虚拟温度测试仪设计

课程设计2011年6月25日目录1.虚拟仪器技术与LabVIEW ································································错误！未定义书签。

2.设计要求······························································································错误！未定义书签。

3.系统方案的设计··················································································错误！未定义书签。

3.1系统结构及硬件组成 (2)3.2系统软件设计 (2)3.2.1传感器的标定 (3)3.2.2前面板设计 (3)3.2.3程序框图设计 (4)3.2.4后面板设计 (5)4.结论 (6)5.总结体会 (6)参考文献 (7)1.虚拟仪器技术与LabVIEW简介虚拟技术、计算机通信技术与网络技术是信息技术的三大核心技术，其中虚拟仪器是虚拟技术的一个重要组成部分。

在虚拟仪器系统中，用灵活、强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，用人的智力资源代替许多物质资源，特别是在系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的解析，使仪器中的一些硬件甚至整件仪器从系统中“消失”，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。

LabVlEW是美国NI公司推出的一种基于G语言的虚拟仪器软件开发工具，是目前国际上应用最广泛的虚拟仪器软件平台之一，主要应用于仪器控制、数据采集、数据显示等领域，可应用于Windows、Macintosh、UNIX等多种操作系统平台。

与传统程序语言不同，LabVIEW采用强大的图形化语言编程，面向测试工程师而非专业程序员，编程方便，人机交互界面直观、友好。

设计者可以像搭积木一样，轻松组建测量系统，构造自己的仪器面板，而无需进行任何烦琐的计算机代码的编写。

即使用户没有多少编程经验，同样也能利用LabVIEW来开发自己的应用程序。

2.设计要求设计一个仪器，首先要考虑确定其功能，然后根据其功能确定需要设计前面板和程序框图。

在虚拟仪器中“仪器”的面板需要显示在计算机屏幕上，根据需要可随时进行修改，本文设计的虚拟温度测试仪要实现如下功能：（1）设置控制按钮和显示窗口，实时显示温度大小，可以对采集过程加以控制；（2）设置预警信号，当温度超过某个预设的温度值时，会有报警提示；（3）可以对采集到的温度信号进行显示、存储和打印，对采集到的温度进行调用，以便分析处理和波形回放；（4）在给定的温度范围内以实时趋势曲线和直方图的形式直观地看出温度的变化过程，在实时趋势图中新数据连续扩展在已有数据的后面，波形连续向前推进。

3.系统的方案设计虚拟仪器测温系统是用虚拟技术改造传统的测温仪器，使其具有更强大的功能。

系统框架如图1所示，仪器系统通过前端感温装置的传感元件，将被测对象的温度转换为电压或电流等模拟信号，经信号调理电路进行功率放大，滤波等处理后，变换为可被数据采集卡采集的标准电压信号。

在数据采集卡内将模拟信号转换为数字信号，并在数据采集指令下将其送入计算机总线，在PC机内利用已经安装的虚拟仪器软件对采集的数据进行所需的各种处理。

图1 温度测量系统原理图3.1 系统结构及硬件组成温度测量系统由传感器电路、信号调理电路、数据采集卡及PC机4部分组成。

系统基本工作原理：传感器电路将感受到的环境温度信号以电压形式输出到信号调理电路，信号经过调理后输入到数据采集卡进行A/D转换，A/D转换后的数据直接进入微机，再由虚拟仪器系统对数据进行处理和显示。

传感器电路的核心部件是LM35，如图2所示，图中R1=100,C1=1 F，用来去耦和消除噪声信号，D1和D2为1N4148。

信号调理电路主要完成对传感器信号放大和限幅的功能，将传感器电路输出的变化范围为2V左右的直流电压，调理为数据采集卡允许的±5V输入直流电压。

本系统数据采集卡为PCI-6251，数据采集卡是被测信号进入虚拟仪器系统的通道，它有2个输出通道和12个输入通道，可以选择任意的通道进行设置。

图2 传感器电路原理图3.2 系统软件设计完成相应的硬件模块配置后，虚拟仪器设计的主要工作就是编制相应的软件，用软件实现传统仪器的数据采集、存储、分析和显示等功能。

仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器，并设置特定的参数和工作方式，使虚拟仪器保持正常的工作状态，LabVIEW 已为PCI-6251卡配备了驱动程序。

在LabVIEW 环境下开发的应用程序称之为VI （Vir-tual Instrument ）。

VI 由软面板程序和数据分析处理程序等组成。

软面板程序由一个人机交互的界面—前面板（Front Panel ）和相当于源代码功能的框图程序—后面板（Diagram ）组成。

软面板程序用来提供虚拟仪器与用户的接口。

软件部分主要都是对数据进行后续处理，报警，显示等功能，具体实现采集卡参数设定，数据标定，实时显示，温度设定及报警和人机交换等功能。

3.2.1 传感器的标定传感器的标定是通过实验已建立传感器输入量与输出量之间的关系。

标定时仪器仪表在设计完成后，正式使用前必须要经过的一道校验程序。

对于虚拟仪器温度测量而言，标定个就是为了获得电压和被测物体温度的函数关系，以便通过电压计算出温度。

热敏电阻具有灵敏度高，体积小，重量轻，使用寿命长，适于远距离测量的优点，但其非线性误差较大，稳定性较差，所以必须进行过标定。

))273/(1)273/(1(0)/1/1(000t t B T T b T e R e R R +-+-==其中：T R ,0R 为绝对温度T ，0T 时的电阻值，B 适于热电阻物理性能有关的常数。

)/1/1/()/ln(00T T R R B T -=系统所用热敏电阻B=3740，0T =298K ，0R =5K 。

可得)298/1/1(37405-=T T e R热敏电阻与3K 的电阻分压得到转化电压为：)53/(15)298/1/1(3740-+=T e V通过曲线拟定发对系统进行标定，即可求出测温范围内任意电压对应的温度。

3.2.2 前面板设计前面板是在计算机屏幕上生成一个与传统仪器面板相似的图形界面，可设置控制按扭和显示窗口，用户可以通过前面板上的开关和按钮实现对虚拟仪器的操作，显示窗口可以以文本或图形形式显示测量结果。

图3为温度测量系统的前面板设计，采用文本方式、温度计方式、和实时趋势曲线和直方图显示测量温度的变化，在实时趋势图中新数据连续扩展在已有数据的后面，波形连续向前推进显示。

测量数据还可以数据文本文件方式进行存储，以便分析处理和波形回放。

在一定的温度变化范围内可以测出平均温度和标准偏差。

图3 虚拟仪器前面板3.2.3 程序框图设计及后面板设计本系统程序框图设计主要包括设备初始化，AD部件初始化，模拟数据读取，电压-温度转换，数据处理及显示，超限报警，AD部件释放等模块，其中有些模块直接调用LABVIEW中的子模块，如数字温度计，数组条形图，温度直方图，温度状态等。

具体流程图如4所示：图4 程序框图3.2.4 后面板设计后面板又称为代码窗口或流程图，是VI图形化的源程序，在流程图中对VI 编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出等功能。

图5为温度测量系统后面板设计，主要由数据采集单元、运算单元和显示单元等组成，数据采集卡采样频率设置为1000Hz。

数据采集通道选择Ai0输入，与温度对应的模拟电压经过A/D转换后进入运算单元。

在运算单元进行数据运算和处理，这里利用LabVIEW 函数模板Arith/Compare（数学与比较）中的Formula来完成数据的运算工作，直接在Formula弹出的框图中编写电压和温度之间的函数关系，从而将电压转换成被测温度。