溫度傳感器標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計

./我的畢設(shè)1FPGA智能傳感器<1>智能化傳感器不但能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行處理、分析和調(diào)節(jié),能夠?qū)λ鶞y的數(shù)值及其誤差進(jìn)行補償,而且還能夠進(jìn)行邏輯思考和結(jié)論判斷,能夠借助于一覽表對非線性信號進(jìn)行線性化處理,借助于軟件濾波器濾波數(shù)字信號。此外,還能夠利用軟件實現(xiàn)非線性補償或其它更復(fù)雜的環(huán)境補償,以改進(jìn)測量精度。<2>智能化傳感器具有自診斷和自校準(zhǔn)功能,可以用來檢測工作環(huán)境。當(dāng)工作環(huán)境臨近其極限條件時,它將發(fā)出告警信號,并根據(jù)其分析器的輸人信號給出相關(guān)的診斷信息。當(dāng)智能化傳感器由于某些內(nèi)部故障而不能正常工作時,它能夠借助其內(nèi)部檢測鏈路找出異?，F(xiàn)象或出了故障的部件。<3>智能化傳感器能夠完成多傳感器多參數(shù)混合測量,從而進(jìn)一步拓寬了其探測與應(yīng)用領(lǐng)域,而微處理器的介人使得智能化傳感器能夠更加方便地對多種信號進(jìn)行實時處理。此外,其靈活的配置功能既能夠使相同類型的傳感器實現(xiàn)最佳的工作性能,也能使它們適合于各不相同的工作環(huán)境。<4>智能化傳感器既能夠很方便地實時處理所探測到的大量數(shù)據(jù),也可以根據(jù)需要將它們存儲起來。存儲大量信息的目的主要是以備事后查詢,這一類信息包括設(shè)備的歷史信息以及有關(guān)探測分析結(jié)果的索引等。<5>智能化傳感器備有一個數(shù)字式通信接口,通過此接口可以直接與其所屬計算機進(jìn)行通訊聯(lián)絡(luò)和交換信息。此外,智能化傳感器的信息管理程序也非常簡單方便,譬如,可以對探測系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制或者在鎖定方式下工作,也可以將所測的數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程用戶等基于labview和聲卡本系統(tǒng)主要實現(xiàn)溫度的檢測與控制,使系統(tǒng)的溫度始終保持在要求的范圍內(nèi)。系統(tǒng)框圖如圖I所示。首先將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號．然后通過數(shù)據(jù)采集電路將電信號采集進(jìn)入計算機,借助LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理和顯示．最后通過溫度控制接口電路對溫度進(jìn)行實時監(jiān)控。系統(tǒng)中溫度檢測、采集和控制由硬件實現(xiàn),信號的分析與處理及后續(xù)結(jié)果的輸出與顯示則靠軟件完成。由于聲卡采集的信號是音頻信號,且幅值受到一定限制,同時我們在實驗中發(fā)現(xiàn)聲卡對于信號頻率采集的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對信號幅度的靈敏度,所以本單元電路包括兩部分：通過溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,再利用v,F<壓,頻>轉(zhuǎn)換電路將電壓信號轉(zhuǎn)換為具有一定幅值的頻率信號,通過聲卡采集頻率,然后借助I_abVlEW的信號處理功能對信號進(jìn)行處理和顯示。需要注意的是轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計既要保證V腰轉(zhuǎn)換器具有良好的線性度。又要具有合適的頻率<3>加熱與降溫電路加熱與降溫電路的作用,就是利用前級雙限電壓比較器電路的輸出信號,控制繼電器的通斷。使其起到一個開關(guān)作用,用以控制加熱元件與降溫元件的工作。限于學(xué)生實驗條件,本系統(tǒng)分別采用加熱電阻和c叫風(fēng)扇作為加熱和降溫元件。由于電路簡單,這里不再給出電路圖。?；趩纹瑱C控制的PTCR阻溫特性測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)單片機與智能型溫控表之間的串行通信,單片機接收溫控表發(fā)送來的溫度信號,并對溫控表發(fā)送控制信號,工作在全雙工形式。在PTCR阻溫特性測試中,溫度是非常重要的參數(shù),爐溫的均勻性和穩(wěn)定程度對測量準(zhǔn)確性有著至關(guān)重要的影響。本測試系統(tǒng)的溫度源采用工業(yè)電爐300,利用溫度傳感器Pt100測溫[37],由溫控表〔智能型專家自整定PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控溫保溫。在溫控系統(tǒng)中溫控表采用RS232通信協(xié)議,C8051F020單片機通過串口,經(jīng)由MAX232電平轉(zhuǎn)換電路與溫控表連接,結(jié)合該溫控表的通信協(xié)議,采用C51編制串行通信程序就可以實現(xiàn)C8051F020單片機和溫控表之間的串行通信,C8051F020單片機根據(jù)需要向溫控表寫入命令后,具體的控溫保溫工作交由智能型溫控表完成[38]。本系統(tǒng)選用的是日本島電公司SR80系列溫控表。溫度控制電路基本結(jié)構(gòu)如圖3-20所示?；贚aview的紅外測溫虛擬儀器技術(shù)憑借圖形化的編程方法和強大的硬件平臺,在系統(tǒng)性能測試方面具有顯著的優(yōu)勢,能出色的完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)性能的測試是一個不斷反復(fù)的過程,虛擬儀器技術(shù)提供的測量和自動化解決方案,能夠快速的對測試方案進(jìn)行更新,具有很好的靈活性和可擴展性。在標(biāo)定過程中,運用Labview編寫最小二乘標(biāo)定法能夠快速的進(jìn)行曲線擬合,得出測溫方程和均方差,并將數(shù)據(jù)測量點和擬合曲線在同一窗口內(nèi)顯示,從而更好的判斷擬合優(yōu)劣；使用波長函數(shù)法計算,分析波長誤差、參考點誤差、波長函數(shù)φ<λ>誤差、測量誤差對紅外測溫儀測溫精度的影響。NI公司開發(fā)的虛擬儀器技術(shù),作為功能強大而又靈活的應(yīng)用儀器和分析軟件系統(tǒng),可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示。在工業(yè)、學(xué)術(shù)界和實驗室中,廣泛用于做開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、儀器控制軟件和分析軟件的標(biāo)準(zhǔn)語言。自1986年問世以來,Labview幫助設(shè)計人員進(jìn)行圖形化開發(fā)環(huán)境來開發(fā)項目,從而獲得更高的質(zhì)量,更短進(jìn)入市場的時間,和更高的工程和生產(chǎn)效率。和現(xiàn)在普遍運用的各種編程語言,如C語言、matlab相比較,Labview有如下幾個特點：<1>真實信號I/O,測量分析和數(shù)據(jù)顯示的緊密集成<2>使用交互式配置和圖形化編程的快速開發(fā)方式<3>基于PC的平臺,擁有強大的功能擴展<4>廣泛的部署對象,從桌面到手持、從實時到嵌入式設(shè)備<5>針對初學(xué)者的EXPRESS技術(shù)、針對有經(jīng)驗的程序員的完整功能<6>內(nèi)置500個內(nèi)置函數(shù),對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行有意義的統(tǒng)計和處理功能強大且靈活的軟件是所有虛擬儀器系統(tǒng)的核心。虛擬儀器除了應(yīng)用程序?qū)印踩鏻abview,VisualStudio等外,測量服務(wù)軟件也有非常重要的功能。NI-DAQmx是測量軟件中的一種,它不僅僅是一個驅(qū)動軟件,而應(yīng)該把它看成I/O驅(qū)動軟件層。它提供了虛擬儀器軟件和硬件之間的連通性以用于測量和控制。直觀的4應(yīng)用程序編程接口〔API、儀器驅(qū)動、配置工具、快速I/O助手,都是測量軟件的特色。DAQ助手是一個基于步驟的向?qū)?它可以無需編程即可配置數(shù)據(jù)采集任務(wù)、虛擬通道以及實現(xiàn)縮放操作。對系統(tǒng)進(jìn)行整體性能的分析,一套好的數(shù)據(jù)采集設(shè)備是非常重要的。NI公司的MSeries高精度系列的數(shù)據(jù)采集卡在數(shù)據(jù)采集方面有強大的優(yōu)勢。全文通過仿真和實驗,依托虛擬儀器這一強大的測試平臺,對紅外測溫儀的整體性能進(jìn)行評價。首先,由于溫度傳感器得到的信號電壓需要通過具體的數(shù)學(xué)模型,轉(zhuǎn)換為實際目標(biāo)的溫度信號；其次,每一臺不同的紅外測溫儀都需要進(jìn)行標(biāo)定過程,從而確定信號電壓和溫度信號之間的關(guān)系,標(biāo)定的精準(zhǔn)度直接影響紅外測溫儀的各項參數(shù),同時在標(biāo)定的過程當(dāng)中存在著各種誤差,更需要一種快捷簡便的方法提供高效的標(biāo)定方法；最后,紅外測溫儀應(yīng)用的廣泛性使得測溫的環(huán)境千差萬別,環(huán)境中存在各種不同的影響測溫精度的因素,本文也對三個主要的因素進(jìn)行了實際的測量,通過修正方法提高測溫的精度。信號處理系統(tǒng)：對于不同類型、不同測溫范圍、不同用途的紅外點溫儀,由于紅外探測器種類的不同、設(shè)計原理的不同,其信號處理系統(tǒng)也就不同,但信號處理系統(tǒng)要完成的主要功能是相同的,即放大、抑制噪聲、線性化處理、發(fā)射率修正、環(huán)境溫度補償、A/D和D/A轉(zhuǎn)換以及要求輸出信號等。通過式〔2-26可以用線性最小二乘法求得目標(biāo)的真實溫度T和光譜發(fā)射率<,>iελT,線性情況的最小二乘估計參數(shù)是參數(shù)的無偏估計,且無論觀測值服從何種分布,在參數(shù)的所有線性無偏估計中,最小二乘法估計的方差最小。01{,,}naaa01{,,}naaa使用基于最小二乘法的標(biāo)定理論可以求得目標(biāo)的真實溫度T和光譜發(fā)射率<,>iελT；基于波長函數(shù)輻射的測溫儀標(biāo)定方法證明了,對于任意給定溫度T值即可通過計算得到對應(yīng)的儀器的信號S值,這一對應(yīng)關(guān)系可以用來分析不同參數(shù)的誤差對紅外測溫儀標(biāo)定的誤差影響為了從研制水平和生產(chǎn)工藝控制兩個方面同時采取措施提高系統(tǒng)的成品率,通常需要進(jìn)口專用的紅外綜合檢測儀,這種儀器測試的參數(shù)全、精度高的,但造價非常高,且只能進(jìn)行整機測試,不能進(jìn)行仿真和控制,不易維護(hù)和升級。如果采用標(biāo)準(zhǔn)箱式儀器搭建這套測試系統(tǒng),則需要示波器、萬用表、任意波形發(fā)生器〔多臺、高速同步數(shù)據(jù)記錄儀〔多臺、動態(tài)信號分析儀、傳遞函數(shù)分析儀、邏輯分析儀等設(shè)備。由于是分立測試,不能保證信號之間的同步時序,體積龐大、接線復(fù)雜,即使如此,對熱圖像分析來說,仍然是無能為力的。為了兼顧科研過程中的分級測試、單元仿真測試、系統(tǒng)性能分析和生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)積累分析和工藝過程控制,并兼顧現(xiàn)場試驗和檢測維修,經(jīng)過查閱大量的參考文獻(xiàn),決定采用NI公司的虛擬儀器搭建NI測量硬件充分利用PCI和USB計算機總線的性能,實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的傳送,實現(xiàn)對溫度－信號電壓的最小二乘標(biāo)定算法,以及對影響紅外測溫精度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,具有非常好的靈活性和擴展性。abview又稱虛擬儀器,即VI,其外觀和操作類似于真實的物理儀器〔如示波器和萬用表Labview擁有一整套工具用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲,以及解決用戶編寫代碼中可能出現(xiàn)的問題。同時,Labview提供眾多輸入控件和顯示控件用于創(chuàng)建用戶界面,即前面板。輸入控件是指旋鈕、按鈕、轉(zhuǎn)盤等輸入裝置。顯示空間是指圖形、指示燈等輸出顯示裝置。創(chuàng)建用戶界面后,可用VI和結(jié)構(gòu)來添加代碼,從而控制前面板對象[29]。要形成一個完整的系統(tǒng)測量軟件,還包括信號的采集過程,一個完整的數(shù)據(jù)記錄儀應(yīng)該包括數(shù)據(jù)采集、分析、存儲以及在今后的分析工作和對數(shù)據(jù)的調(diào)用?？梢哉fLabview軟件可以十分方便快捷的完成數(shù)據(jù)的存儲、分析和調(diào)用,對于數(shù)據(jù)的采集,NI還提供了另一個軟件DAQmax。圖形化的編程語言稱為G語言,框圖即源代碼,執(zhí)行為數(shù)據(jù)流通過,圖標(biāo)和連接器制定了數(shù)據(jù)流進(jìn)出VI〔VirtualInstrument的路徑。傳統(tǒng)的順序代碼流是指令驅(qū)動,VI的數(shù)據(jù)流是數(shù)據(jù)驅(qū)動。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的時候,應(yīng)該能兼顧到以下幾個點,〔1目標(biāo)溫度點,〔2測溫儀探測器的輸出電壓信號〔3測溫儀經(jīng)過標(biāo)定和算法修正后得到到溫度顯示信號,將這三點的數(shù)據(jù)得到后,才能完成標(biāo)定和誤差分析等試驗過程。虛擬儀器技術(shù)是對傳統(tǒng)儀器和計算機數(shù)據(jù)處理技術(shù)的重大突破。所謂虛擬儀器〔VirtualInstrument,VI是指在計算機上加入模塊化功能硬件,如數(shù)據(jù)采集卡,用軟件在計算機顯示器上生成儀器面板,用程序來控制信號的采集、分析和處理,進(jìn)行結(jié)果的表達(dá)和輸出,實現(xiàn)儀器的功能。它是主要面向計算機測控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺,將復(fù)雜的語言編程簡化為可視化的數(shù)據(jù)流編程,以圖標(biāo)表示功能模塊,以圖標(biāo)間連線表示數(shù)值傳輸。除了提供大量常規(guī)函數(shù)功能外,還提供豐富的數(shù)據(jù)采集、分析和處理功能。同時,Labview高度集成了各種GPIB、RS-232、RS-485標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備及數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動功能基于labview的實驗設(shè)計實驗教學(xué)很重要,但基于傳統(tǒng)儀器的硬件實驗?zāi)Ｊ椒e弊甚多：設(shè)備更新周期長,維護(hù)工作艱難；傳統(tǒng)實驗儀器功能固定,可操作性、可擴展性差；實驗室管理沒有靈活性,資源浪費現(xiàn)象嚴(yán)重,實驗開出率、儀器設(shè)備利用率不高；實驗教學(xué)組織方式和管理模式落后?，F(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中實驗教學(xué)環(huán)節(jié)缺失或理論教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)脫節(jié)現(xiàn)象普遍。因此,開發(fā)實驗儀器,創(chuàng)新實驗手段和方式,優(yōu)化教學(xué)目標(biāo)和實驗?zāi)Ｊ降恼喜呗?不斷革新實驗教學(xué)尤其關(guān)鍵。在實驗儀器開發(fā)方面,虛擬儀器<virtualinstrument>技術(shù)是值得關(guān)注的,虛擬儀器技術(shù)是計算機技術(shù)和實驗儀器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,它推動著傳統(tǒng)儀器朝著數(shù)字化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。虛擬儀器是利用PC顯示器的顯示功能替代傳統(tǒng)儀器的功能面板,利用Pc的鼠標(biāo)和鍵盤控制驅(qū)動各種功能按鈕,利用LabVIEW軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)<信號>的分析處理、表達(dá)和儲存,利用I／O接口設(shè)備完成數(shù)據(jù)<信號>的采集和調(diào)理,從而實現(xiàn)各種儀器功能的一種基于計算機的儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是用戶根據(jù)自己的需要設(shè)計開發(fā)的,虛擬儀器數(shù)據(jù)<信號>的分析處理、表達(dá)和儲存等操作是集中交由計算機軟件來做的,虛擬儀器技術(shù)與Web技術(shù)相融合,遠(yuǎn)程控制操作實驗得以實現(xiàn)。將虛擬儀器引入實驗教學(xué)將成為學(xué)校教學(xué)科研的重要方法和手段。,1>溫度自動控制系統(tǒng)：溫度信號由溫度傳感器AD590K和信號調(diào)理電路提供；由USB2．0多功能數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行溫度實時采集,并把數(shù)據(jù)送往計算機中的虛擬儀器前面板進(jìn)行曲線顯示和記錄,進(jìn)而進(jìn)行溫度控制和聲光報警；制冷片電路由采集卡上的I／0端口驅(qū)動,控制半導(dǎo)體制冷片的工作。系統(tǒng)開始工作時,溫度傳感器采集的溫度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘査腿霐?shù)據(jù)采集卡,然后由數(shù)據(jù)采集卡對信號進(jìn)行處理,顯示當(dāng)前的溫度并繪制溫度一時問曲線。然后系統(tǒng)會判斷當(dāng)前溫度與設(shè)定的溫度是否相等,相等則無動作,不相等則控制外部模塊工作,直至到所需要的溫度,達(dá)到溫度自動控制?；谔摂M儀器的溫室溫濕度模糊解耦控制系統(tǒng)研究以計算機作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺,充分利用計算機獨具的運算、存儲、回放、調(diào)用、顯示及文件管理等智能化功能,同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化,使之與計算機融為一體,構(gòu)成一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同,同時又充分享用計算機智能資源的全新儀器系統(tǒng)1>通道多。傳統(tǒng)的獨立儀器系統(tǒng)功能單一,只能測量固定的幾個參數(shù),通常不具備同時測量多個參數(shù)的能力。而基于PC機的虛擬儀器系統(tǒng)可配備多個信號通道,有的多達(dá)上千路。對于多路信號,通過計算機軟件控制,進(jìn)行高速掃描采樣,實現(xiàn)多信息的同步測量。2>精度高。測試系統(tǒng)可以選用高分辨率的A／D轉(zhuǎn)換器,可以隨時修正測量誤差,如自動校準(zhǔn)<消除零漂、溫漂、增益不穩(wěn)定等系統(tǒng)誤差>、軟件線性化處理<對傳感器等硬件的非線性特性進(jìn)行校正>、軟件濾波<消除系統(tǒng)內(nèi)、外部引入的干擾>等。3>速度快。這得益于微處理器和PC總線的發(fā)展。4>系統(tǒng)功能強,操作簡單、方便。而且,計算機部分還要在分析的基礎(chǔ)上設(shè)置控制參數(shù),以及圖形顯示歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)自動存取、實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、報警記錄記載、串行口操作等功能?；趌abview的爐溫控制傳統(tǒng)的控制方法有兩種：第一種就是手動調(diào)壓法,即是依靠人的經(jīng)驗直接改變電加熱爐的輸入電壓,其控溫效果依賴于人為的調(diào)節(jié),控制精度不高,且浪費人力資源。第二種控制方法：在主回路中采取可控硅裝置,并結(jié)合～些簡單的儀表,保溫階段自動調(diào)節(jié),升溫過程仍依賴于試驗者的調(diào)節(jié),它屬于半自動控制[¨。隨著計算機的出現(xiàn)和迅速更新?lián)Q代,智能溫度控制儀表在電加熱爐溫度控制領(lǐng)域日益得到廣泛地應(yīng)用。其基本設(shè)計思想為通過傳感器測量出被控對象溫度,將它與設(shè)定值做比較,通過一些控制算法,輸出控制量控制執(zhí)行機構(gòu)來調(diào)節(jié)溫度在控制領(lǐng)域中,溫度控制電路廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域,電阻爐溫度控制具有升溫單向性、大慣性、大滯后的特點。其升溫單向性是由于電阻爐的升溫保溫是依靠電阻絲加熱,降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻,當(dāng)其溫度一旦超調(diào),就無法用控制手段使其降溫。傳統(tǒng)的繼電器調(diào)溫電路簡單實用,但由于繼電器動作頻繁,可能會因觸點不良而影響正常工作。近年來提出改進(jìn)的電路,采用主回路無觸點控制,克服繼電器接觸不良的缺點,且維修方便,缺點是溫度控制范圍小,精度不高。最近幾年快速發(fā)展的PID控制,模糊控制,以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),遺傳算法在溫度控制中的都有所應(yīng)用。PID控制即比例、積分、微分控制,自19世紀(jì)40年代以來,由于其結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、控制效果好、魯棒性強等特點,因而,在工業(yè)過程控制中至今仍得到廣泛應(yīng)用<有資料表明在90％以上>。溫控系統(tǒng)將熱電偶實時采集的溫度值與設(shè)定值比較,將差值作為PID功能塊的輸入。PID算法計算出合適的輸出控制參數(shù),利用修改控制變量誤差的方法實現(xiàn)閉環(huán)控制,使控制過程連續(xù),其缺點是現(xiàn)場PID參數(shù)整定麻煩,被控對象模型參數(shù)難以確定,外界干擾會使控制漂離最佳狀態(tài)。許多學(xué)者提出一種PID參數(shù)自整定的溫度控制算法,用編程的方法實現(xiàn)在線參數(shù)自整定,這種系統(tǒng)特點是其瞬態(tài)響應(yīng)超調(diào)量小,抗干擾能力強,且振蕩有足夠的阻尼,具有良好的選擇性和靈敏度,控制效果得到了改善。。如果模糊控制與PID結(jié)合將具備兩者的優(yōu)點,其實質(zhì)是一種以模糊規(guī)則調(diào)節(jié)PID參數(shù)的自適應(yīng)控制,即在一般PID控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上,加上一個模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)[4]。根據(jù)不同實時狀態(tài)下對PID參數(shù)的推理結(jié)果分析可得,當(dāng)溫差較大時采用模糊控制,響應(yīng)速度快,動態(tài)性能好；當(dāng)溫差較小時采用PID控制,使其靜態(tài)性能好,滿足系統(tǒng)精度要求。因此模糊PID控制,比單一的模糊控制或PID控制有更好的控制性能,實現(xiàn)對任何一種模型參數(shù)的系統(tǒng)都能自動調(diào)節(jié)其PID參數(shù),使輸出與給定的溫度曲線趨于一致,實現(xiàn)快速響應(yīng)特性與超調(diào)量最優(yōu)的統(tǒng)一。本系統(tǒng)構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng),主要是對環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)采集與自動控制,其硬件組成如圖2．2所示。它主要由溫度測量電路、溫度控制電路、一塊基于USB總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡及相應(yīng)的軟件組成。其工作過程如下：溫度信號由傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號,經(jīng)信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入計算機,在計算機上運行的LABVIEW程序?qū)數(shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,結(jié)果由計算機顯示。計算機采集卡通過其A／D轉(zhuǎn)換通道采樣輸入信號,利用LABVIEW圖形化編程語言中的PID工具包中的Pm算法,求出系統(tǒng)輸出信號的大小,其輸出信號通過數(shù)據(jù)采集卡D／A通道輸出給外部溫度控制電路,以達(dá)到控制溫度的作用。通過數(shù)據(jù)采集卡輸出控制信號給外部雙向晶閘管,改變電阻爐的輸入功率,從而改變爐內(nèi)的溫度,最終達(dá)到控制溫度的作用。,一是因為虛擬儀器系統(tǒng)主控常采用pC機,而當(dāng)今PC機已經(jīng)更多地采用USB總線,二是因為USB總線已經(jīng)得到廣泛的支持。微軟Windows全面支持USB總線,Sun公司和Digital公司也已經(jīng)支持USB。USB是UniversalSerialBus的簡稱,即通用串行總線,它是近年開發(fā)出來的個人計算機<以下簡稱PC機>外設(shè)總線傳輸接口。這種接口連接簡單,可在不斷電的情況下進(jìn)行連接．且馬上就可使用,具有即插即用的功能。USB的出現(xiàn)與推廣,將結(jié)束現(xiàn)存PC機每種外設(shè)對應(yīng)一種專用接口的五花八門的局面。在1998年公步的USBI．1規(guī)范中,將USB的速率規(guī)定為全速模式和低速模式。主模式為全速模式,速率為12Mbps,以此適應(yīng)那些要求高速傳輸數(shù)據(jù)的外設(shè)。低速模式的傳輸速度為1．5Mbps,適用于那些傳輸量不大,但實時性要求較高的外設(shè)。不管是高速模式還是低速模式,其傳輸速率都比RS232接口快得多。在2000年公布的USB2．0規(guī)范中,USB的最高速率己達(dá)480Mbps。由此可見,USB可以很好地滿足高速的數(shù)據(jù)采集和處理的要求,可用作大多數(shù)虛擬儀器的通訊接口。系統(tǒng)要求控制的溫度值可以通過鍵盤在20--一200"C范圍內(nèi)自行設(shè)定,面板上可以顯示設(shè)定溫度值和實際溫度值,并且可以通過在線調(diào)節(jié)控制算法的參數(shù)以取得較好的控制效果。報警顯示主要完成的功能是上限報警、下限報警。控制電路的功能是在控制信號到來時觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通,產(chǎn)生電流,電阻絲發(fā)熱,爐溫上升。數(shù)據(jù)存貯部分是把溫度數(shù)據(jù)和溫度實時曲線作為一個文件,存在一個虛擬的數(shù)據(jù)庫中,以備對系統(tǒng)進(jìn)行分析的時候使用。打印報表是把存在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)讀出來,把波形存儲起來,需要的時候只要找到保存的文件就可以打印出來。數(shù)據(jù)采集就是通過采集卡,把電阻爐的溫度數(shù)據(jù)實時地采進(jìn)來,然后輸送到計算機里進(jìn)行處理和計算。本系統(tǒng)的被控對象是電阻爐,被控參數(shù)是爐內(nèi)的溫度,爐溫由熱電偶測量,熱電偶輸出電信號在100mV以下,經(jīng)信號調(diào)理模塊變?yōu)樾∮?0V信號,經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入計算機,計算機根據(jù)系統(tǒng)的給定溫度和爐內(nèi)實際溫度求出偏差,再利用PID控制算法求出系統(tǒng)的輸出控制信號,通過數(shù)據(jù)采集卡輸出控制信號給外部雙向晶閘管,改變輸入給電阻爐的功率,從而改變爐內(nèi)的溫度,最終達(dá)到控制溫度的作用PID在溫度控制中已使用數(shù)十年,是一種成熟的技術(shù),它具有結(jié)構(gòu)簡單,易于理解和實現(xiàn)的特點[13]。在工業(yè)控制中,90％以上的控制系統(tǒng)回路具有PID結(jié)構(gòu)。在目前的溫度控制領(lǐng)域,應(yīng)用十分廣泛PID控制是一種負(fù)反饋控制,是一種線性控制器,它具有比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)作用,它根據(jù)給定值r<t>與實際輸出值y<t>構(gòu)成控制偏差：e<t>=y<t>一r<t>主控程序采用的是模塊化的設(shè)計方法,將系統(tǒng)劃分成幾個相互獨立的功能模塊,各模塊內(nèi)部分別完成確定的任務(wù),模塊之間相對獨立而又通過系統(tǒng)的框架協(xié)議相互聯(lián)系。模塊化編程的主要優(yōu)點是：單個模塊容易編寫、查錯和測試；有利于程序設(shè)計任務(wù)的劃分；模塊可阻共享,一個模塊可被多個任務(wù)在不同的條件下調(diào)用f32l。根據(jù)電阻爐溫度控制系統(tǒng)的基本要求,將系統(tǒng)劃分為六個功能模塊,即：密碼驗證模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、信號處理模塊、數(shù)據(jù)報警模塊、數(shù)據(jù)存取模塊以及PID控制器模塊等。主程序界面包括參數(shù)設(shè)定、實時溫度顯示<包括數(shù)字顯示和模擬顯示>、溫度曲線實時顯示、控制算法配置<包括算法選擇及其參數(shù)的調(diào)整卜控制操作<包括控靠蛞行、數(shù)據(jù)操作、報表打印、幫助四個部分>、系統(tǒng)時間顯示、輸入輸出板卡設(shè)置、保存路徑等幾個部分,如下圖41所示：在數(shù)據(jù)采集模塊中．可實現(xiàn)對電阻爐溫度的測量,并把采集到的數(shù)據(jù)全部存儲到數(shù)據(jù)表中．以各今后數(shù)據(jù)處理、計算及打印。數(shù)據(jù)采集是本系統(tǒng)軟件的主要功能,也是其它模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、圖形繪制的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集模塊是動態(tài)測試中的重要部分,可以進(jìn)行采集方式相關(guān)參數(shù)的設(shè)置,它直接影響到后面數(shù)分析的結(jié)果及其他功能的實現(xiàn)。該模塊工作狀態(tài)的好快直接影響到整個系統(tǒng)工作的正常與否,主要完成數(shù)據(jù)采集的控制,通道控制和時基控制等。LABVIEW集成了功能強大的數(shù)據(jù)采集函數(shù)庫DataAcquisition。其中有大量的數(shù)據(jù)采集子程序,這些子程序只支持NI公司的數(shù)據(jù)采集卡,由于我使用NIUSB一6008采集卡,可以直接使用這些模塊,為設(shè)計本系統(tǒng)提供了方便。我們也可以通過DAQAssistant函數(shù)來實現(xiàn)對采集卡輸入輸出類型、采集數(shù)據(jù)類型以及聚集所用通道選擇等進(jìn)行設(shè)置,也可以通過DAQmxTaskNameConstant函數(shù)和DAQmxGlobalChannelConstant函數(shù)來實現(xiàn)。LabVIEW的模糊邏輯工具包<FuzzyLogicToolkit>為設(shè)計者提供了便捷的開發(fā)平臺。模糊控制是基于規(guī)則的一種智能控制,它不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型,特別適宜對具有多輸入多輸出的強耦合性、參數(shù)的時變性和嚴(yán)重的非線性與不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)或過程的控制,且控制方法簡單,實際效果好,近年來在各個工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但由于模糊控制理論還并不完善,系統(tǒng)設(shè)計缺乏統(tǒng)一有效的理論指導(dǎo),在模糊控制器的實際設(shè)計和應(yīng)用中仍主要采用試湊的方法,通過試湊法進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計,必須根據(jù)仿真或?qū)嶋H控制效果不斷的調(diào)整控制器參數(shù),如隸屬函數(shù)的形狀、分布,比例、量化因子的取值,解模糊方法,控制規(guī)則等,工作量大而繁瑣,因此一個高效方便的開發(fā)環(huán)境對模糊