基于Labview的室内温度控制系统设计

杨浩 辽宁锦州渤海大学工学院

基于Labview的室内温度控制系统设计

杨浩 辽宁锦州渤海大学工学院

基于Labview的室内温度控制系统实现的原理是通过传感器先把待测温度信号变为电信号，接着再通过信号调理电路将电信号转为标准信号，最后将结果返回到数据采集卡中。这里的温度采集部分用到了集成元件，实现起来操作更简单且方便。本文设计的温度控制系统实现的功能主要涉及了自动存储温度模块、实时显示模块等等。同时该系统的外围电路实现起来比较方便，硬件部分易于维护，扩展性强以及提供了很好的人机交互界面。

Labview 温度控制系统 数据采集

作为一种程序开发环境，LabVIEW已经普遍应用到了测试系统中，LabVIEW对仪器工业起到了很大的推动作用。LabVIEW功能强大，具体体现在数据处理、数据显示以及数据采集和PID控制工具包等方面。从而方便了人们将虚拟仪器技术应用到测量上，另外还能够将虚拟仪器延伸到自动控制行业中，从而形成基于虚拟仪器的控制系统。本文设计的温度控制系统应用到了LabVIEW编程语言和外挂的PID工具包。

传统仪器通常都是生产厂家定义制造实现的，所以在功能以及外观设计方面都是固定的。不同于传统仪器，虚拟仪器是通过软件从而把仪器硬件和计算机中的所自带的硬件资源结合成一体了，进而结合了计算机的控制能力和计算处理能力，使得仪器硬件以及仪器的体积都减少了很多，同时实现了数据显示以及数据分析存储的功能。

1 系统硬件设计

通过传感器将待测温度信号转为电信号，接着通过信号调理电路形成标准信号，基于Lab VIEW的温度控制系统的硬件结构如图1所示。系统的硬件组成部分主要包括的模块有数据采集卡、温度检测电路和温度控制电路等。

图1 系统硬件结构图

该硬件简化部分应用了虚拟仪器技术，数据处理部分用到了计算机技术，数据采集卡中包括了重要的信息数据。用户的不同需求所选择的传感器也就不同，编写的程序也不同，进而可以完成不同的测试功能。在很大程度上提高了系统的灵活性。

1.1 温度检测电路

温度检测电路的组成部分有电压放大电路、温度传感器电路以及温度补偿电路。该电路图如图2所示。温度传感器选择了热电偶，通过温度传感器可以把温度信号变为电势信号，温度测量部分用到了变换器以及相关的仪器，从而能够完成测量温度的功能以及转换温度信号。因为测温的范围比较宽所以热电偶温度计在很多的领域应用普遍。在工程领域中可以通过热电偶温度计进行点以及壁面温度的测量，同时也可以用来测量动态温度。

图2 温度检测电路

1.2 声音报警电路

报警电路的实现需要用到数据采集卡中的D/A，因为输入的信号比较微弱，所以需要将信号进行放大，报警电路的思路是：先将报警信号输出，接着让报警信号通过三极管，如果报警信号的电平是高，那么说明三极管导通，报警器就成功通电，如果电平显示为低，那么三极管截止，报警器没有电量通过，所以报警器停止。

图3 软件系统的构成

2 温度控制系统的软件设计

本文设计的基于LabVIEW的温度控制系统运用了模块化的方法来编写的，所有的功能都是通过单独的一个模块实现的，接着各个模块的调用需要用到主控模块，主要实现的功能包括了数据采集、数据处理、数据显示、数据记等等。软件系统的构成如图3所示。

2.1 主控模块

在主控模块中实现的功能包括了温度控制部分，将该部分和其他的部分进行相互地结合，从而实现数据的采集、数据记录、数据打印、PID控制以及数据查看等等功能。

PID控制模块设计的原理是：作为PID控制系统设计中的一个重要的组成部分，PID控制器在现今的很多工业控制有着广泛的运用。控制系统中的参数称为过程变量，英文全称是VPPorcessvariabl，控制过程中的变量所对应的理想值称为设定点，PID控制器对应着系统中的输出量，在进行驱动的时候变量会不断地接近设定点。PID控制模块在工程应用中比较广泛，而且一般都是通过PID工具包实现的。将一些比较繁琐的算法应用到Labview中，从而形成了PID工具包，快速地结合IPD控制工具包和Labview的算术，从而实现了自动控制程序的生成。因为作为采样控制中的一种，基于虚拟仪器的控制计算控制量的时候是按照采样时刻的偏差值实现的，只可以通过选择数值计算的方法完成逼近。当采样时刻是t的时候，PID控制器的输出值的计算过程是通过PID控制器计算积分、微分以及比例之间的和完成的。

2.2 数据采集模块

数据采集模块主要的思路就是实现温度信号向数字量的转换。这个数据采集模块的实现是运用了Functions Data Acquisition函数实现的。这个函数能够对特定的信道进行数据的采集，并且把所采集到的结果放到所设置的缓存里面，同时将所采集到的数据进行返回。在运用的时候，要给出采样数、信道名、初始化、采样率以及缓存大小等。PID控制器的输入端口会接收到所采集到的数据，通过PID进行处理以后，就可以通过数据采集卡的输出通道把控制输出量输出。

图4 数据显示模块结果

2.3 数据记录模块

数据记录模块主要是以系统当前的时间作为文件名，内容是处理好的温度变化数据，一起存放到电脑的子目录文件中。

2.4 数据显示模块

数据显示模块指的将所记录的数据读取出来，接着吧数据传送给主控模块，在Waveform Chart中显示出来。数据显示模块的结果图如图4所示。

2.5 温度实时控制

温度控制部分选择的是Lab VIEW自带的PID控制器模块实现，这个模块选择的是增量式的PID控制器，实现的方式主要包括了2种，首先是编程代码或者是其他软件的调用需要用到外部接口调用。其次是运用Lab-VIEW自带的编程语言完成编程。因为Lab VIEW中自带了Matlab Script的节点，所以Matlab程序的编写能够在Matlab script节点中进行，运行环境是Lab VIEW，同时实现部分是通过Matlab script节点，通过这种方式可以确保有着清晰的程序结构，同时还可以将运算的速度提高。所以增量式PID控制程序部分能够借用Matlab script的节点实现，具体对应的表达式如下所示。

Δu(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

公式中的n代表着采样序列，Ki表示积分的系数，e(n)代表着第n次采样时刻所输进去的偏差值，Kp表示比例的系数，Kd表示微分的系数，u(n)代表的是第n次采样时刻所对应的计算机输出值。

结论：本文涉及了基于Lab VIEW的温度控制系统，在设计方面比较简单，实现了优化的界面，实现的功能具体包括了采集环境温度信号，对数据进行分析，以及显示和存储数据等，同时当出现故障的时候，可以完成报警操作，系统提供了开放的功能以及开放的应用，例如能够控制反馈温度以及湿度，和采集多路温度。

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