虛擬熱電偶溫度記錄儀

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）虛擬熱電偶溫度記錄儀摘 要溫度是表征設(shè)備狀態(tài)的重要物理量，也是傳熱學(xué)中進(jìn)行分析計(jì)算的重要參數(shù)，溫度測(cè)試及記錄是工業(yè)應(yīng)用與教學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。隨著測(cè)控技術(shù)的發(fā)展，熱電偶溫度測(cè)量記錄及其技術(shù)與虛擬儀器相結(jié)合成為了溫度測(cè)試領(lǐng)域的一個(gè)新課題，對(duì)測(cè)控技術(shù)的發(fā)展具有十分積極的意義。在資料收集過(guò)程中，基于單片機(jī)、dsp的嵌入式、和虛擬儀器這三種方法實(shí)現(xiàn)的熱電偶溫度記錄的方案在實(shí)際應(yīng)運(yùn)中使用比較普遍。本設(shè)計(jì)采用基于虛擬儀器的熱電偶溫度記錄儀來(lái)實(shí)現(xiàn)熱電偶溫度記錄。設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件主要是由前端感溫裝置(溫度傳感器)、數(shù)據(jù)采集卡、pc機(jī)系統(tǒng)等組成主

2、要實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)采集、轉(zhuǎn)化、處理等功能。軟件設(shè)計(jì)采用labview8.5進(jìn)行圖形化編程設(shè)計(jì)了前面板。該界面可以通過(guò)用戶登陸端顯示溫度采集、溫度記錄、溫度查詢?nèi)糠智懊姘?。在程序設(shè)計(jì)中，編寫(xiě)了用戶管理、daq采集、通道選擇、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)、數(shù)據(jù)庫(kù)寫(xiě)入、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢等子vi，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于八個(gè)不同通道的數(shù)據(jù)的采集、記錄、實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警及查詢等功能。關(guān)鍵詞：lab view；虛擬儀器；傳統(tǒng)儀器；溫度；采集；記錄內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）virtual thermocouple temperature recorderabstracttemperature not only is an import

3、ant characterization of physical equipment, but also is the heat transfer analysis in an important parameter.the test and record the temperature industrial applications are often experiment with teaching problems. with the development of modern control technology in the thermocouple temperature reco

4、rds of the application of virtual instrument technology, how they can be recorded and its technology with the lab view effective combination of virtual instrument to test the temperature has become a new topic in the field of measurement. and control technology development is very positive. in the d

5、ata collation process, mcu-based, dsp-based and based on virtual instrument logger, based on the temperature recorder of the three programs should be delivered in practice the use of more common. this set of virtual instrument which is based on the thermocouple temperature recorder, is record the te

6、mperature of thermocouple. design is divided into hardware design and software design.hardware was designed by the front-end temperature sensing devices (temperature sensors), data acquisition cards, pc systems, etc. it is mainly temperature signal acquisition, transformation, processing and other f

7、unctions.software design used labview8.5 graphical programming software. the interface can be displayed temperature acquisition, temperature records and temperature query through user-side. in program design, i prepared a sub-vi (user management, daq acquisition, channel selection, database access,

8、database write database query). and they achieved the eight different channels for data collection, recording, real-time display, alarm and inquiry functions.key words: virtual instrument; traditional instruments; temperature; collection; records內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）目 錄摘 要iabstractii第一章 引 言11.1 研究背景及

9、意義11.1.1 研究背景11.1.2 研究意義21.2 虛擬儀器技術(shù)21.2.1 虛擬儀器的概念31.2.2虛擬儀器的結(jié)構(gòu)31.2.3虛擬儀器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)41.3 熱電偶溫度記錄儀61.3.1 熱電偶的發(fā)展現(xiàn)狀71.3.2 熱電偶的發(fā)展趨勢(shì)81.4 本章小結(jié)9第二章 熱電偶溫度記錄儀方案選擇與設(shè)計(jì)112.1 常用設(shè)計(jì)方案112.1.1 基于單片機(jī)的溫度記錄儀112.1.2 基于dsp的嵌入式溫度記錄儀112.1.3 基于虛擬儀器的溫度記錄儀122.2 方案比較與選擇13第三章基于虛擬儀器的熱電偶溫度記錄儀的硬件設(shè)計(jì)143.1熱電偶溫度記錄儀調(diào)理電路153.1.1 冷端補(bǔ)償調(diào)理電路153.1.2

10、信號(hào)調(diào)理電路163.1.3 pci6221數(shù)據(jù)采集卡設(shè)置183.2 本章小結(jié)20第四章 基于虛擬儀器的熱電偶溫度記錄儀的軟件設(shè)計(jì)214.1軟件前面板設(shè)計(jì)214.2 主程序框圖設(shè)計(jì)254.2.1用戶登錄模塊程序設(shè)計(jì)254.2.2數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)模塊程序設(shè)計(jì)274.2.3 通道選擇模塊程序設(shè)計(jì)284.2.4溫度采集模塊程序設(shè)計(jì)294.2.5 信號(hào)處理模塊程序設(shè)計(jì)294.2.6 溫度報(bào)警模塊程序設(shè)計(jì)324.2.7 數(shù)據(jù)庫(kù)寫(xiě)入模塊程序設(shè)計(jì)324.2.8 數(shù)據(jù)庫(kù)查詢模塊程序設(shè)計(jì)334.3 本章小結(jié)34第五章運(yùn)行與檢測(cè)375.1 運(yùn)行結(jié)果375.2 本章小結(jié)39參考文獻(xiàn)41附錄：主程序圖43致 謝44內(nèi)蒙古科技

11、大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第一章 引 言1.1 研究背景及意義隨著現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展，以labview (laboratory virtual instrument engineering workbench ) 為軟件平臺(tái)虛擬儀器測(cè)量技術(shù)正在現(xiàn)代測(cè)控領(lǐng)域占據(jù)越來(lái)越重要的位置。在熱電偶溫度記錄工作中，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)可以提高工作效率，節(jié)約成本和提高準(zhǔn)確性。因此如何能將熱電偶溫度測(cè)量記錄及其技術(shù)有效的與labview虛擬儀器相結(jié)合就成了溫度測(cè)試領(lǐng)域的一個(gè)新課題，對(duì)測(cè)控技術(shù)的發(fā)展具有相當(dāng)積極的意義。1.1.1 研究背景溫度是表征設(shè)備狀態(tài)的重要物理量，也是傳熱學(xué)中進(jìn)行分析計(jì)算的重要參數(shù)，溫度

12、測(cè)試及記錄是工業(yè)應(yīng)用與教學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。早期的溫度記錄儀都是有紙類(lèi)型的，隨著計(jì)算機(jī)的普及和廣泛應(yīng)用，無(wú)紙溫度記錄儀產(chǎn)生，并因?yàn)槠涓鼫?zhǔn)確地?cái)?shù)據(jù)記錄、更方便的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、更便捷的數(shù)據(jù)分析功能，所占市場(chǎng)份額逐年猛增；近兩年推出的帶usb接口的無(wú)紙記錄儀更是極大的方便了數(shù)據(jù)的下載和保存1。然而由于在某些場(chǎng)合目前有關(guān)規(guī)定必須使用有紙溫度記錄儀，比如：醫(yī)療上用的高溫殺菌鍋、低溫冷藏、用于出口的食品生產(chǎn)等；以及有紙溫度記錄儀無(wú)須電腦知識(shí)而適用于一些低知識(shí)水準(zhǔn)員工操作場(chǎng)合的管理和控制，因此有紙溫度記錄儀一時(shí)還無(wú)法被無(wú)紙記錄儀完全替代。 進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)， 作為測(cè)試技術(shù)的一個(gè)分支， 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)和研制在

13、國(guó)內(nèi)得到了飛速的發(fā)展。虛擬儀器是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來(lái)模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板， 以多種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果， 利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理，并利用i/o接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)理，從而完成各種測(cè)試功能的計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。1.1.2 研究意義 隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，例如在發(fā)電廠、鋼鐵廠、化工領(lǐng)域的生產(chǎn)中都需要對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集，而溫度采集又是其中極為重要的部分。目前，溫度測(cè)量主要采用玻璃液體溫度計(jì)，人工觀測(cè)。這種測(cè)量方式，一方面給偏遠(yuǎn)地區(qū)的觀測(cè)人員帶來(lái)諸多不便；另一方面，測(cè)量精度受人為因素影響，測(cè)量誤差大。因此

14、，有必要采用效率和自動(dòng)化水平更高的新的測(cè)量手段。在農(nóng)業(yè)方面，溫度的變化影響作物的發(fā)芽、幼苗的成長(zhǎng)、作物的開(kāi)花、果實(shí)的成熟，等等。對(duì)于不同的作物，其適宜的生長(zhǎng)溫度總是在一個(gè)范圍。超過(guò)這個(gè)范圍，作物或許會(huì)成活，但是其生長(zhǎng)的規(guī)律將發(fā)生明顯的變化，這對(duì)于作物能夠優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的目標(biāo)相距甚遠(yuǎn)，因此， 實(shí)時(shí)獲取作物生長(zhǎng)的環(huán)境溫度，對(duì)超過(guò)作物生長(zhǎng)適宜范圍的溫度能夠報(bào)警非常重要。同時(shí)，作物的適宜溫度范圍可以由檢測(cè)人員根據(jù)實(shí)際情況加以改變。 以labview 為代表的圖形化語(yǔ)言，又稱為g語(yǔ)言。使用這種語(yǔ)言編程的時(shí)候，基本上不需要編寫(xiě)程序代碼，而是“繪制”程序流程圖。利用labview，可以產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件。

15、它遵循“軟件即儀器”的概念，將計(jì)算機(jī)資源、儀器測(cè)/控硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通信及圖形用戶界面的軟件進(jìn)行有效結(jié)合，從而大大減少了儀器的硬件資源，并可以按照用戶的需要定義儀器功能和結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)用戶自己的儀器2。所以，在熱電偶溫度記錄工作中，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)可以提高工作效率，節(jié)約成本和提高準(zhǔn)確性。因此如何能將熱電偶溫度測(cè)量記錄及其技術(shù)有效的與labview虛擬儀器相結(jié)合就成了溫度測(cè)試領(lǐng)域的一個(gè)新課題，對(duì)測(cè)控技術(shù)的發(fā)展具有相當(dāng)積極的意義。1.2 虛擬儀器技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)的高速發(fā)展，儀器測(cè)量技術(shù)也開(kāi)始由傳統(tǒng)儀器向計(jì)算機(jī)化方向邁進(jìn)。20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)國(guó)家儀器公司（natio

16、nal instrument簡(jiǎn)稱ni）首先提出了“軟件就是儀器”這一虛擬儀器簡(jiǎn)稱概念，并隨之推出第一批實(shí)用成果。這一創(chuàng)新使得用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，而不像傳統(tǒng)儀器那樣受到廠商的限制。虛擬儀器的出現(xiàn)徹底改變了傳統(tǒng)的儀器觀念，開(kāi)辟了測(cè)控技術(shù)的新紀(jì)元。 1.2.1 虛擬儀器的概念所謂虛擬儀器，就是在通用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上定義和設(shè)計(jì)等同常規(guī)儀器的各種功能，用戶操作計(jì)算機(jī)的同時(shí)就是在使用一臺(tái)專門(mén)的電子儀器。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心，充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，提供對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析處理和顯示功能。虛擬儀器技術(shù)強(qiáng)調(diào)軟件在測(cè)控系統(tǒng)中的重要的地位，但也并不排斥測(cè)試硬件平臺(tái)的重要性。虛擬儀器

17、測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)采集設(shè)備和調(diào)理設(shè)備將計(jì)算機(jī)硬件和被測(cè)量硬件連接起來(lái)，再通過(guò)軟件取代常規(guī)儀器硬件，將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理3。1.2.2虛擬儀器的結(jié)構(gòu)虛擬儀器由硬件和軟件兩部分組成3。虛擬儀器的硬件主體是電子計(jì)算機(jī)，通常是個(gè)人計(jì)算機(jī)，也可以是任何通用電子計(jì)算機(jī)。為計(jì)算機(jī)配置的電子測(cè)量?jī)x器硬件模塊是各種傳感器、信號(hào)調(diào)理器、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(dac)、數(shù)據(jù)采集卡(daq)等。電子計(jì)算機(jī)及其配置的電子測(cè)量?jī)x器硬

18、件模塊組成了虛擬儀器測(cè)試硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)。虛擬儀器還可以選配開(kāi)發(fā)廠家提供的系統(tǒng)硬件模塊，組成更為完善的硬件平臺(tái)。按照測(cè)控功能硬件的不同，vi可分為gpib、vxi、pxi和daq四種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。（1）gpib（general purpose interface bus）通用接口總線，是計(jì)算機(jī)和儀器間的標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議。gpib的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議己納入國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ieee488.1和ieee 488.2。它是最早的儀器總線，目前多數(shù)儀器都配置了遵循ieee 488的gpib接口。典型的gpib測(cè)試系統(tǒng)包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一塊gpib接口卡和若干臺(tái)gpib儀器。gpib儀器覆蓋了從比較便宜的到非常昂貴的

19、儀器。但是gpib的數(shù)據(jù)傳輸速度一般低于500kb/s，不大適合于對(duì)系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用。（2）vxi（vmebusextensionforinstrumentation）即vme總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是1987年在vme總線、euro card標(biāo)準(zhǔn)(機(jī)械結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn))和ieee 488等標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，由主要儀器制造商共同制訂的開(kāi)放性儀器總線標(biāo)準(zhǔn)。vxi系統(tǒng)最多可包含256個(gè)裝置，主要由主機(jī)箱、“0槽”控制器、具有多種功能的模塊儀器、驅(qū)動(dòng)軟件和系統(tǒng)應(yīng)用軟件等組成。系統(tǒng)中各功能模塊可隨意更換，即插即用，可隨意組成新系統(tǒng)。vxi的價(jià)格相對(duì)較高，適合于尖端的測(cè)試領(lǐng)域。（3）pxi （pci exten

20、sion for instrumentation）pci在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是ni公司于1997年發(fā)布的一種新的開(kāi)放性、模塊化儀器總線規(guī)范。其核心是compact pci結(jié)構(gòu)和microsoft windows軟件。（4）daq （data acquisition）數(shù)據(jù)采集，指的是基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線（如isa、pci、pc/104等）的內(nèi)置功能插卡。它更加充分地利用計(jì)算機(jī)的資源，大大增加了測(cè)試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。利用daq可方便快速地組建基于計(jì)算機(jī)的儀器（computer-based instruments），實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多型”和“一機(jī)多用”。1.2.3虛擬儀器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)虛擬儀器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展呈現(xiàn)

21、兩條主線：一是gpibvxipxi總線方式,二是pc插卡式lpt并行口式串口usb方式ieee標(biāo)準(zhǔn)的1394口方式。美國(guó)ni公司開(kāi)發(fā)的labview和中國(guó)coinv開(kāi)發(fā)的dasp虛擬儀器平臺(tái)是國(guó)內(nèi)外具有代表性的兩個(gè)平臺(tái)，其軟件各有特點(diǎn)，互相不能替代、功能互補(bǔ)。labview平臺(tái)是一個(gè)在國(guó)內(nèi)外具有相當(dāng)影響和大量用戶的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它對(duì)于一般儀器的開(kāi)發(fā)商、學(xué)校儀器制造專業(yè)的教學(xué)以及一些特殊的用戶是適宜的，但由于它是用于虛擬儀器二次開(kāi)發(fā)的軟件，而非可最終直接使用的儀器，這對(duì)大量的一般直接用戶即只想用虛擬儀器馬上直接測(cè)試分析試驗(yàn)結(jié)果的用戶，有不方便的地方，也有局限性。dasp平臺(tái)它是直接面向最終用

22、戶的虛擬儀器庫(kù)，直接可以使用，不需要再進(jìn)行編程加工，用起來(lái)非常的快捷方便，精度又很高，用戶拿起來(lái)就可直接使用，但對(duì)于專業(yè)儀器開(kāi)發(fā)商或者儀器行業(yè)自己需開(kāi)發(fā)虛擬儀器的用戶，有一定的局限性。和常規(guī)儀器技術(shù)相比，ni虛擬儀器技術(shù)有四大優(yōu)勢(shì)4：（1）性能高虛擬儀器技術(shù)是在pc技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，所以完全繼承了以現(xiàn)成即用的pc技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件i/o，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤(pán)的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來(lái)越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。（2）擴(kuò)展性強(qiáng)ni的軟硬件工具使得工程師和科學(xué)家們不再受硬件儀器的限制。這些都得

23、益于ni軟件的靈活性，我們要做的只是更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無(wú)需軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)自己的系統(tǒng)。在利用最新科技的時(shí)候，還可以把它們集成到現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間。（3）開(kāi)發(fā)時(shí)間少在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，ni高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。ni設(shè)計(jì)這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時(shí)還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使用戶輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案。（4）無(wú)縫集成虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成

24、多個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)滿足完整的測(cè)試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí)間。ni的虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的io設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助用戶輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。1.3 熱電偶溫度記錄儀熱電偶測(cè)溫的基本原理是基于金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)。兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體a，b構(gòu)成閉合回路，如圖1.1所示。當(dāng)兩端溫度不同，在閉合回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象就稱為熱電效應(yīng)。 圖 1.1 熱電偶測(cè)溫原理圖工藝上比較成熟是標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，其能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛而且具有統(tǒng)一的分度表，并已列入國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)文件中的熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證。國(guó)際電工

25、委員會(huì)（iec）共推薦了8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的名稱，分度號(hào)，測(cè)量范圍，精確度等級(jí)及允許偏差如表1.1所示。表1.1 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶分度表5 熱電偶名稱分度號(hào)熱電偶識(shí)別e(100,0)（mv）測(cè)溫范圍（）對(duì)分度表允許偏差（）新極性識(shí)別長(zhǎng)期短期等級(jí)使用溫度允差鉑銠10-鉑s正亮白硬0.646013001600iii6001.5負(fù)亮白軟6000.25%t鉑銠13-鉑r正較硬0.647013001600ii11000.25%t鉑銠30-鉑b正較硬0.33016001800iii6009004負(fù)稍軟8000.5%t鎳鉻-鎳硅k正不親磁4.096012001300ii-4013002.5負(fù)稍親磁i

26、ii-200-402.5鎳鉻硅-鎳硅n正不親磁2.774-20012001300i-401100-1.5負(fù)稍親磁ii-4013002.5鎳鉻-康銅e正暗綠6.319-200760850ii409002.5負(fù)亮黃iii-200402.5銅-康銅t正紅色4.279-200350400ii-403501負(fù)銀白色iii-200401鐵-康銅j正親磁5.269-200600750ii-407502.5負(fù)不親磁非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的發(fā)展很快，主要目的是進(jìn)一步擴(kuò)展高溫的測(cè)量范圍和低溫的測(cè)量范圍。但對(duì)這一類(lèi)熱電偶的研究還不夠成熟，雖然已經(jīng)有產(chǎn)品，且能夠使用，但還沒(méi)有統(tǒng)一的分度表。1.3.1 熱電偶的發(fā)展現(xiàn)狀熱電偶由

27、兩種不同金屬或合金組成閉合回路。它們的一端通常焊接在一起形成接點(diǎn)，稱為測(cè)量端(工作端或熱端)。而另一端置于被測(cè)溫場(chǎng)中其參考端恒定在某一溫度下(通常為0)，然后通過(guò)連接導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x表相連6。由于熱電偶兩端所處的溫度不同，在熱電偶中就有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生用測(cè)量?jī)x表測(cè)得電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值后，便可間接知道相應(yīng)的溫度或者直接由測(cè)量?jī)x表指示出溫度。熱電偶作為測(cè)溫元件，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、使用方便、測(cè)溫精度較高，可就地測(cè)量和遠(yuǎn)傳。在工作時(shí)，只要與顯示儀表配合即可測(cè)量氣體、液體、固體的溫度。熱電偶可以用來(lái)測(cè)量-2001600范圍內(nèi)的溫度，有些熱電偶甚至可測(cè)量2000以上溫度。所以熱電偶是使用最廣泛的測(cè)溫元件之一。通過(guò)熱電

28、偶冷端補(bǔ)償進(jìn)行溫度測(cè)量是一種傳統(tǒng)、有效的方法，廣大技術(shù)工作人員在實(shí)際的測(cè)量檢測(cè)中已經(jīng)積累了較多的經(jīng)驗(yàn)7。然而廣泛應(yīng)用于工業(yè)和科研中的熱電偶傳感器。由于受到測(cè)量環(huán)境、介質(zhì)氣氛、使用溫度以及絕緣材料和保護(hù)套管材料玷污等情況的影響，使用一段時(shí)間后，其熱電特性會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)熱電特性變化超過(guò)規(guī)定的范圍時(shí)，熱電偶指示的溫度便會(huì)失真，測(cè)溫誤差越來(lái)越大8。除此之外由于熱電偶熱電勢(shì)和溫度之間的非線性以及冷端溫度的不穩(wěn)定，影響了測(cè)溫精度。傳統(tǒng)的冷端及非線性補(bǔ)償方法主要有以下兩種:一是基于硬件的補(bǔ)償，但補(bǔ)償電路復(fù)雜，成本較高，精度不夠；二是基于軟件的補(bǔ)償，通過(guò)微機(jī)進(jìn)行擬合或插值實(shí)現(xiàn)修正，普通的軟件補(bǔ)償對(duì)工作人員編程

29、能力要求較高，計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性不是很好。因此，傳統(tǒng)補(bǔ)償方法在很多場(chǎng)合已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代測(cè)溫的要求9。1.3.2 熱電偶的發(fā)展趨勢(shì)國(guó)內(nèi)外的許多研究機(jī)構(gòu)和制造商,根據(jù)工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的檢測(cè)和控制要求,不斷設(shè)計(jì)和制造出許多新的熱電偶、熱電阻,目前的發(fā)展趨勢(shì)大致如下。（1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)鎧裝化鎧裝熱電偶與熱電阻具有壽命長(zhǎng)、可彎曲、熱響應(yīng)時(shí)間小、耐震動(dòng)等的優(yōu)點(diǎn),倍受用戶的青睞。它也將逐步地代替過(guò)去用絕緣瓷珠穿絲的裝配結(jié)構(gòu)型式10。（2）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)安裝套管化由于熱電偶與熱電阻檢測(cè)元件實(shí)現(xiàn)了鎧裝化,因此可以做到整機(jī)與套管分離成兩部分,用戶可以預(yù)先將套管安裝在工業(yè)過(guò)程設(shè)備上,熱電偶或熱電阻可以在不停機(jī)情況下安裝或拆卸,設(shè)

30、備中的介質(zhì)不會(huì)泄漏,既可靠又安全10。（3）檢測(cè)、信號(hào)轉(zhuǎn)換和現(xiàn)場(chǎng)顯示一體化隨著電子產(chǎn)品小型化,原來(lái)作為直流420ma或15v標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳輸?shù)臒犭娕蓟驘犭娮柘盗械臏囟茸兯推?實(shí)際上應(yīng)該叫信號(hào)轉(zhuǎn)換器)也已小型化,可以安裝在現(xiàn)場(chǎng)的熱電偶或熱電阻接線盒內(nèi)與熱電偶或熱電阻成為一體。對(duì)于熱電偶來(lái)說(shuō)只需用兩根普通導(dǎo)線連接而不必使用較為昂貴的補(bǔ)償導(dǎo)線；對(duì)于熱電阻來(lái)說(shuō)不必再使用三根導(dǎo)線檢測(cè)。信號(hào)轉(zhuǎn)換和顯示成為一體的帶轉(zhuǎn)換器和帶顯示的熱電偶與熱電阻則可滿足現(xiàn)場(chǎng)顯示需要10。近年來(lái),現(xiàn)場(chǎng)總線已廣泛應(yīng)用于許多自動(dòng)化控制領(lǐng)域,帶智能型轉(zhuǎn)換器的熱電偶與熱電阻也已面世。它采用二線制420ma或數(shù)字化輸出,通過(guò)手持終端操作器接

31、在420ma任意位置,實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通訊的現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)距離重調(diào)。它還具有pid的控制功能。在這種情況下,420ma作為控制輸出,過(guò)程變量是測(cè)量的溫度值,設(shè)置則可由操作者直接或使用一個(gè)可組態(tài)的設(shè)置操作器來(lái)調(diào)整,其輸出信號(hào)可接到執(zhí)行單元；同時(shí)信號(hào)的數(shù)字部分提供過(guò)程變量、輸出、設(shè)置和其他轉(zhuǎn)換參數(shù)或pid參數(shù)。1.4 本章小結(jié)溫度是表征設(shè)備狀態(tài)的重要物理量，也是傳熱學(xué)中進(jìn)行分析計(jì)算的重要參數(shù)，溫度采集及記錄是工業(yè)應(yīng)用與教學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。為了解決上述這些問(wèn)題，早期儀器儀表的開(kāi)發(fā)者采用了有紙記錄儀，隨著計(jì)算機(jī)的普及和廣泛應(yīng)用，無(wú)紙溫度記錄儀產(chǎn)生，并因?yàn)槠涓鼫?zhǔn)確地?cái)?shù)據(jù)記錄、更方便的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、更便捷的數(shù)據(jù)分

32、析功能，所占市場(chǎng)份額逐年猛增。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)的高速發(fā)展，儀器測(cè)量技術(shù)也開(kāi)始由傳統(tǒng)儀器向計(jì)算機(jī)化方向邁進(jìn)。和常規(guī)儀器技術(shù)相比，虛擬儀器技術(shù)有四大優(yōu)勢(shì)：性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間少、無(wú)縫集成。例如利用labview，可以產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件。它遵循“軟件即儀器”的概念，將計(jì)算機(jī)資源、儀器測(cè)/控硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通信及圖形用戶界面的軟件進(jìn)行有效結(jié)合，從而大大減少了儀器的硬件資源，并可以按照用戶的需要定義儀器功能、結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)用戶自己的儀器。這一創(chuàng)新使得用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，而不像傳統(tǒng)儀器那樣受到廠商的限制。虛擬儀器的出現(xiàn)徹底改變了傳統(tǒng)的儀

33、器觀念，開(kāi)辟了測(cè)控技術(shù)的新紀(jì)元。因此在熱電偶溫度記錄工作中，如何能將熱電偶溫度采集記錄技術(shù)有效的與labview虛擬儀器相結(jié)合就成了溫度采集及記錄領(lǐng)域的一個(gè)新課題，對(duì)測(cè)控技術(shù)的發(fā)展具有相當(dāng)積極的意義。第二章 熱電偶溫度記錄儀方案選擇與設(shè)計(jì)2.1 常用設(shè)計(jì)方案在資料收集及整理的過(guò)程中，目前只有以下三種方案在實(shí)際應(yīng)運(yùn)中使用比較普遍。下面進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，以便比較選擇。2.1.1 基于單片機(jī)的溫度記錄儀設(shè)計(jì)虛擬儀器圖形溫度記錄儀的主要思想是：以at89c51為中心，通過(guò)溫度傳感器ds18b20測(cè)試環(huán)境溫度，單片機(jī)讀入溫度值后通過(guò)mx232傳給上位機(jī)，然后上位機(jī)對(duì)接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并把分析的結(jié)果以圖形方

34、式顯示出來(lái)11 121314。本系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2.1所示：圖2.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖ds18b20是一線式數(shù)字溫度傳感器。它將地址、數(shù)據(jù)線和控制線組合為一根雙向串行傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)線，允許在這根信號(hào)線上掛接多個(gè)ds18b20；因此，單片機(jī)只需通過(guò)一根i/o線就可以與多個(gè)ds18b20通信。max232是一種雙組驅(qū)動(dòng)器/接收器，片內(nèi)含有一個(gè)電容性電壓發(fā)生器以便在單5v電源供電時(shí)提供eia/tia-232-e電平。at89c51出廠所配晶振頻率為11.0592mh，每個(gè)機(jī)器周期為1.085us，用戶可更換晶振以提高速度。2.1.2 基于dsp的嵌入式溫度記錄儀dsp（digital signal

35、processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含ds28ea00測(cè)溫、usb接口、sd卡接口、外擴(kuò)ram、tms320f2812數(shù)字信號(hào)處理等模塊15。其中，tms320f2812控制溫度計(jì)ds28ea00順序采集各測(cè)量點(diǎn)溫

36、度，經(jīng)處理后暫存至外擴(kuò)ram，當(dāng)滿足特定條件后，通過(guò)usb接口將數(shù)據(jù)以文件形式存儲(chǔ)到u盤(pán)或sd卡中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2.2所示。圖2.2 dsp 的嵌入式溫度記錄儀系統(tǒng)框圖2.1.3 基于虛擬儀器的溫度記錄儀溫度傳感器采集被測(cè)物溫度信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)放大器放大，濾波電路濾波后輸入到數(shù)據(jù)采集卡，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，再應(yīng)運(yùn)labview程序?qū)?shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在計(jì)算機(jī)上完成數(shù)據(jù)的記錄顯示等功能。系統(tǒng)框圖如圖2.3所示：圖 2.3 熱電偶溫度記錄系統(tǒng)框圖正如在第一章中所述，以labview 為代表的圖形化語(yǔ)言，又稱為g語(yǔ)言。他和常規(guī)儀器技術(shù)相比之下有，無(wú)縫

37、集成、開(kāi)發(fā)時(shí)間少、擴(kuò)展性強(qiáng)、性能高等優(yōu)點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)中，用戶還可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能，設(shè)計(jì)出符合自己要求的儀器儀表來(lái)。這樣的虛擬儀器開(kāi)發(fā)周期短，效率高，而且成本也低的多。2.2 方案比較與選擇從基于單片機(jī)的溫度記錄儀設(shè)計(jì)方案中可以看出，從傳感器到cpu還有許多環(huán)節(jié)需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)設(shè)計(jì)，過(guò)程繁瑣、調(diào)試期長(zhǎng)、修改不方便，而本文借助labview圖形化軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，用軟件代替daq數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)的這種虛擬溫度采集系統(tǒng)，比以前的更易修改且成本低、而且周期也短16從基于dsp的嵌入式溫度記錄儀設(shè)計(jì)方案中，可以看出它雖然有它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，但是與基于虛擬儀器的溫度記

38、錄儀的設(shè)計(jì)相比較來(lái)看，還是有很多的不足之處。dsp這種獨(dú)特的微處理器，具有相對(duì)復(fù)雜的編程而且指令程序也相對(duì)復(fù)雜。虛擬儀器的設(shè)計(jì)中，硬件要求很低，成本低廉，程序?yàn)閳D形化語(yǔ)言，編程容易。這樣，在儀器儀表的設(shè)計(jì)中，就可以省不少開(kāi)發(fā)時(shí)間和不必要的浪費(fèi)。除此之外，基于虛擬儀器的溫度記錄儀的設(shè)計(jì)中，用戶還可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能，設(shè)計(jì)出符合自己要求的儀器儀表來(lái)。這樣的虛擬儀器開(kāi)發(fā)周期短，效率高。綜上所述，在本設(shè)計(jì)中采用第三種方案，即采用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)熱電偶溫度的記錄。第三章 基于虛擬儀器的熱電偶溫度記錄儀的硬件設(shè)計(jì)虛擬儀器測(cè)溫系統(tǒng)是用虛擬儀器技術(shù)改造傳統(tǒng)的測(cè)溫儀，使其具有更強(qiáng)大的功能。本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)框

39、圖如圖3.1所示，系統(tǒng)通過(guò)前端感溫裝置熱電偶傳感元件，將被測(cè)對(duì)象的溫度轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行功率放大、濾波等處理后，變換為可被pci6221數(shù)據(jù)采集卡采集的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。在數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。并在數(shù)據(jù)采集指令下將其送入計(jì)算機(jī)總線，在pc機(jī)內(nèi)利用已經(jīng)安裝的虛擬儀器軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行所需的各種處理。圖3.1 虛擬熱電偶溫度測(cè)量框圖在上述虛擬熱電偶溫度測(cè)量框圖3.1中，集成溫度傳感器ad590測(cè)量實(shí)時(shí)環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償。ad590是由美國(guó)模擬器件公司(ad)生產(chǎn)的恒流源式模擬集成溫度傳感器，其產(chǎn)生的電流與絕對(duì)溫度成正比,它可使用的工作電壓為4v30v,檢測(cè)的溫度

40、范圍為-55+150,它有非常好的線性輸出性能,溫度每增加1,其電流增加1a17。它兼有集成恒流源和集成溫度傳感器的特點(diǎn)，測(cè)量誤差小、體積小、微功耗，適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫，不需要進(jìn)行非線性校正。通過(guò)取樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)放大后，由數(shù)據(jù)采集卡采集進(jìn)入pc18。溫度由熱電偶從熱端進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后，將數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)采集卡。冷端補(bǔ)償由ad590實(shí)現(xiàn)，由于其輸出的信號(hào)是電流信號(hào)，需要轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)并將該電壓信號(hào)按電壓與溫度線性關(guān)系送到虛擬儀器中完成溫度補(bǔ)償，這部分在虛擬儀器中實(shí)現(xiàn)。ad590測(cè)量實(shí)時(shí)環(huán)境溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償后此時(shí)labview環(huán)境下，經(jīng)過(guò)程序模擬儀器，就可以在計(jì)算機(jī)中顯示出熱端

41、測(cè)量到的實(shí)際溫度值。 3.1熱電偶溫度記錄儀調(diào)理電路由圖3.1可以看到，虛擬熱電偶溫度記錄儀的硬件實(shí)現(xiàn)是有冷端溫度補(bǔ)償電路和信號(hào)調(diào)理電路兩部分組成。下面將分別介紹。3.1.1 冷端補(bǔ)償調(diào)理電路此溫度測(cè)量系統(tǒng)以熱電偶中間溫度定律為基礎(chǔ)理論依據(jù)。在熱電偶冷熱端電勢(shì)關(guān)系中，有如下公式26：其中，t為實(shí)測(cè)溫度；t0為基準(zhǔn)溫度；，t1為冷端溫度；為了便于熱電偶分度表查詢計(jì)算，我們?nèi)』鶞?zhǔn)溫度t0為0，則以上公式可化簡(jiǎn)為：為冷端溫度為0時(shí)，熱電偶電勢(shì)輸出；為冷端溫度為t1時(shí)，熱電偶電勢(shì)輸出；為冷端補(bǔ)償電勢(shì)。上式中可以直接從熱電偶輸出中檢測(cè)到，只要獲取冷端溫度t1，就可以由分度表?yè)Q算出，進(jìn)而求出。完成了冷端電

42、勢(shì)補(bǔ)償，并通過(guò)分度表可換算出實(shí)測(cè)溫度t。圖3.2 冷端補(bǔ)償電路根據(jù)上述介紹的原理（如圖3.2）設(shè)計(jì)中選擇使用ad590完成的采集，其是由美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的恒流源式模擬集成溫度傳感器，其產(chǎn)生的電流與絕對(duì)溫度成正比,它可使用的工作電壓為4v30v，檢測(cè)的溫度范圍為-55+150，它有非常好的線性輸出性能，溫度每增加1，其電流增加1a27。由于ad590輸出是電流值，所以需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。而環(huán)境溫度變化一般在050之間，ad590的輸出電流在273.2a323.2a之間變化。若選取標(biāo)準(zhǔn)電阻為1k，冷端輸出電壓在273.2mv323.2mv間，溫度每變化1，輸出電壓變化1mv。選用在0時(shí)的輸出電流值為

43、273.2a的ad590，則只需將采集后的電壓在程序中轉(zhuǎn)換為毫伏后減去273.2不需要查詢分都表便可實(shí)現(xiàn)電壓到溫度的轉(zhuǎn)換。使用熱電偶溫度轉(zhuǎn)換模塊即可以在程序中實(shí)現(xiàn)。3.1.2信號(hào)調(diào)理電路硬件系統(tǒng)由前端感溫裝置(溫度傳感器)、數(shù)據(jù)采集卡、pc機(jī)系統(tǒng)等組成主要實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)采集、轉(zhuǎn)化、處理等功能。本系統(tǒng)前端測(cè)溫裝置采用熱電偶。電路輸出電壓與溫度成正比。傳感器通常輸出的信號(hào)較小而且會(huì)帶有噪聲，必須采用合適的信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)放大和在程序?yàn)V波，盡量減小量化誤差。圖3.3硬件調(diào)理電路圖如圖3.3所示，調(diào)理電路由左往右依次由熱電偶、電壓跟隨器和放大器組成21。（1）電壓跟隨器的參數(shù)設(shè)置22：在圖3.3中，

44、u1a是電壓跟隨器。電壓跟隨器顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說(shuō)，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。其顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來(lái)說(shuō)，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低。 在設(shè)計(jì)中，電壓跟隨器作為緩沖級(jí)及隔離級(jí)。因?yàn)?，前?jí)的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級(jí)的輸入阻抗比較小，那么信號(hào)就會(huì)有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級(jí)的輸出電阻中。在這個(gè)時(shí)候，就需要電壓跟隨器來(lái)從中進(jìn)行緩沖。起到承上啟下的作用。電壓跟隨器的另外一個(gè)作用就是隔離，關(guān)于負(fù)反饋的爭(zhēng)議已經(jīng)很久了，其實(shí)，如果真的沒(méi)有負(fù)反饋的作用，相信絕大多數(shù)的放大電

45、路是不能很好的工作的。但是由于引入了大環(huán)路負(fù)反饋電路，反電動(dòng)勢(shì)就會(huì)通過(guò)反饋電路，與輸入信號(hào)疊加。造成信號(hào)模糊，清晰度下降，所以，有一部分功放的末級(jí)采用了無(wú)大環(huán)路負(fù)反饋的電路，試圖通過(guò)斷開(kāi)負(fù)反饋回路來(lái)消除大環(huán)路負(fù)反饋的帶來(lái)的弊端。但是，由于放大器的末級(jí)的工作電流變化很大，其失真度很難保證。在這里，電壓跟隨器的作用正好達(dá)到應(yīng)用，把電路置于前級(jí)和功放之間，可以切斷反電動(dòng)勢(shì)對(duì)前級(jí)的干擾作用，使音質(zhì)的清晰度得到大幅度提高。（2）放大器lm324的參數(shù)設(shè)置23：在圖3.3中，u1b與u1c分別是一級(jí)放大器和二級(jí)放大器。經(jīng)過(guò)查詢熱電偶分度表，在測(cè)量1300的時(shí)候，b型熱電偶輸出最小為7.8mv，e型熱電偶輸

46、出最大為76mv。所以為了保證八個(gè)通道溫度采集的精度，將毫伏級(jí)熱電偶的電壓信號(hào)放大100倍，使熱電偶的輸出電壓范圍在0v8v之間，這也在是pci6221板卡的輸入電壓范圍之內(nèi)。這里用到的lm324系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。lm324的特點(diǎn)：短跑保護(hù)輸出、差動(dòng)輸入級(jí)、可單電源工作：3v32v、低偏置電流：最大100na、每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器、具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ堋⒐材７秶鷶U(kuò)展到負(fù)電源、行

47、業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列、輸入端具有靜電保護(hù)功能。lm324的引腳見(jiàn)圖3.4所示。圖3.4 lm324引腳圖lm324采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“v+”、“v-”為正、負(fù)電源端，“vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端vo的信號(hào)與該輸入端的位相反；vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。 這里選用lm324來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)放大功能。現(xiàn)在根據(jù)電路知識(shí)將本放大器的參數(shù)計(jì)算如下：在一級(jí)放大u1b中： 在

48、二級(jí)放大u1c中： ， 這樣，經(jīng)過(guò)一級(jí)二級(jí)放大器的疊加后就可以將熱電偶的輸出信號(hào)放大100倍，將輸入信號(hào)的電壓值控制在08v之間。3.1.3 pci6221數(shù)據(jù)采集卡設(shè)置pci6221是一種低廉的m系列數(shù)據(jù)采集卡，在計(jì)算機(jī)上使用的板卡。它可以采集模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)，擁有定時(shí)器的功能，同時(shí)還具有模擬輸出的功能，該數(shù)據(jù)采集卡具有高性能的數(shù)據(jù)采集與控制功能。對(duì)于采集卡的設(shè)置包括，數(shù)據(jù)采集卡的通道設(shè)置、被測(cè)信號(hào)的輸入方式和被測(cè)信號(hào)的輸入范圍設(shè)置；設(shè)計(jì)中主要使用的是該采集卡的模擬輸入與模擬輸出的功能。pci 6221數(shù)據(jù)采集卡具有十六個(gè)模擬輸入通道，兩個(gè)模擬輸出通道。十六個(gè)模擬輸入通道ai0ai15，其

49、內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器是16bit逐步逼近式，可以將其設(shè)定為十六個(gè)單端信號(hào)輸入方式或八個(gè)差動(dòng)信號(hào)輸入方式。該卡具有三種不同的模擬輸入模式：?jiǎn)味擞袇⒖嫉剌斎?rse)，單端無(wú)參考地輸入(nrse)，差分輸入(diff)。這里設(shè)置的是rse輸入模式。pci6221的模擬輸入還可以選擇單極性或雙極性。選擇單極性，輸入電壓范圍為0v10v；選擇雙極性，輸入電壓范圍為-5v+5vv。這里設(shè)置模擬輸入為單極性。兩個(gè)模擬輸出通道ao0和aol，可以設(shè)置模擬輸出通道為單極性或雙極性輸出。單極性輸出范圍為0v10v；雙極性輸出范圍為-5v+5v。設(shè)計(jì)中設(shè)置的模擬輸出為雙極性。ao0對(duì)應(yīng)模擬輸出通道0，aol對(duì)應(yīng)模擬輸出

50、通道1。agnd是這兩個(gè)模擬輸出端的參考地28。在本設(shè)計(jì)中，需要將熱電偶的電壓信號(hào)輸入板卡，為虛擬熱電偶溫度記錄儀輸入數(shù)據(jù)信號(hào)。由于硬件限制，沒(méi)有實(shí)際的熱電偶經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路向板卡送出數(shù)據(jù)，只能使用板卡的兩個(gè)輸出端ao0和aol模擬輸入信號(hào)輸入到板卡的兩個(gè)輸入端。以自發(fā)自收的形式，模擬出八通道溫度記錄儀的中的兩個(gè)通道。將板卡ao0和aol兩個(gè)輸出端分別與ai0與ai1兩個(gè)輸入端用導(dǎo)線相連接，將兩個(gè)地端相連接。本設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)對(duì)板卡的具體設(shè)置如下：由圖3.5可見(jiàn)，在measurement & automation measurement & automation板卡驅(qū)動(dòng)軟件的目錄下：依次打開(kāi)my

51、 systemdate neighborhoodni-daqmx taskmyvoltageouttask.在工具欄內(nèi)的test signal type選擇波形。在configuration中將out0與out1的voltage output setup分別設(shè)置為273.2mv323.2mv和0v8v。在ceneration mode中選擇continuous。到此，設(shè)置完畢。點(diǎn)擊最上邊的run按鍵。圖3.5 板卡設(shè)置到此板卡便可為虛擬熱電偶溫度記錄儀的程序提供采集到的熱電偶模擬信號(hào)數(shù)據(jù)。3.2 本章小結(jié)軟件的設(shè)計(jì)是建立在一定的硬件基礎(chǔ)之上的，本設(shè)計(jì)中程序?qū)?shù)據(jù)的處理需要硬件為其輸入符合要求的

52、電壓信號(hào)。當(dāng)溫度變化時(shí)，熱電偶在冷熱兩端形成電勢(shì)差，經(jīng)電壓跟隨器保持后，經(jīng)過(guò)lm324進(jìn)行放大，輸出一個(gè)正向、與溫度變化大小成正比的08v的線性電壓信號(hào)。調(diào)試電路將輸出的這個(gè)電壓信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集卡的輸入端口ai0ai8，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)再輸pc機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在溫度補(bǔ)償方面，ad590將采集到的符合溫度每變化1，輸出電壓變化1mv的信號(hào)送入到板卡，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。最終實(shí)現(xiàn)溫度的采集、記錄、查詢等功能。到此硬件便可以通過(guò)pci6221板卡為虛擬儀器輸送合法的信號(hào)數(shù)據(jù)了。第四章 基于虛擬儀器的熱電偶溫度記錄儀的軟件設(shè)計(jì)根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的如溫度顯示、記錄、報(bào)警、查詢功能要求，在本設(shè)計(jì)中的軟件程序設(shè)計(jì)

53、里我將不同的功能按照不同的模塊分別進(jìn)行了模塊化編程。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖4.1。圖4.1 熱電偶溫度記錄儀的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖4.1軟件前面板設(shè)計(jì)前面板（用戶界面）是虛擬儀器的重要組成部分，儀器參數(shù)的設(shè)置、測(cè)試結(jié)果顯示等功能都是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，因此要求軟件界面簡(jiǎn)單直接，便于使用。本系統(tǒng)采用labview8.5軟件設(shè)計(jì)了前面板。該界面可以通過(guò)用戶登陸端（如圖4.2）顯示溫度采集（如圖4.3）、溫度記錄（如圖4.4）、溫度查詢（如圖4.5）三部分前面板。（一）用戶登陸前面板在程序使用過(guò)程中，為了防止非相關(guān)工作人員修改程序而導(dǎo)致本虛擬熱電偶溫度記錄儀的癱瘓，需要為使用本虛擬儀器的相關(guān)技術(shù)人員設(shè)置使用權(quán)限，如圖4

54、.2所示。圖4.2 用戶登陸端前面板設(shè)計(jì)在圖4.2用戶登陸端的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軟件程序和數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的有效保護(hù)。在圖中，可以看到用戶在使用虛擬熱電偶溫度記錄儀之前，必須登陸系統(tǒng)。在首次使用的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)管理員用戶admin將密碼設(shè)置為123456并對(duì)用戶進(jìn)行提示。除此之外，為了更多用戶的同時(shí)使用，還可以添加用戶到系統(tǒng)。在使用管理員用戶名登陸admin后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到上次最后使用的操作界面。（2）溫度采集前面板在溫度采集程序設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了八通道的選擇及對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行的s、r、b、k、b、e、t、j這八種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的選擇并在示波器中顯示所采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)波形，如圖4.3所示。圖4.3

55、溫度采集前面板設(shè)計(jì)在圖4.3溫度采集前面板設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)八通道的選擇及對(duì)熱電偶的選擇。在程序運(yùn)行之前，有必要對(duì)程序運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行初始化設(shè)置。因?yàn)?，程序使用到了access數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及查詢，需要為數(shù)據(jù)庫(kù)指定系統(tǒng)dns數(shù)據(jù)源,并為其設(shè)置驅(qū)動(dòng)程序，指定數(shù)據(jù)庫(kù)路徑。這部分內(nèi)容將在數(shù)據(jù)庫(kù)查詢部分進(jìn)行詳細(xì)講述。在數(shù)據(jù)庫(kù)精度設(shè)置的對(duì)話框里，可以為數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)定輸入數(shù)據(jù)的精度。在初始化設(shè)置結(jié)束后們就可以啟動(dòng)程序，并點(diǎn)擊采集按鈕，程序開(kāi)始運(yùn)行，為指定的通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，記錄，及報(bào)警的功能。（3）溫度記錄報(bào)警前面板在溫度記錄報(bào)警的程序設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)八個(gè)通道的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及報(bào)警設(shè)置記錄功能，經(jīng)板卡采集

56、并轉(zhuǎn)換得到的電壓波形的變化，同時(shí)將標(biāo)定后得到的溫度值分別用波形和溫度計(jì)兩種方式顯示出來(lái)，適應(yīng)不同用戶的需求，通過(guò)布爾量開(kāi)關(guān)設(shè)置超限報(bào)警指示，如圖4.4所示。圖4.4 溫度記錄前面板設(shè)計(jì)在圖4.4溫度記錄前面板設(shè)計(jì)中，此部分為八通道溫度實(shí)時(shí)顯示部分，具有報(bào)警記錄的功能。八個(gè)通道的開(kāi)關(guān)均在虛擬熱電偶溫度采集控制部分的前面板上如圖3.7，開(kāi)關(guān)打開(kāi)，在這里可以看到對(duì)應(yīng)通道數(shù)據(jù)采集的過(guò)程，還可以看到數(shù)據(jù)的波形及實(shí)際溫度值。在這里可以設(shè)定溫度上下限報(bào)警的溫度值并且記錄報(bào)警的次數(shù)。當(dāng)對(duì)應(yīng)通道的開(kāi)關(guān)閉合的時(shí)候，這里對(duì)應(yīng)的通道報(bào)警次數(shù)，實(shí)時(shí)溫度均會(huì)重新清零。（4）溫度查詢前面板在溫度查詢程序設(shè)計(jì)中方，系統(tǒng)在溫度采集的過(guò)程中，將采集到的數(shù)據(jù)于后臺(tái)完成了記錄。這里實(shí)現(xiàn)的功能主要是在采集狀態(tài)下，根據(jù)用戶的需要，按時(shí)間查詢出對(duì)應(yīng)時(shí)間下的每個(gè)通道的溫度數(shù)據(jù)，如圖4.5所示。圖4.5 溫度查詢前面板設(shè)計(jì)在圖4.5溫度查詢前面板設(shè)計(jì)中，需要在access數(shù)據(jù)庫(kù)wdcj中的表名為wdjlb（以通道1為例）字段名為編號(hào)的字段設(shè)定為主鍵。除此之外還需要計(jì)算機(jī)上安裝有microsoft access軟件。將本程序下載到本地計(jì)算機(jī)后，需要建立與用戶信息.mdb的odbc連接。建立方法：進(jìn)入開(kāi)始菜單控制面板管理工具數(shù)據(jù)源（odbc），建立一個(gè)新的系統(tǒng)dsn并將名稱填