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基于LabVIEW的温度测量系统设计
作者：姜 平 冯 雪 方 亮 来源：《硅谷》2009年第21期
[摘要]设计一个基于虚拟仪器技术的温度测量系统,采用上下位机的结构,软件开发分别采用LabVIEW和汇编语言。详细介绍温度检测、放大、A/D转换等电路的设计,通过对热电偶的非线性进行补偿,实现电阻炉温度的较精确测量,利用LabVIEW的强大功能对温度数据进行实时处理和显示。该系统有很强的实用价值。 [关键词]虚拟仪器单片机数据采集LabVIEW
中图分类号:TN98文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1110025-02 一、引言
在工业生产中,往往需要比较精确的炉温测量,影响测量精度的因素很多,对传感器的非线性补偿,实现精确标定是关键所在。在工业应用中,目前的加热炉温度多采用单片机测量,数据处理困难。本文采用PC机、单片机模块和热电偶等核心硬件,以LabVIEW作为上位机监控软件平台,利用LabVIEW强大功能对传感器的非线性进行补偿,数据滤波等处理,从而实现温度的较精确测量和快速开发显示界面。
二、系统组成与工作过程
系统采用上下位机和串口通信组成虚拟仪器结构的温度测量系统。硬件方案如图1所示: 下位机部分:采用热电偶传感器将温度转换为电信号,通过信号调理及放大电路经过处理以后,输出的电压信号经光隔送到A/D转换后进入单片机,再通过串口进入上位机进行处理,上位机处理后的以图形曲线,数值显示。
上位机部分:采用PC机,接收下位机采集到的数据,利用LabVIEW强大功能,设计人机界面进行温度设定、显示、报警,以及滤波和非线性补偿计算等。
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三、系统硬件设计
(一)模拟输入单元电路设计
主要考虑K型热电偶热电势较大,高温下能长期使用,故采用K型热电偶。而K型热电偶(镍铬一镍硅)需要冷结点补偿,故采用芯片AD595提供调理和电压增益,它已将仪表放大器和热电偶冷接点补偿集成在单一芯片上,匹配很好。系统中当热电偶断开时LED亮,作为故障显示。因不需测量零下温度,不用负电源。电路可以在冷端补偿引脚附加电阻来对热电偶(包括其它类型)进行重新校准。另外,还增加了一级测量放大器AD623,具有非常高的输入阻抗和低的输出阻抗,电路匹配容易。
为防止外部噪声和高共模电压的对测量回路的损坏,选用了隔离器件IS0124。它采用了新颖的调制解调技术,性能较好,增益误差小于士0.5%。调理电路见图2,图中Input为热电偶输入,通过可变电阻RP输出后进入A/D转换。
(二)数字单元电路设计
考虑普及性与成本,单片机用AT89C51,A/D转换选用ADC0809,可测8路温度。它与单片机的硬件接口在本系统中采用了中断的方式。主要电路如图3所示。
图中,利用单片机地址锁存信号ALE提供时钟,同时,锁存地址的低三位与ADC0809地址引脚A,B,C相连,选通INO～IN7中的一个模拟输入通道。将地址P2.7作为控制信号,由单片机的写信号WR和P2.7控制ADC0809的地址锁存并同时启动转换。转换结束后EOC引起AT89C51中断。在中断程序中,单片机通过读信号RD和P2.7经一级或非门后,输入0809的ENABLE端,将此时出现在0809数据线上的转换结果数据读入。
另外,本设计利用单片机串口通过MAX232进行电平转换后与PC机进行串行异步通信,具有硬件电气连接简单,成本低,很普及,远距通信的特点。
四、系统软件设计
(一)单片机系统软件组成及工作过程
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本系统下位机程序用汇编语言编写,它主要完成对温度数据的读取以及同上位机的串口通讯。分为四个程序模块:主程序、串口中断程序、A/D转换结束中断服务程序、定时启动A/D中断服务程序。
上电复位后,单片机首先进行系统初始化,重点是初始化串口,使具有高中断优先级。之后等待串口中断,接收命令。由于温度数据率低,采取集中小批量上传的方式。命令主要有采样频率变更、上传数据、测量开始结束等。主程序判断若是开始测量或采样频率变更命令,则根据采样频率确定定时器时间常数,初始化并启动T0,若是上传数据命令,则转换为ASCII后上传发送。在T0中断服务程序中启动A/D转换。在INT0中断服务程序中将温度数据读到数据缓存区。在串口中断服务程序将接收命令转存到命令缓存单元。主程序流程图如图4所示。
(二)上位机LabVIEW软件设计
LabVIEW是一种基于图形化编程语言,简单直观。本文用Lab-VIEW8.2 编写。程序可划分为:数据显示存储模块、串口通信模块、数据滤波模块等。
数据显示模块能够直观地显示温度波形图,数据存储模块可以将测量得到的温度数据存储为Excel格式的文档。图5是将传感器远离热源的温度测试反应,两图分别为有无滤波的温度曲线。
串口通信模块包括Visa Configure Serial Port.VI,Visa Write.VI,
Visa Read.VI以及Visa Close.VI等。其功能是:实现串口的基本参数初始化设定,实现单片机与上位机之间的数据传输。本设计利用COM1口,波特率选用9.6kb/s,8位数据位,不进行奇偶校验,1位停止位。
数据处理模块功能主要是对输入数据滤波和温度修正等。修正的原理是将量程内若干均匀点温度误差进行曲线拟合得到温度修正曲线,再用它对整个量程温度进行修正补偿。分别通过调用Lab-VIEW8.2的滤波器子VI,曲线拟合子VI实现。通过设置其属性,可选择低通、FIR、Butterworth、滤波器阶数等滤波参数以及广义线性最小二乘估计或非线性模式等拟合参数即可实现上述功能。
五、结束语