基于LabVIEW的溫度采集控制系統

摘 要：溫度采集控制系統在儀器測量和工業生產中一直都占據著重要的地位。本文研制了一款基于LabVIEW平臺的溫度采集控制系統，該溫度采集控制系統主要由上位機和下位機兩部分構成：下位機通過傳感器采集溫度信號，經單片機以串口通信的方式傳送給上位機；上位機采用的是生產者/消費者模式，借助于LabVIEW的開發平臺完成用戶操作界面，實現對溫度數據的實時采集、控制、處理、顯示和存儲功能。進行多次試驗后，證明該溫度采集控制系統能夠將薄板溫度控制在22℃ 至50 ℃之內，溫差控制在0.3 ℃范圍內。

關鍵詞：LabVIEW軟件；虛擬儀器；溫度采集

中圖分類號：TP202 文獻標識碼：A 文章編號：2095－414X（2023）02－0057－04

溫度參數在許多方面都有著重要的作用。如今溫度采集控制系統也被廣泛應用于小型工廠、農業大棚和蔬菜冷鏈等場所[1]。傳統溫度監測的方式大多是偏向硬件或采用C/C++語言編寫的程序，這些設計實現復雜，操作的可視性也不強。

隨著現代化和智能化的不斷推進，計算機技術得到飛速的發展，PC已經成為一種可靠、高效的運行平臺，虛擬儀器的思想也趨于成熟與完善，而LabVIEW是最常見的虛擬儀器工程平臺，也是工程師開發測量或控制系統的理想選擇之一[2]。LabVIEW是NI公司推出的一種圖形化模擬編程開發工具，更是實現了虛擬儀器與計算機仿真處理于一體，極大地解決了現場監控不利因素的干擾[3]。朱佳琳等[4]采用USB DAQ380G多功能數據采集卡、熱電偶、24 V直流開關電源以及溫度變送器，實現對環境溫度的實時采集、顯示和報警等功能；陳冠文等[5]利用LabVIEW直接可以將溫度、濕度數據以圖形化方式呈現；焦鍵[6]提出以單片機為下位機，并搭載LM35溫度傳感器進行現場溫度采集；陳進京等[7]利用51單片機將DS18B20溫度傳感器采集到的多個通道的溫度，通過串口發送給上位機；黨學立等[8]提出電容式土壤濕度傳感器采集土壤濕度，GPRS通信模塊遠程在線采集測量的數據。基于以上研究背景，這使得虛擬溫度采集控制系統的實現成為可能，并為后續實現開放環境下表征的新型織物保溫性能測試儀的研制打下基礎。

1總體設計

本文設計的溫度采集控制系統是基于LabVIEW平臺來實現的，整個系統分為下位機和上位機2部分。下位機由STM32C8T6 單片機、NTC 溫度傳感器和PID 溫度控制模塊來構成，上位機由裝有LabVIEW軟件平臺的PC機來實現。

下位機通過NTC 溫度傳感器采集得到溫度非電信號，多路NTC 溫度傳感器采集得到溫度非電信號，并轉換成電信號傳送到STM32C8T6單片機，單片機將處理后的溫度數值通過串口轉接USB遞至上位機中，通過LabVIEW上位機軟件顯示實時測試數據，從而實現檢測、采集溫度等功能。在溫度控制模塊中，單片機中的PID溫控電路根據 NTC 溫度傳感器采集的實時溫度數據來控制熱板加熱功率，使熱板溫度滿足設定閾值。

2下位機設計

2.1 STM32F103C8T6單片機

控制核心模塊主要由控制芯片STM32F103C8T6組成。STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M內核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲器容量是64KB，需要電壓2V-3.6V，工作溫度為-40℃-85℃[9]。作為溫度控制系統的核心，具有高嵌入式內存便于儲存數據與程序。最小電路結構由外圍晶振電路、電源電路，以及去耦電容、復位電路構成，配合拓展能實現較復雜的功能[10]。

2.2 NTC溫度傳感器

傳感器是將非電物理量信號如溫度、壓力、流量等轉換為電信號的器件，而溫度傳感器是指能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器，常用的溫度傳感器有熱電阻、熱電偶、熱敏電阻等[11]。熱電阻的測溫原理是基于導體或半導體的電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關的參數，其特點是電阻值隨著溫度升高而增大，測量時需要施加外部電源，最常見熱電阻為PT100型[12]。熱電45阻測溫精度較高，但測溫范圍較窄。在熱電偶傳感器中，兩種不同的金屬兩端連接構成連接點，溫度發生變化時，熱電效應產生毫伏級電壓信號。熱電偶主要局限是精度，誤差范圍通常大于0.1℃，因此不適宜用于精準測溫領域。

熱敏電阻主要是以過渡金屬的氧化物為原材料的熱敏半導體陶瓷組件，可分為NTC型和PTC型[13]。當電阻隨溫度上升而減少，稱為負溫度系數（NTC）熱敏電阻；電阻隨溫度上升而增加，稱為正溫度系數熱敏電阻（PTC）。熱敏電阻阻值隨著溫度變化改變的幅度比一般熱電阻大，反應更為靈敏。因此，在本溫度采集控制系統設計中，采用了MF-52B 漆包線型NTC熱敏電阻作為溫度傳感器。MF-52B型熱敏電阻溫度檢知采用貼片引線型。由于檢知部的引線細小，可以在狹小的空間傳感，柔韌性好，可自由安裝在測試熱板的任何地方。檢測頭部采用環氧樹脂涂裝，使其可應用于多種溫濕度環境下溫度檢測。NTC型熱敏電阻處于各電阻值時相應檢測溫度計算的經驗公式如下。

式中，R_T為溫度為T時電阻阻值，R_0為常溫時熱敏電阻阻值，B為材料常數，本溫度采集系統選用了B值為3950的NTC熱敏電阻。圖1給出了熱敏電阻在電路中的溫度檢測原理。當感知到溫度上升時，NTC電阻阻值下降，測量電路中對應的ADC采樣電壓減小，進而AD采樣值下降。將采樣AD值與對應表進行比較將自動轉化得到對應瞬時溫度值。

2.3 PID溫度控制模塊

熱板溫度控制數學模型為了精準模擬體表溫度，將熱板實際溫度控制在 37℃，下位機采用了更智能的PID溫度控制算法。PID 控制是基于熱板設定溫度值與實際溫度測量值之間的系統誤差，利用比例、積分、微分得到輸出量從而發出命令對控制對象——雙測試熱板表面溫度進行調節。在LabVIEW中，PID控制算法為：

式中：e為設定值與實際返回值的差值；K_P為比例系數；K_I為積分系數；K_D為微分系數。由于實際的需求，將微分項進行變動，由設定溫度與實際溫度的差值的微分改為相鄰兩次采樣點的差值的微分。這樣的微分項可以控制下面的回溫裝置。其中比例環節主要控制加熱系統中間斷加熱的開啟時間，經多次調整，當實際溫度與設定溫度相差6℃時開啟間斷加熱。微分環節在溫度下降時啟用，當溫度下降過快時啟用預熱模塊，減緩溫度下降趨勢。積分環節用來判斷系統的穩態，以及達到穩態的時間。

3 上位機設計

該溫度采集控制系統分為前面板顯示框架和程序結構框架。前面板也被稱作用戶界面，是VI的交互式用戶界面，包含旋鈕、按鈕、圖形以及其他控件和指示器，是直接面向用戶來進行人機對話或操作。程序結構框架也稱為流程圖，類似于文本編程中的程序代碼，而在這里是與前面板相互對應的圖形化代碼。程序結構框架用戶可以通過鍵盤和鼠標輸入，然后在屏幕上觀察程序運行結果。前面板框顯示被測對象的實時溫度，并顯示在波形圖表上，能夠方便用戶直觀觀察到溫度的變化。程序結構設計思想是：采用隊列先進先出的思想，一個隊列負責發送命令，另一個隊列負責執行命令。以下為程序流程設計圖（見圖2）：

3.1系統界面設計

軟件顯示界面，即LabVIEW程序的前面板在整個虛擬儀器中具有重要作用。對其進行參數設置、結果顯示等操作，均可借助編程方式實現。這就對系統界面提出較高要求，要求其必須具有簡單、 直觀、可操作性強等特性，方便用戶使用與控制。

溫度采集系統的前面板結構如下所示，包括溫度串口的設置，歷史溫度文件的存儲路徑，實時溫度的波形顯示等功能。當溫度串口和歷史文件存儲路徑參數都設置完畢后，點擊打開串口按鈕，系統將會開始采集溫度，并在波形圖表上顯示（見圖3）。

3.2系統程序框圖

本設計采用生產者/消費者設計模式，所謂生產者/消費者模式，即N個線程進行生產，同時N個線程進行消費，兩種角色通過內存緩沖區進行通信。如圖4所示，由于發送消息部分和處理消息部分位于不同的工作循環，相互獨立，因此不存在基本隊列消息處理器因處理消息耗時過長，而無法接收到新消息的問題。同時發送消息部分和處理消息部分位于不同工作循環，也解決了消息發送和處理之間耦合過密的問題。本溫度采集控制系統中設計了兩個while循環隊列，一個while循環體中負責向串口發送命令，另有一個while循環體去執行這些命令。從而實現溫度數據的采集、讀取和控制等功能。

3.3溫度模塊通訊模塊

在串口通信之前，必須對串口的參數進行設置，而且上位機和下位機的設置必須相同。這些參數主要包括串口通信的資源名稱、波特率、數據位、停止位、奇偶校驗位和流控制。MODBUS是一種標準的工業控制數據交換協議，可以用RTU和ASCII兩種方式進行協議數據的互傳，RTU是通過二進制數據方式直接傳送數據，而TCP是通過將每字節二進制數據轉換為固定兩位十六進制字符串，再依次串聯在一起，以TCP碼形式進行數據傳送，一般用得最多的還是RTU方式。在安裝了DSC擴展包后，在LabVIEW下實現Modbus通訊最方便的方法是采用Modbus模塊。這時只需要選擇相應的命令模塊即可實現通訊與命令，而不需要自行寫入相應的字符串命令。采用Modbus模塊時，可方便地在RTU和TCP兩種協議中轉換，根據需要選擇不同協議。該溫度采集控制系統中參數設置為波特率為9600，采用的是RTU協議，程序見圖5。

4結語

在LabVIEW圖形化語言環境下設計的虛擬溫度采集系統簡單快捷，本設計中溫度傳感器將模擬量轉換為數值信號反饋給PC端，PC端結合虛擬集成環境LabVIEW，LabVIEW平臺利用modbus模塊，從寄存器中讀取的數值進行處理，得到最終的溫度數值。實時溫度顯示在波形圖表上，并寫入txt文本文件。虛擬儀器是測控技術領域新出現的一項具有劃時代意義的技術，它將計算機技術與電子測量技術完美地融合在了一起，是一項具有廣闊前景的電子儀器技術[14]。隨著微型計算機技術的發展程度日益深入，功能作用日益強大，虛擬儀器技術必將逐步取代以傳統儀器為基點的測量與控制技術，成為主流的儀器儀表技術。LabVIEW易于使用，接口豐富，和現場儀表以及控制器都能很容易地進行連接，為系統集成工程師解決各類問題提供了更好更快的解決方案。

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Temperature Acquisition and Control System based on LabVIEW

GAO Min1， ZOU Yang-lin1，2， CAO Xin-wang1

（1.School of Textile Science and Engineering， Wuhan Textile University， WuhanHubei 430200， China；

2. Power China Hubei Engineering CO. LTD，Wuhan Hubei 430040， China）

Abstract：Temperature acquisition and control system has always occupied an important position in instrument measurement and industrial production. In his paper， a temperature acquisition and control system based on LabVIEW platform "was developed， which is mainly composed of upper computer and lower computer： the lower computer collects temperature signals through sensors and transmits them to the upper computer by serial port communication through single chip microcomputer. The upper computer adopts the producer / consumer mode， completes the user operation interface with the help of the development platform of LabVIEW， and realizes the functions of real-time acquisition， control， processing， display and storage of temperature data. After many tests， it is proved that the temperature acquisition and control system can control the sheet temperature within 22 to 50 ℃ and the temperature difference within 0.3 ℃.

Keywords：LabVIEW software; virtual instrument; temperature acquisition

（責任編輯：周莉）