用较为昂贵的补偿导线；对于热电阻来

33、说不必再使用三根导线检测。信号转换和显示成为一体的带转换器和带显示的热电偶与热电阻则可满足现场显示需要10。近年来,现场总线已广泛应用于许多自动化控制领域,带智能型转换器的热电偶与热电阻也已面世。它采用二线制420mA或数字化输出,通过手持终端操作器接在420mA任意位置,实现数字信号通讯的现场或远距离重调。它还具有PID的控制功能。在这种情况下,420mA作为控制输出,过程变量是测量的温度值,设置则可由操作者直接或使用一个可组态的设置操作器来调整,其输出信号可接到执行单元；同时信号的数字部分提供过程变量、输出、设置和其他转换参数或PID参数。1.4 本章小结温度是表征设备状态的重要物理量，也

34、是传热学中进行分析计算的重要参数，温度采集及记录是工业应用与教学实验中经常遇到的问题。为了解决上述这些问题，早期仪器仪表的开发者采用了有纸记录仪，随着计算机的普及和广泛应用，无纸温度记录仪产生，并因为其更准确地数据记录、更方便的数据存储、更便捷的数据分析功能，所占市场份额逐年猛增。进入21世纪以来，随着计算机技术、通信技术、微电子技术的高速发展，仪器测量技术也开始由传统仪器向计算机化方向迈进。和常规仪器技术相比，虚拟仪器技术有四大优势：性能高、扩展性强、开发时间少、无缝集成。例如利用LabVIEW，可以产生独立运行的可执行文件。它遵循“软件即仪器”的概念，将计算机资源、仪器测/控硬件和用于数据

35、分析、过程通信及图形用户界面的软件进行有效结合，从而大大减少了仪器的硬件资源，并可以按照用户的需要定义仪器功能、结构，设计用户自己的仪器。这一创新使得用户能够根据自己的需要定义仪器功能，而不像传统仪器那样受到厂商的限制。虚拟仪器的出现彻底改变了传统的仪器观念，开辟了测控技术的新纪元。因此在热电偶温度记录工作中，如何能将热电偶温度采集记录技术有效的与LabVIEW虚拟仪器相结合就成了温度采集及记录领域的一个新课题，对测控技术的发展具有相当积极的意义。第二章 热电偶温度记录仪方案选择与设计2.1 常用设计方案在资料收集及整理的过程中，目前只有以下三种方案在实际应运中使用比较普遍。下面进行简要介绍，

36、以便比较选择。2.1.1 基于单片机的温度记录仪设计虚拟仪器图形温度记录仪的主要思想是：以AT89C51为中心，通过温度传感器DS18B20测试环境温度，单片机读入温度值后通过MX232传给上位机，然后上位机对接受到的数据进行分析并把分析的结果以图形方式显示出来11 121314。本系统的基本结构如图2.1所示：图2.1 系统基本结构图DS18B20是一线式数字温度传感器。它将地址、数据线和控制线组合为一根双向串行传输数据的信号线，允许在这根信号线上挂接多个DS18B20；因此，单片机只需通过一根I/O线就可以与多个DS18B20通信。MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电

37、压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。AT89C51出厂所配晶振频率为11.0592MH，每个机器周期为1.085us，用户可更换晶振以提高速度。2.1.2 基于DSP的嵌入式温度记录仪DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。

38、它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。该系统设计主要包含DS28EA00测温、USB接口、SD卡接口、外扩RAM、TMS320F2812数字信号处理等模块15。其中，TMS320F2812控制温度计DS28EA00顺序采集各测量点温度，经处理后暂存至外扩RAM，当满足特定条件后，通过USB接口将数据以文件形式存储到U盘或SD卡中，系统设计框图如图2.2所示。图2.2 DSP 的嵌入式温度记录仪系统框图2.1.3 基于虚拟仪器的温度记录仪温度传感器采集被测物温度信号并将其转化为电压信号，经信号调理电路信号放大器放大，滤波电路滤波后输入到数据采集卡，转换为数字信号传给计算机系统

39、，再应运LabVIEW程序对数据采集卡的数据进行处理，在计算机上完成数据的记录显示等功能。系统框图如图2.3所示：图 2.3 热电偶温度记录系统框图正如在第一章中所述，以LabVIEW 为代表的图形化语言，又称为G语言。他和常规仪器技术相比之下有，无缝集成、开发时间少、扩展性强、性能高等优点。在计算机系统中的软件设计中，用户还可以根据自己的需要定义仪器的功能，设计出符合自己要求的仪器仪表来。这样的虚拟仪器开发周期短，效率高，而且成本也低的多。2.2 方案比较与选择从基于单片机的温度记录仪设计方案中可以看出，从传感器到CPU还有许多环节需要系统设计者来设计，过程繁琐、调试期长、修改不方便，而本文

40、借助LabVIEW图形化软件开发系统，用软件代替DAQ数据采集卡设计的这种虚拟温度采集系统，比以前的更易修改且成本低、而且周期也短16从基于DSP的嵌入式温度记录仪设计方案中，可以看出它虽然有它的强大数据处理能力和高运行速度，但是与基于虚拟仪器的温度记录仪的设计相比较来看，还是有很多的不足之处。DSP这种独特的微处理器，具有相对复杂的编程而且指令程序也相对复杂。虚拟仪器的设计中，硬件要求很低，成本低廉，程序为图形化语言，编程容易。这样，在仪器仪表的设计中，就可以省不少开发时间和不必要的浪费。除此之外，基于虚拟仪器的温度记录仪的设计中，用户还可以根据自己的需要定义仪器的功能，设计出符合自己要求的

41、仪器仪表来。这样的虚拟仪器开发周期短，效率高。综上所述，在本设计中采用第三种方案，即采用虚拟仪器实现热电偶温度的记录。第三章 基于虚拟仪器的热电偶温度记录仪的硬件设计虚拟仪器测温系统是用虚拟仪器技术改造传统的测温仪，使其具有更强大的功能。本设计中系统框图如图3.1所示，系统通过前端感温装置热电偶传感元件，将被测对象的温度转换为电压模拟信号，经信号调理电路进行功率放大、滤波等处理后，变换为可被PCI6221数据采集卡采集的标准电压信号。在数据采集卡内将模拟信号转换为数字信号。并在数据采集指令下将其送入计算机总线，在PC机内利用已经安装的虚拟仪器软件对采集的数据进行所需的各种处理。图3.1 虚拟热

42、电偶温度测量框图在上述虚拟热电偶温度测量框图3.1中，集成温度传感器AD590测量实时环境温度实现冷端补偿。AD590是由美国模拟器件公司(AD)生产的恒流源式模拟集成温度传感器，其产生的电流与绝对温度成正比,它可使用的工作电压为4V30V,检测的温度范围为-55+150,它有非常好的线性输出性能,温度每增加1,其电流增加1A17。它兼有集成恒流源和集成温度传感器的特点，测量误差小、体积小、微功耗，适合远距离测温，不需要进行非线性校正。通过取样电阻将电流信号转换为电压信号，经放大后，由数据采集卡采集进入PC18。温度由热电偶从热端进行采集，经过信号处理后，将数据送入数据采集卡。冷端补偿由AD5

43、90实现，由于其输出的信号是电流信号，需要转化成电压信号并将该电压信号按电压与温度线性关系送到虚拟仪器中完成温度补偿，这部分在虚拟仪器中实现。AD590测量实时环境温度进行温度补偿后此时LabVIEW环境下，经过程序模拟仪器，就可以在计算机中显示出热端测量到的实际温度值。 3.1热电偶温度记录仪调理电路由图3.1可以看到，虚拟热电偶温度记录仪的硬件实现是有冷端温度补偿电路和信号调理电路两部分组成。下面将分别介绍。3.1.1 冷端补偿调理电路此温度测量系统以热电偶中间温度定律为基础理论依据。在热电偶冷热端电势关系中，有如下公式26：其中，t为实测温度；t0为基准温度；，t1为冷端温度；为了便于热

44、电偶分度表查询计算，我们取基准温度t0为0，则以上公式可化简为：为冷端温度为0时，热电偶电势输出；为冷端温度为t1时，热电偶电势输出；为冷端补偿电势。上式中可以直接从热电偶输出中检测到，只要获取冷端温度t1，就可以由分度表换算出，进而求出。完成了冷端电势补偿，并通过分度表可换算出实测温度t。图3.2 冷端补偿电路根据上述介绍的原理（如图3.2）设计中选择使用AD590完成的采集，其是由美国模拟器件公司生产的恒流源式模拟集成温度传感器，其产生的电流与绝对温度成正比,它可使用的工作电压为4V30V，检测的温度范围为-55+150，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1，其电流增加1A27。由于AD

45、590输出是电流值，所以需要进行转换。而环境温度变化一般在050之间，AD590的输出电流在273.2A323.2A之间变化。若选取标准电阻为1k，冷端输出电压在273.2mV323.2mV间，温度每变化1，输出电压变化1mV。选用在0时的输出电流值为273.2A的AD590，则只需将采集后的电压在程序中转换为毫伏后减去273.2不需要查询分都表便可实现电压到温度的转换。使用热电偶温度转换模块即可以在程序中实现。3.1.2信号调理电路硬件系统由前端感温装置(温度传感器)、数据采集卡、PC机系统等组成主要实现温度信号采集、转化、处理等功能。本系统前端测温装置采用热电偶。电路输出电压与温度成正比。

46、传感器通常输出的信号较小而且会带有噪声，必须采用合适的信号调理电路进行信号放大和在程序滤波，尽量减小量化误差。图3.3硬件调理电路图如图3.3所示，调理电路由左往右依次由热电偶、电压跟随器和放大器组成21。（1）电压跟随器的参数设置22：在图3.3中，U1A是电压跟随器。电压跟随器顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。其显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。 在设计中，电压跟随器作为缓冲级及隔离级。因为，前级的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，

47、如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。电压跟随器的另外一个作用就是隔离，关于负反馈的争议已经很久了，其实，如果真的没有负反馈的作用，相信绝大多数的放大电路是不能很好的工作的。但是由于引入了大环路负反馈电路，反电动势就会通过反馈电路，与输入信号叠加。造成信号模糊，清晰度下降，所以，有一部分功放的末级采用了无大环路负反馈的电路，试图通过断开负反馈回路来消除大环路负反馈的带来的弊端。但是，由于放大器的末级的工作电流变化很大，其失真度很难保证。在这里，电压跟随器的作用正好达到应用，把电路置于前级和功放之

48、间，可以切断反电动势对前级的干扰作用，使音质的清晰度得到大幅度提高。（2）放大器LM324的参数设置23：在图3.3中，U1B与U1C分别是一级放大器和二级放大器。经过查询热电偶分度表，在测量1300的时候，B型热电偶输出最小为7.8mV，E型热电偶输出最大为76mV。所以为了保证八个通道温度采集的精度，将毫伏级热电偶的电压信号放大100倍，使热电偶的输出电压范围在0V8V之间，这也在是PCI6221板卡的输入电压范围之内。这里用到的LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏

49、的电源下。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。LM324的特点：短跑保护输出、差动输入级、可单电源工作：3V32V、低偏置电流：最大100nA、每封装含四个运算放大器、具有内部补偿的功能、共模范围扩展到负电源、行业标准的引脚排列、输入端具有静电保护功能。LM324的引脚见图3.4所示。图3.4 LM324引脚图LM324采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，

50、Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。 这里选用LM324来实现电压信号放大功能。现在根据电路知识将本放大器的参数计算如下：在一级放大U1B中： 在二级放大U1C中： ， 这样，经过一级二级放大器的叠加后就可以将热电偶的输出信号放大100倍，将输入信号的电压值控制在08V之间。3.1.3 PCI6221数据采集卡设置PCI6221是一种低廉的M系列数据采集卡，在计算机上使用的板卡。它可以采集模拟信号，数字信号，拥有定时器的功能，同时还具有模拟输出的功能，该数据采集卡具有高性能的数据采集与控制

51、功能。对于采集卡的设置包括，数据采集卡的通道设置、被测信号的输入方式和被测信号的输入范围设置；设计中主要使用的是该采集卡的模拟输入与模拟输出的功能。PCI 6221数据采集卡具有十六个模拟输入通道，两个模拟输出通道。十六个模拟输入通道ai0ai15，其内部模数转换器是16Bit逐步逼近式，可以将其设定为十六个单端信号输入方式或八个差动信号输入方式。该卡具有三种不同的模拟输入模式：单端有参考地输入(RSE)，单端无参考地输入(NRSE)，差分输入(DIFF)。这里设置的是RSE输入模式。PCI6221的模拟输入还可以选择单极性或双极性。选择单极性，输入电压范围为0V10V；选择双极性，输入电压范

52、围为-5V+5VV。这里设置模拟输入为单极性。两个模拟输出通道ao0和aol，可以设置模拟输出通道为单极性或双极性输出。单极性输出范围为0V10V；双极性输出范围为-5V+5V。设计中设置的模拟输出为双极性。ao0对应模拟输出通道0，aol对应模拟输出通道1。AGND是这两个模拟输出端的参考地28。在本设计中，需要将热电偶的电压信号输入板卡，为虚拟热电偶温度记录仪输入数据信号。由于硬件限制，没有实际的热电偶经过信号调理电路向板卡送出数据，只能使用板卡的两个输出端ao0和aol模拟输入信号输入到板卡的两个输入端。以自发自收的形式，模拟出八通道温度记录仪的中的两个通道。将板卡ao0和aol两个输出

53、端分别与ai0与ai1两个输入端用导线相连接，将两个地端相连接。本设计中，计算机对板卡的具体设置如下：由图3.5可见，在Measurement & Automation Measurement & Automation板卡驱动软件的目录下：依次打开my systemdate neighborhoodni-daqmx taskmyvoltageouttask.在工具栏内的test signal type选择波形。在configuration中将out0与out1的voltage output setup分别设置为273.2mV323.2mV和0V8V。在ceneration mode中选择con

54、tinuous。到此，设置完毕。点击最上边的run按键。图3.5 板卡设置到此板卡便可为虚拟热电偶温度记录仪的程序提供采集到的热电偶模拟信号数据。3.2 本章小结软件的设计是建立在一定的硬件基础之上的，本设计中程序对数据的处理需要硬件为其输入符合要求的电压信号。当温度变化时，热电偶在冷热两端形成电势差，经电压跟随器保持后，经过LM324进行放大，输出一个正向、与温度变化大小成正比的08V的线性电压信号。调试电路将输出的这个电压信号送入数据采集卡的输入端口ai0ai8，转化为数字信号再输PC机进行数据处理。在温度补偿方面，AD590将采集到的符合温度每变化1，输出电压变化1mV的信号送入到板卡，

55、通过软件实现温度补偿。最终实现温度的采集、记录、查询等功能。到此硬件便可以通过PCI6221板卡为虚拟仪器输送合法的信号数据了。第四章 基于虚拟仪器的热电偶温度记录仪的软件设计根据所要实现的如温度显示、记录、报警、查询功能要求，在本设计中的软件程序设计里我将不同的功能按照不同的模块分别进行了模块化编程。设计结构图如图4.1。图4.1 热电偶温度记录仪的软件设计结构图4.1软件前面板设计前面板（用户界面）是虚拟仪器的重要组成部分，仪器参数的设置、测试结果显示等功能都是通过软件实现，因此要求软件界面简单直接，便于使用。本系统采用LabVIEW8.5软件设计了前面板。该界面可以通过用户登陆端（如图4

56、.2）显示温度采集（如图4.3）、温度记录（如图4.4）、温度查询（如图4.5）三部分前面板。（一）用户登陆前面板在程序使用过程中，为了防止非相关工作人员修改程序而导致本虚拟热电偶温度记录仪的瘫痪，需要为使用本虚拟仪器的相关技术人员设置使用权限，如图4.2所示。图4.2 用户登陆端前面板设计在图4.2用户登陆端的设计中，实现了对软件程序和数据库数据的有效保护。在图中，可以看到用户在使用虚拟热电偶温度记录仪之前，必须登陆系统。在首次使用的时候，系统会自动生成一个管理员用户Admin将密码设置为123456并对用户进行提示。除此之外，为了更多用户的同时使用，还可以添加用户到系统。在使用管理员用户名

57、登陆admin后，系统会自动跳转到上次最后使用的操作界面。（2）温度采集前面板在温度采集程序设计中，实现了八通道的选择及对每个通道进行的S、R、B、K、B、E、T、J这八种标准热电偶的选择并在示波器中显示所采集到的实时数据波形，如图4.3所示。图4.3温度采集前面板设计在图4.3温度采集前面板设计中，实现了对八通道的选择及对热电偶的选择。在程序运行之前，有必要对程序运行环境进行初始化设置。因为，程序使用到了Access数据库对数据的存储及查询，需要为数据库指定系统DNS数据源,并为其设置驱动程序，指定数据库路径。这部分内容将在数据库查询部分进行详细讲述。在数据库精度设置的对话框里，可以为数据库

58、设定输入数据的精度。在初始化设置结束后们就可以启动程序，并点击采集按钮，程序开始运行，为指定的通道进行数据的实时显示，记录，及报警的功能。（3）温度记录报警前面板在温度记录报警的程序设计中，实现了对八个通道的数据实时监测，及报警设置记录功能，经板卡采集并转换得到的电压波形的变化，同时将标定后得到的温度值分别用波形和温度计两种方式显示出来，适应不同用户的需求，通过布尔量开关设置超限报警指示，如图4.4所示。图4.4 温度记录前面板设计在图4.4温度记录前面板设计中，此部分为八通道温度实时显示部分，具有报警记录的功能。八个通道的开关均在虚拟热电偶温度采集控制部分的前面板上如图3.7，开关打开，在这

59、里可以看到对应通道数据采集的过程，还可以看到数据的波形及实际温度值。在这里可以设定温度上下限报警的温度值并且记录报警的次数。当对应通道的开关闭合的时候，这里对应的通道报警次数，实时温度均会重新清零。（4）温度查询前面板在温度查询程序设计中方，系统在温度采集的过程中，将采集到的数据于后台完成了记录。这里实现的功能主要是在采集状态下，根据用户的需要，按时间查询出对应时间下的每个通道的温度数据，如图4.5所示。图4.5 温度查询前面板设计在图4.5温度查询前面板设计中，需要在Access数据库wdcj中的表名为wdjlb（以通道1为例）字段名为编号的字段设定为主键。除此之外还需要计算机上安装有Mic

60、rosoft Access软件。将本程序下载到本地计算机后，需要建立与用户信息.mdb的ODBC连接。建立方法：进入开始菜单控制面板管理工具数据源（ODBC），建立一个新的系统DSN并将名称填写到上面系统DNS名对话框内：选择AddMicrosoft Access Driver (*.mdb)，数据源名称为wdjlb，数据库选择wdcj.mdb。点击OK完成设置。设置完成之后就可以在温度查询前面板中查询用户需要的温度数据信息。4.2 主程序框图设计LabVIEW的源程序为框图式的，且提供了非常丰富的库函数，从数据采集到仪器控制，从信号产生到信号处理，从数据分析到图形显示，从文件读写到网络通信，

61、多种多样，大大提高了用户编程的效率，减轻了编程工作量。在本设计中，采用模块化设计，并由用户登陆、数据库访问、通道选择、数据采集、线性化、温度报警、数据库写入和数据库查询模块组成了虚拟热电偶温度记录仪的整个程序。在程序框图（见附录）中，各功能实现也都比较简单，在程序开发环境界面上右击鼠标在函数中都可以找到想要的模块。由于设计中体现了八通道的设计思路，有很多程序是重复的，所以我把部分程序编辑成为了子VI，在程序中反复调用。具体方法和源程序代码将在下文做详细介绍。4.2.1用户登录模块程序设计为了实现对软件程序和数据库数据的有效保护，设计了用户登陆模块。模块的作用可以使软件的前面板在不登陆的情况下隐

62、藏在选项卡，在登陆的前提下就可以自动跳转到软件的操作界面。在登陆后还可以对对用户进行用户添加，密码修改等管理。实现的具体编程思路如图4.6、4.7、4.8、4.9。用户登陆程序设计思路如图4.6所示。图4.6用户登陆图4.6中采用了用户登陆子VI即user login图标，当用户名输入的时候程序先通过数据库访问子VI检查数据库里的用户数据是否为空，倘若为空，将一个真值送入条件结构，在条件结构中通过数据库访问子VI将一个用户名为Admin，密码为123456的数据写入到对应的数据库，并通过单按钮对话框提示用户相关信息。倘若数据库里的用户数据不为为空，就将一个假值送入条件结构，在条件结构中通过数据库查询子VI查询数据库对应用户下的密码，并与输入的密码进行比对，如果相等用户登陆成功，不相等则通过单按钮对话框提示用户密码出错。当用户名与密码一致的时候，用户登陆子VI向条件结构送入一个真，此时将名字为数据显示2的选项板打开，并允许使用用户管理，添加用户和修改密码。倘若用户登陆子VI向条件结构送一个假，则事件结构停止运行。为了密码的安全，需要修改用户的密码，此部分的设计思路如图4.7所示。