1、背景隨著科學技術的進步，計算機計術、儀器技術和通信技術等在各個領域得到越來越廣泛的應用。傳統的電子測量儀器由于其功能單一、體積龐大，已經很難滿足實際測量工作中的需求，由此在80年代末期虛擬儀器技術應運而生。與傳統儀器相比，虛擬儀器具有功能更豐富、處理速度更快、可充性更好的優點。作為計算機技術和現代儀器技術相結合的產物，實現了在傳統測試理論和測量方法上的革命性突破。LabView由面板、流程方框圖、圖標/連接器組成。其中，面板是用戶界面，流程方框圖是虛擬儀器源代碼，圖標/連接器是調用接口。流程方框圖包括輸入/輸出（I/O）部件、計算部件和子虛擬儀器部件，它們用圖標和數據流的連線表示。這里利用La

2、bVIEW作為語言開發平臺設計系統軟件并利用計算機串口與下位機串行通訊，實現溫度的實時測量與控制。虛擬儀器包括硬件和軟件兩個基本要素。其中，硬件的功能是獲取被測試的物理信號，提供信號傳輸的通道。在本設計中，所需要模擬的是溫度信號，溫度信號主要由電壓信號提供。另外，虛擬儀器的硬件技術以GPIB、PXI等先進的計算機接口總線的發展為發展標志。GPIB、PXI接口是早期比較流行的接口，隨著虛擬儀器技術的發展，現在使用比較廣泛的接口是DAQ、PXI和LXI。本次設計中用到的就是DAQ儀器。儀器上需要我們了解運用的，是位于儀器上左上角的電位器。調節電位器時，電壓信號也會在一定范圍內浮動，這對我們的設計起

3、到一定的作用。基于LabView的溫度控制器的設計，首先由集成溫度傳感器AD590產生的溫度-電壓信號輸入到采集卡AI端，其次，由于本次課設只是運用有電壓值模擬一個溫度值，就在采集卡的輸入端送給LabView一個5V的電壓，通過傳輸到軟件電路中，加以處理再進行應用。最后，通過前面板和程序框圖的設計，完成設計要求。1 設計思路1.1 數據的采集我們的設計題目即為溫度控制，需要對溫度值進行設定、測量和顯示，所以首先我們應該從對溫度值的采集入手，即數據的采集。1.1.1 傳感器傳感器就是內部程序跟外界溝通的門戶,負責把外界的各種物理信息,如光、壓力、溫度、聲音等物理信號變成電信號。在實際的溫度測量中

4、,我們的目的是將溫度變化轉換為對應的電信號變化,這就需要用到一種溫度傳感器。在本次設計中，我們應用到的是電壓信號模擬出的溫度值,所以傳感器部分在設計中沒有得到具體體現,但這部分是設計中必需要考慮的。通過考慮到從傳感器出來的信號要經過放大、隔離、濾波等，如果這樣去設計的話會很麻煩，在設計中我就選用了一款集成溫度傳感器AD590，因為集成溫度傳感器本身就包括了放大、隔離、濾波等功能，在設計過程中不用那么繁瑣。所以在此基礎上，我們只需將傳感器的功能理解即可。1.1.2 數據采集卡在了解了傳感器的功能后，我們需要知道的是如何將數據從傳感器傳輸到計算機中，這個媒介即為在設計中起到樞紐作用的數據采集卡。從

5、傳感器出來的信號接到數據采集卡的輸入端，然后再通過數據采集卡的A/D通道連接至計算機中去。數據采集卡接收到的是一個模擬電壓量，但是經過它的A/D通道后，計算機接收到的就是一個數字量，轉換為數字量后，我們就可以方便地對它進行控制了。1.2 軟件功能的實現軟件功能即為本次設計的核心，要達到設計要求，主要看的就是此階段的設計。我們通過對前面的介紹，了解到一個VI程序由前面板和程序框圖組成。又有上學期對虛擬儀器的學習，我也知道，在考慮構建軟件系統時，第一步即要由前面板入手，進行大體布局，理清思路，然后再創建程序視圖，進一步對整個軟件系統進行設計和操作。1.2.1 前面板的設計在設計前面板時，由于要使外

6、界采集來的溫度真是的顯示在觀察者面前，所以在進行LabView的軟件編程時，就需要將外界時時變化的溫度與一個數據顯示控件相連，這樣我們就可以從前面板上讀出此時此刻測得的溫度了。另外，要求中提到要通過波形圖表來觀察溫度的變化趨勢，那么在連接顯示控件時，就應該不要忘記安置所需要的波形顯示控件。使數據更直觀，更清晰的表現在我們的眼前。1.2.2 程序框圖的設計程序框圖是整個設計的核心內容。在設計該部分時，首要要考慮功能的實現。根據各個功能選擇需要用到的器件，完成各器件的連接。由于在程序中，有些量是經常被用到的，我們創建了若干個數據的局部變量，這樣做不僅方便在創建中對數據或圖形的操作，也使程序框圖更加

7、清晰美觀。在設計要求中用PWM方式控制溫度升降等功能是本次設計難點。需要做到通過調節方波的占空比來實現溫度變化，此環節需要用到真假判斷結構以及各種比較器件來實現。如果外界的溫度大于我所設定的溫度時，就會產生報警信號，報警這個功能是很容易實現的，只要用一個比較函數就可以實現，把我設定的溫度值連接到比較函數的X輸入端，外界溫度值連接到比較函數的Y輸入端，比較函數的輸出端與一個布爾指示燈相連就可以實現報警了。升溫、降溫是時通過一個條件結構來進行判斷，再通過調節方波的占空比來實現，如果外界溫度值還沒達到設定溫度值時，就需要對外界物體進行升溫，這時方波的占空比是很大的，當外界的溫度越來越接近設定溫度值時

8、，方波的占空比會變小，以為不需要太高的溫度來加熱了。降溫的過程其實與升溫的過程是同樣的道理，當外界的溫度值已經超過了設定的溫度值時，就要對外界物體進行降溫，降溫的過程中，如果當外界物體的溫度越來越接近設定溫度時，方波的占空比也是越來越小的。2 系統方框圖被測溫度值傳感器信號調理數據采集卡計算機非電量電信號模擬信號數字信號圖2-1溫度采集系統的結構圖3 溫度控制器的硬件設計3.1 溫度的測量在本次設計中我選擇AD590作為溫度傳感器，AD590以熱力學溫標零點作為零輸出點，在25時的輸出電流為298.2uA。由于我設定的溫度測量范圍為0100，所以按圖4-1選定電路參數，該電路的輸出電壓靈敏度為

9、10mV/。因為AD590直接測量的是熱力學溫度（溫度單位為K），為了以攝氏溫度讀出，其輸出必須為273.2 uA偏置。令AD590的輸出電流為1電阻，這樣就將1 uA/K的電流靈敏度轉換為1mV/K的電壓靈敏度。再將轉換后的輸出電壓連接到AD524儀表放大器的同相輸入端。基準電壓芯片AD580輸出的2.5V基準電壓用電阻分壓到273.2 mV，接儀表放大器的反相輸入端，設置AD524的放大倍數為10，經AD524對兩輸入端的差值放大后，就可以將0100的的溫度輸入變換為05V的電壓輸出，因此該溫度測量電路的輸出電壓靈敏度為10mV/。圖3-1溫度測量電路3.2 數據采集卡本次設計采用的是NI

10、 SC-2075采集卡，由于該卡支持DAQmx驅動程序，所以本設計是直接使用DAQmx-DataAcquisition開發的，在這部分中，主要是采集參數的設置，其中包括物理通道的選擇，采樣模式、采樣率、每通道采樣數、輸入方式的配置，采樣最大最小值的設置。4 溫度控制器的軟件設計4.1 溫度控制器的軟件流程圖溫度控制器的軟件流程圖如圖4-1所示：啟動DAQ設置DAQ的工作參數設置工作溫度外加溫度值與設定值比較超過預設溫度？執行條件結構的真執行條件結構的假進入虛擬儀器軟件升溫降溫報警顯示結束開始NY4.2 溫度控制器前面版的設計前面板是用戶接口，即交互式界面，用于用戶向程序中輸入各種控制參數和觀察

11、輸出量，在前面板中，使用了各種仿真圖標，如開關、旋鈕等，并以數字或實時趨勢圖等各種形式的輸出測試結果來模擬真實儀器的面板。前面板的設計，充分發揮了LabVIEW的特長,即建立了友好的人機操作界面，是虛擬信號發生器的最上層。在使用中直接通過鼠標和鍵盤設定信號的相關參數。本次溫度控制器的前面板主要由以下幾個部分構成:溫度計，報警燈，輸入/輸出控件，波形圖表。此外，為了使設計的儀器更加形象、美觀，還增加了許多修飾性的元件如面板上的邊框，設計題目，生產公司，改變字體顏色等。盡量與真實儀器的使用界面相一致。啟動LabVIEW8.5后，在啟動界面上選擇新建VI，創建一個新VI，然后按下面的步驟進行設計。（

12、1）在控件選板的【新式】【數值】子選板中選擇一個“數值輸入”控件和兩個“數值顯示”控件，放置到前面版設計窗口的合適位置。數值輸入控件是用來設置所需要的溫度；兩個數值輸出控件一個是用來實時溫度顯示的，一個使用來做方波占空比顯示的。（2）在控制選板的【新式】【數值】子選板中選擇“溫度計”控件，放置到前面板設計窗口的合適位置。（3）在控制選板的【經典】【經典圖形】子選板中選擇三個“波形圖表”控件，放置到前面板設計窗口的合適位置。然后，用鼠標右鍵單擊該控件，在彈出的快捷菜單中外觀選項中“標簽”選擇可見，分別為“溫度曲線”、“PWM脈沖寬度調制升溫”、“ PWM脈沖寬度調制降溫”。 “溫度曲線”的Y軸設

13、置成“溫度”， X軸設置成“時間”， “PWM脈沖寬度調制”曲線的Y軸設置成“幅度”， X軸設置成“時間”。（4）在控制選板的【經典】【經典布爾】子選板中選擇“圓形指示燈”控件，放置到前面板設計窗口的合適位置。然后，用鼠標右鍵單擊該控件，在彈出的快捷菜單中，標簽改為“報警”。（5）在控件選板的【新式】【修飾】子選板中選擇“標簽”控件，放置到前面板設計窗口的合適位置，并輸入文本“虛擬溫度控制器”。（6）在控件選板的【新式】【修飾】子選板中選擇“平面凹框”控件，放置到前面板設計窗口的合適位置，并設置合適的大小。完成以上6個步驟后的虛擬溫度控制器的前面版如圖5-2所示。圖4-2虛擬溫度控制器前面板4

14、.3 溫度顯示程序框圖的設計溫度顯示程序框圖的設計步驟如下：（1）首先要創建一個DAQ助手，在流程圖設計窗口中打開【函數】模塊,執行【函數】【express】【DAQ助手】，調入DAQ。然后用右鍵單擊調入的“DAQ助手”，選擇屬性選項，就會出現如圖4-3所示。在生成信號中選擇【模擬輸出】【電壓】輸出，選擇通道ao1，DAQ創建完成。圖4-3 創建DAQ（2）打開程序框圖編輯窗口，調整與前面板相對應的控件圖標位置，以便后續擺放函數與連線。（3）在函數選板的【編程】【數值】子選板中選擇“乘”函數，放置到程序框圖編輯窗口的合適位置。（4）在函數選板的【編程】【數值】子選板中選擇“數值常量”函數，放置

15、到程序框圖編輯窗口的合適位置（常量數值設置為20）。完成以上4個步驟后溫度顯示框圖就設計完了如圖4-4所示。圖4-4溫度顯示程序框圖4.4 報警程序框圖的設計報警程序框圖的設計步驟如下：（1）在函數選板的【編程】【比較】子選板中選擇“大于？”函數，放置到程序框圖編輯窗口的合適位置。（2）其它部分已經在溫度顯示部分選完了，所以報警程序框圖如圖4-5所示。當外界采集進來的溫度大于設定溫度時報警指示燈就會亮為黃色。圖4-5 報警程序框圖4.5 PWM脈沖寬度調制升溫PWM脈沖寬度調制升溫程序框圖的設計步驟如下：（1）在函數選板的【編程】【結構】子選板中選擇“條件結構”，放置到程序框圖編輯窗口的合適位

16、置，然后選擇條件結構的幀為“真”。（2）在函數選板的【編程】【數值】子選板中選擇“減”函數，放置到程序框圖編輯窗口的合適位置。（3）在函數選板的【編程】【數值】子選板中選擇“數值常量”函數，放置到程序框圖編輯窗口的合適位置（放置4個數值常量，常量數值分別設置為2、4、13、）。（4）在函數選板的【信號處理】【信號生成】子選板中選擇“方波波形”， 放置到程序框圖編輯窗口的合適位置。該方波的頻率設為4，幅度設為2，初始相位設為13。完成以上步驟后PWM脈沖寬度調制升溫程序框圖如圖4-6所示。只有當設置溫度大于外界溫度時才滿足條件結構的真，這時執行條件結構的真，然后用設置溫度與外界溫度的差值作為方波

17、發生器的占空比。圖4-6 PWM脈沖寬度調制升溫程序框圖4.6 PWM脈沖寬度調制降溫PWM脈沖寬度調制降溫程序框圖的設計步驟如下：（1）在函數選板的【編程】【結構】子選板中選擇“條件結構”，放置到程序框圖編輯窗口的合適位置，然后選擇條件結構的幀為“假”。（2）在函數選板的【編程】【數值】子選板中選擇“去負數”， 放置到條件結構的框里。（3）其它的部分與PWM脈沖寬度調制升溫程序框圖的一樣，如圖4-7所示。當設置溫度小于外界溫度時條件結構的假，然后用設置溫度與外界溫度的差值再取負數之后作為方波發生器的占空比。圖4-7 PWM脈沖寬度調制降溫程序框圖4.7 溫度控制器的完整程序框圖溫度控制器的完

18、整程序框圖如圖4-8所示。（a）幀為“真”時程序框圖（b）幀為“假”時程序框圖圖4-8溫度控制器的程序框圖4.8 運行程序4.8.1 外界溫度值小于設定溫度值時程序的運行在前面板窗口上，單擊工具欄上的【運行】按鈕，然后慢慢地調節數據采集卡上的旋鈕，運行結果如圖4-9所示。圖4-9當外界溫度低于設定溫度式的運行結果4.8.2 外界溫度值大于設定溫度值時程序的運行在前面板窗口上，單擊工具欄上的【運行】按鈕，然后繼續慢慢地調節數據采集卡上的旋鈕，運行結果如圖4-10所示。圖4-10當外界溫度高于設定溫度式的運行結果從圖4-10中可以看出，溫度顯示的數值已經超過了設置的溫度值，這時是要產生報警的，所以

19、讀者可以看出，這時報警指示燈已經亮了。5 程序的調試我們編寫的每一個程序都需要進行調試，我在設計中遇到了很多困難。第一天我做出來的程序運行起來時是，當外界溫度值越接近我設定的溫度值時，方波的占空比越來越大，經過老師一檢查，給我指出來這種變化時不對的，因為當外界溫度值越接近我設定的溫度值時，方波的占空比應該是越來越小，因為外界溫度值越接近我設定的溫度值時就不用再對物體使勁的加熱了。后來我想出來一個辦法就是當外界的溫度還沒達到我設定的溫度時，我用我設定的溫度減去外界采集進來的溫度之差作為方波的占空比，這樣一來上面出現的問題就解決了，當外界溫度值越接近我設定的溫度值時，它們之間的差值就越來越小，那么

20、占空比也就越來越小了。其次在設計過程中遇到的另一個問題就是，當外界溫度改變時，從溫度波形圖上觀察溫度的曲線沒有一個明顯的變化趨勢，溫度改變時曲線掃描的可快了，后來在溫度波形圖的屬性里把時間軸的時間間隔改長了一點這個問題也解決了。6 工作過程分析6.1 溫度控制器的硬件部分本系統主要是對外界溫度實現數據采集與自動控制，其硬件組成如圖7-1所示。它主要由溫度測量電路、溫度控制電路、一塊基于PCI總線的多功能數據采集卡及相應的軟件組成。其工作過程如下：溫度信號由集成溫度傳感器AD590轉換為電壓信號，AD590集成溫度傳感器把溫度信號轉化為電壓信號后送至數據采集卡的A/D通道，電壓信號通過數據采集卡進入計算機，計算機利用LabVIEW程