基于LabVIEW的測溫系統設計

林 輝，郭艷珠

（西安鐵路職業技術學院 陜西 西安 710014）

溫度是機械工業生產和科學研究實驗中的一個非常重要的參數，許多系統的工作都是在一定的溫度范圍內進行的，需要測量溫度和控制溫度的場合及其廣泛。目前的溫度測量控制系統常采用單片機控制，該技術應用廣泛，但其編程復雜，控制不穩定，系統的精度不高。而利用虛擬儀器開發和設計的溫度測量系統，采用普通PC機為主機，利用圖形化可視軟件LabVIEW為軟件開發平臺，來監測溫度的變化情況，采集數據并進行處理、存儲、顯示等。設備成本低，使用方便、靈活[1]。

1 虛擬儀器技術與LabVIEW簡介

虛擬技術、計算機通信技術與網絡技術是信息技術的三大核心技術，其中虛擬儀器是虛擬技術的一個重要組成部分。在虛擬儀器系統中，用靈活、強大的計算機軟件代替傳統儀器的某些硬件，用人的智力資源代替許多物質資源，特別是在系統中應用計算機直接參與測試信號的產生和測量特征的解析，使儀器中的一些硬件甚至整件儀器從系統中“消失”，而由計算機的軟硬件資源來完成它們的功能[2]。

LabVIEW是美國NI公司推出的一種基于G語言的虛擬儀器軟件開發工具，是目前國際上應用最廣泛的虛擬儀器軟件平臺之一，主要應用于儀器控制、數據采集、數據顯示等領域，可應用于Windows、Macintosh、UNIX等多種操作系統平臺。與傳統程序語言不同，LabVIEW采用強大的圖形化語言編程，面向測試工程師而非專業程序員，編程方便，人機交互界面直觀、友好。設計者可以像搭積木一樣，輕松組建測量系統，構造自己的儀器面板，而無需進行任何煩瑣的計算機代碼的編寫[3]。即使用戶沒有多少編程經驗，同樣也能利用LabVIEW來開發自己的應用程序。

2 系統設計方案

虛擬溫度測試儀將被測對象的溫度轉換為電壓或電流等模擬信號，經信號調理電路進行功率放大、濾波等處理后，變換為可被數據采集卡采集的標準電壓信號。在數據采集卡內將模擬信號轉換為數字信號，并在數據采集指令下將其送入計算機總線，在PC機內利用已經安裝的虛擬儀器軟件對采集的數據進行所需的各種處理。其總體框架如圖1所示。

圖1虛擬溫度測試系統原理框圖Fig.1 Block diagram of virtual temperature test system

設計一個儀器，首先要考慮確定其功能，然后根據其功能確定需要設計前面板和程序框圖。在虛擬儀器中“儀器”的面板需要顯示在計算機屏幕上，根據需要可隨時進行修改，本文設計的虛擬溫度測試儀要實現如下功能[4]：1）設置控制按鈕和顯示窗口，實時顯示溫度大小，可以對采集過程加以控制；2）設置預警信號，當溫度超過某個預設的溫度值時，該警示燈變亮；3）可以對采集到的溫度信號進行顯示、存儲和打印，對采集到的溫度進行調用，以便分析處理和波形回放；4）以實時趨勢圖的形式直觀地看出溫度的變化過程，在實時趨勢圖中新數據連續擴展在已有數據的后面，波形連續向前推進。

2.1 傳感器的選擇

對溫度的測量而言，溫度傳感器的選擇是整個系統的第一步，也是直接影響系統性能的重要因素之一[5]。由于熱電阻線性度好，在-200～+500℃的溫度范圍內獲得廣泛應用，因此，選擇熱電阻溫度傳感器。其工作原理為：熱電阻測溫儀是根據金屬導體的電阻隨溫度變化的特征進行測溫的。常用的鉑電阻的特點是精度高，性能穩定可靠，被國際組織規定為-259～+500℃的溫度測量。其阻值與溫度的關系可以表示為：

式中RT，R0分別為T℃和 0℃時的電阻值；A，B為常數，A=3.908×10-3℃，B=5.802×10-7℃。

熱電阻傳感器需要外加電源將電阻值轉換為電壓值進行測量。通常通過平衡電橋將熱電阻溫度變化轉換為電壓的變化輸出。然后進行放大，通過測量電橋輸出電壓變化求得溫度值。

使用3根引線的熱電阻如圖2所示，其原理是：在使用平衡電橋對熱電阻Rt進行測量時由電阻體引出3根導線，1根的電阻與電源E串聯，不影響橋路的平衡，另外2根的電阻被分別置于電橋的兩臂內，它們隨環境溫度變化對電橋的影響可以大部分抵消。

圖2熱電阻傳感器原理圖Fig.2 Principle diagram of thermal resistance sensor

本文所測溫度變化范圍：-20～+120℃，精度要求0.5級。通過曲線擬合法對系統進行標定，即可求出測溫范圍內任一電壓對應的溫度。

2.2 溫度測試系統的信號調理

此溫度傳感器用溫度變送器進行信號調理，溫度變送器的工作原理是：采用熱電阻作為測溫元件，從測溫元件輸出的信號送到變送模塊，經過穩壓濾波、運算放大、非線性校正和反方向保護等處理電路，轉換為與溫度成線性關系的4～20 mA電流信號輸出，在信號輸出端加一個220 Ω的電阻轉換成0.88～4.4 V的電壓信號輸出。

2.3 溫度測試系統的數據采集

模塊化設計數據采集，數據采集模塊的設計對后續的數據顯示和分析結果以及整個系統功能的實現，具有直接影響，利用NI公司的DAQ（Data Acquisition）卡及其驅動程序設計這一模塊，充分利用集成的功能全面的DAQ函數庫和子VI，設計可以實現對數據采集的控制，包括觸發控制、通道控制等的數據采集模塊。

2.4 溫度測試系統的程序框圖

在進行溫度測試時，先確定哪個通道對溫度信號進行采集，然后對系統進行調試，調試好后開始數據采集及存儲和備份，當溫度超過用戶所設定的極限值時，溫度測試系統會報警提示，當溫度在允許的范圍內時，測試系統對所采集的信號進行濾波分析、波形顯示、波形調整[6]。程序設計包括前面板和程序框圖兩部分，系統前面板由參數設置和功能按鈕組成。在后臺有相應的程序模塊與之對應，每個程序模塊的運行狀態對應著一個循環結構，用戶利用前面板的按鈕或控件選擇狀態，運行程序后后臺執行其對應的狀態。同時在前臺對話框有供測試人員填寫參數或者選擇功能界面。為了便于后續人員按自己的要求進行小范圍的修改，后面板程序框圖也以直觀簡潔的方式進行設計。具體流程圖和程序框圖如圖3、圖4所示。

圖3系統流程圖Fig.3 Flow chart of system

圖4溫度測試系統的程序框圖Fig.4 Program diagram of temperature test system

圖4程序框圖中，case循環用來判斷是否執行溫度測試程序，選擇哪種濾波，判斷是否超限報警[7]。

3 結論

通過設置不同的前面板左邊的參數設置部分，包括溫度上下限設置和濾波設置，右邊為波形顯示部分，包括原始溫度波形顯示和調整后波形顯示以及圖形的局部細化、放大，還有指標值的數值顯示。得到如圖5所示的測量結果表明，該測量方法具有測量精度高、線性度好、時間短等優點。

圖5溫度測試系統的界面Fig.5 Interface diagram of temperature test system

利用LabVIEW軟件實現了虛擬溫度測量系統，它在計算機上可以實時顯示并實時控制溫度，改善了工作條件，提高了精度，節約了時間，降低了成本。該系統具有較強的拓展性，根據自身對儀器作用的要求自行改變功能，輕松實現用戶需要的操作，如實現對溫度遠程測控等。

[1]章蔚中，王穎.虛擬溫度測量系統設計[J].微計算機信息，2007，23（9）:159-160.ZHANG Wei-zhong，WANG Ying.The design of the temperature measurement system based on virtual instrument[J].Microcomputer Information，2007，23（9）：159-160.

[2]張毅，周紹磊，楊秀霞.虛擬儀器技術分析與應用[M].北京:機械工業出版社，2004.

[3]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.2程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007.

[4]李益平.基于虛擬儀器的液壓設備運行狀態在線監測系統研究[D].西安:西安建筑科技大學，2007.

[5]呂飛龍，陳照章，黃永紅.基于LabVIEW的虛擬儀器溫度監測系統的設計[J].微計算機信息，2007，23（1）：170-172.LV Fei-long，CHEN Zhao-zhang，HUANG Yong-hong.Lab-VIEW virtual instrument based on the temperature monitoring system [J].Microcomputer Information，2007，23 （1）：170-172.

[6]崔華，宋國鄉.基于小波閾值去噪方法的一種改進方案[J].測控技術，2005，1（3）：8-10.CUI Hua，SONG Guo-xiang.Based on wavelet thresholding de-noising method of an improvement program[J].Measurement&Control Technology，2005，1（3）：8-10.

[7]Gani A，Salami M J E．A LabVIEW based data acquisition system for vibration monitiring and analysis[J]．IEEE Design and Test of Computer，2002：62-65.