【導讀】工作及取得的研究成果；得其他教育機構(gòu)的學位而使用過的材料；數(shù)據(jù)采集卡6221將數(shù)據(jù)傳至主機。通過LabVIEW可視化編程對采集到的信號進行相應處理及波。形顯示，實現(xiàn)超溫報警功能。并通過LabVIEW和網(wǎng)絡技術相結(jié)合來實現(xiàn)遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)。①查閱相關資料確定總體設計方案；②根據(jù)課題要求確定硬件方案、硬件設計；③軟件設計，題報告及畢業(yè)設計說明書及設計說明書的撰寫工作。做好選題報告和文獻綜述。研究課題的意義··········································································1

　　

【正文】 現(xiàn)在 ， 隨著虛擬儀器系統(tǒng)的廣泛應用 ， 越來越多的教學部門也開始用它來建立教學系統(tǒng) ， 不僅大大節(jié)省開支 ,而且由于虛擬儀器系統(tǒng)具有靈活、可重用性強等優(yōu)點 ， 使得教學方法也更加靈活了。 5. 虛擬儀器在電信方面的應用 虛擬儀器還在其他很多領域包括航空、汽車、生物醫(yī)學等方 面得到廣泛應用。從交通監(jiān)控系統(tǒng)到大學實驗室 ， 從部件自動測試到工業(yè)過程控制 ， 虛擬儀器應用的例子不勝枚舉。相信未來 ,虛擬儀器將得到更多的發(fā)展 ,應用范圍也將越來越廣。 虛擬儀器發(fā)展前景 LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。這是一個功能強大且靈活的軟件，利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程 及使用過程都生動有趣。 虛擬儀器技 術在我國的研究剛起步，還有許多問題需要去探索，如智能化軟件開發(fā)平臺的研究，采用人工智能技術降低 VI 的設計難度，使用戶簡潔地構(gòu)成VI 系統(tǒng)，幫助用戶對測試結(jié)果進行分析和判斷，完成復雜的測試任務等。國內(nèi)虛擬儀器行業(yè)至今還沒有形成具有自主知識產(chǎn)權的虛擬儀器核心開發(fā)技術，也沒有相關的行業(yè)標準。虛擬儀器產(chǎn)業(yè)無論在規(guī)模還是在質(zhì)量上都難以與國外同行匹敵，國外虛擬儀器產(chǎn)品幾乎壟斷了國內(nèi)的市場?？傊?，隨著計算機、網(wǎng)絡、通信、微電子等相關技術的不斷發(fā)展， VI 技術也會不斷向前發(fā)展，微型化、智能化和網(wǎng)絡化將成為今后 VI 研究開發(fā)的主導方向。伴隨網(wǎng)絡技術的高速發(fā)展，出現(xiàn)了以網(wǎng)絡為基礎、虛擬儀器為核心的 “虛擬實驗室 ”的概念。目前，虛擬實驗室已成功地應用于許多大型實驗室的實驗研究和高等 學校的實驗教學。在人工智能研究的基于 LabVIEW 的遠程溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究 14 影響下，人們開始關注如何提高虛擬儀器的智能化水平。 虛擬儀器的發(fā)展主要取決于三個重要因素。計算機是動力，軟件是主宰，高質(zhì)量的 A/D 采集卡及調(diào)理放大器與傳感器是關鍵。無 論 哪種 VI 系統(tǒng)，都是將硬件儀器 (傳感器、調(diào)理放大器、 A/D)搭載到各種計算機平臺上，加上應用軟件面板構(gòu)成，實現(xiàn)使用計算機的全數(shù)字采集 測試分析。 VI 的發(fā)展完全跟計算機的發(fā)展同步，所以顯示出VI 的靈活性和強大的生命力。虛擬儀器的興起是測試儀器技術的一次 “ 革命 ” ，是儀器領域的一個新的里程碑，未來的 VI 完全可以覆蓋計算機輔助測試的全部領域。標準化、通用化、系列比、模塊化以及開放式的體系結(jié)構(gòu)等， VXI 系統(tǒng)的觀念將成為電子測量儀器儀表變革的重要方向。數(shù)據(jù)采集、測試、過程控制、信息傳輸與通信等現(xiàn)代信息技術匯聚在一起，將最終導致標準化、規(guī)范化卡式儀器和軟件化儀器的更廣泛流行。虛擬儀器的發(fā)展將本著跟隨通用計算機走、跟著通用軟件走、跟著網(wǎng)絡走的指導思想。繼 “ 軟件就是儀器 ” 的概念之后，很可能出現(xiàn) “ 網(wǎng)絡就是儀器 ” 的新觀念。 傳感器簡介 溫度傳感器， 溫度是實際應用中經(jīng)常需要測試的參數(shù)，從鋼鐵制造到半導體生產(chǎn)，很多工藝都要依靠溫度來實現(xiàn)，溫度傳感器是應用系統(tǒng)與現(xiàn)實世界之間的橋梁。本文對不同的溫度傳感器進行簡要概述，并介紹與電路系統(tǒng)之間的接口。 溫度測量應用非常廣泛，不僅生產(chǎn)工藝需要溫度控制，有些電子產(chǎn)品還需對它們自身的溫度進行測量，如計算機要監(jiān)控 CPU 的溫度，馬達控制器要知道功率驅(qū)動 IC的溫度等等，下面介紹幾種常用的溫度傳感器。 熱敏電阻器 用來 測量溫度的傳感器種類很多，熱敏電阻器就是其中之一。許多熱敏電阻具有負溫度系數(shù) NTC，也就是說溫度下降時它的電阻值會升高。在所有被動式溫度傳感器中，熱敏電阻的靈敏度 (即溫度每變化一度時電阻的變化 )最高，但熱敏電阻的電阻 /溫度曲線是非線性的。表 是一個典型的 NTC 熱敏電阻器性能參數(shù)。 表 NTC 熱敏電阻器性能參數(shù) 基于 LabVIEW 的遠程溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究 15 這些數(shù)據(jù)是對 VishayDale 熱敏電阻進行量測得到的 ， 但它也代表了 NTC 熱敏電阻的總體情況。其中電阻值以一個比率形式給出 (R/R25)，該比率表示當前溫度下的阻值與25℃ 時的阻值之比，通常同一系列的熱敏電阻器具有類似的特性和相同電阻 /溫度曲線。以表 1 中的熱敏電阻系列為例， 25℃ 時阻值為 10KΩ。的電阻，在 0℃ 時電阻為。， 60℃ 時電阻為 ；與此類似， 25℃ 時電阻為 5KΩ。的熱敏電阻在 0℃時電阻則為 。 表 是利用熱敏電阻測量溫度的典型電路。電阻 R1 將熱敏電阻的電壓拉升到參考電壓，一般它與 ADC 的參考電壓一致，因此如果 ADC 的參考電壓是 5V， Vref 也將是 5V。熱敏電阻和電阻串聯(lián)產(chǎn)生分壓，其阻值變化使得節(jié)點處的電壓也產(chǎn)生變化，該電路的精度取決于熱敏電阻和電阻的誤差以及參考電壓的精度。 表 熱敏電阻測量溫度典型電路 自熱問題，由于熱敏電阻是一個電阻，電流流過它時會產(chǎn)生一定的熱量，因此電路設計人員應確保拉升電阻足夠大，以防止熱敏電阻自熱過度，否則系統(tǒng)測量的是熱敏電阻發(fā)出的熱，而不是周圍環(huán)境的溫度。 累積誤差，用熱敏電阻測量溫度時，在輸入電路中要選擇好傳感器及其它元件，以便和所需要的精度相匹配。有些場合需要精度為 1%的電阻，而有些可能需要精度為 %的電阻。在任何情況下都應用一張表格算出所有元件的累積誤差對測量精度的影響，這些元件包括電阻、參考電壓及熱敏電阻本身。 總的來說，熱敏電阻是一種低成本溫度測量方法， 而且使用也很簡單。 電阻溫度探測器 電阻溫度探測器 (RTD)實際上是一根特殊的導線，它的電阻隨溫度變化而變化，通常 RTD 材料包括銅、鉑、鎳及鎳 /鐵合金。 RTD 元件可以是一根導線，也可以是一層薄膜，采用電鍍或濺射的方法涂敷在陶瓷類材料基底上。 基于 LabVIEW 的遠程溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究 16 RTD 的電阻值以 0℃ 阻值作為標稱值。 0℃時 鉑 RTD 電阻 為 100Ω， 在 1℃ 時它的阻值通常為 ， 50℃ 時為 。 RTD 的誤差要比熱敏電阻小，對于鉑來說，誤差一般在 %，鎳一般為 %。除誤差和電阻較小以外， RTD 與熱敏電阻的接口電路 基本相同。 熱電偶 熱電偶由兩種不同金屬結(jié)合而成，它受熱時會產(chǎn)生微小的電壓，電壓大小取決于組成熱電偶的兩種金屬材料，鐵 康銅 (J 型 )、銅 康銅 (T 型 )和鉻 鋁 (K 型 )熱電偶是最常用的三種。熱電偶產(chǎn)生的電壓很小，通常只有幾毫伏。 K 型熱電偶溫度每變化 1℃ 時電壓變化只有大約 40uV，因此測量系統(tǒng)要能測出 4uV 的電壓變化測量精度才可以達到 ℃ 。 由于兩種不同類型的金屬結(jié)合在一起會產(chǎn)生電位差，所以熱電偶與測量系統(tǒng)的連接也會產(chǎn)生電壓。一般把連接點放在隔熱塊上以減小這一影響，使兩個節(jié)點處以同一溫度 下，從而降低誤差。有時候也會測量隔熱塊的溫度，以補償溫度的影響 ， 如下圖 所示： 圖 熱電偶溫度補償電路 測量熱電偶電壓要求的增益一般為 100 到 300，而熱電偶擷取的噪聲也會放大同樣的倍數(shù)。通常采用測量放大器來放大信號，因為它可以除去熱電偶連線里的共模噪聲。市場上還可以買到熱電偶信號調(diào)節(jié)器，如模擬器件公司 的 AD594/595，可用來簡化硬件接口。 固態(tài)熱傳感器 最簡單的半導體溫度傳感器就是一個 PN 結(jié)，例如二極管或晶體管基極 發(fā)射極之間的 PN 結(jié)。如果一個恒定電流流過正向偏置的硅 PN 結(jié)，正向壓降在溫度每變化 1℃時會降低 。很多 IC 利用半導體的這一特性來測量溫度，包括美信的 MAX161國半的 LM335 和 LM74 等等。半導體傳感器的接口形式多樣，從電壓輸出到串行 SPI/基于 LabVIEW 的遠程溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究 17 微線接口都可以。 溫度傳感器種類很多，通過正確地選擇軟件和硬件，一定可以找到適合自己應用的傳感器。 基于 LabVIEW 的遠程溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究 18 第 3 章 數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般包括模擬信號的輸入輸出通道和數(shù)字信號的輸入輸出通道。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入又稱為數(shù)據(jù)的收集；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出又稱為數(shù)據(jù)的分配。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分類 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，用途和功能也各不相同，常見的分類方法有以下幾種：根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能分類：數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分配：根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適應環(huán)境分類：隔離型和非隔離型，集中式和分布式，高速、中速和低速型；根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制功能分類：智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，非智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；根據(jù)模擬信 號的性質(zhì)分類：電壓信號和電流信號，高電平信號和地電平信號，單端輸入（ SE）和差動輸入（ DE），單極性和雙極性 。根據(jù)信號通道的結(jié)構(gòu)方式分類：單通道方式，多通道方式。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務，具體地說，就是采集傳感器輸出的模擬新海并轉(zhuǎn)換成計算機能識別的數(shù)字信號，然后送入計算機，根據(jù)不同的需要由計算機進行相應的計算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。與此同時，將計算得到的數(shù)據(jù)進行顯示和打印，以便對某些物理量的監(jiān)視。 由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務可以知道，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有以下幾個方面的功能：數(shù)據(jù)采集 、模擬信號處理、數(shù)字信號處理、開關信號處理、二次數(shù)據(jù)計算、屏幕顯示、數(shù)據(jù)儲存、打印輸出、人機聯(lián)系。 數(shù)據(jù)采集卡的組成 數(shù)據(jù)采集卡主要由以下四部分組成： 1. 多路開關 多路開關將多路信號輪流切換到放大器的輸入端，以實現(xiàn)多路信號的分時采集。 2. 放大器 放大器將待采集的信號放大或衰減至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內(nèi)。在實際系統(tǒng)中，放大器的增益通常是可調(diào)的，設計者可根據(jù)輸入信號幅值的大小選擇不同的增益倍數(shù)。 3. 采樣保持器 基于 LabVIEW 的遠程溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究 19 采樣保持器取出待測信號在某一時刻的瞬時值，即實現(xiàn)信號的時間離散化，并在A/D 轉(zhuǎn)換過 程中保持信號不變。如果被測信號變化很慢，也可不用采樣保持器。 4. A/D 轉(zhuǎn)換器 A/D 轉(zhuǎn)換器是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，并完成信號幅值的量化。隨著電子技術的發(fā)展，通常將采樣保持器同 A/D 轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片上。 以上四個部分都處在計算機的前向通道上，是組成數(shù)據(jù)采集卡的主要部分。其他相關電路，如定時 /計數(shù)器、總線接口電路等，也集成在一塊電路板上，以完成對信號的采集、放大及模 /數(shù)轉(zhuǎn)換任務。 很多數(shù)據(jù)采集卡電路板上還裝有數(shù) /模轉(zhuǎn)換器（ D/A)，它處在計算機的后向輸出通道上，用于將計算機輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模 擬量，從而實現(xiàn)控制功能。 數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)設置 要使數(shù)據(jù)采集卡正確地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能，必須根據(jù)實際測量的需要對一些參數(shù)進行設置，這就是數(shù)據(jù)采集卡的軟件驅(qū)動。待設置的參數(shù)主要有采集卡的設備號及地址碼，此外還有如下的設置項 ： 1. 模擬信號輸入部分的設置 設置輸入信號的輸入方式：確定輸入信號是單端輸入還是雙端輸入，輸入信號是單極性信號還是雙極性信號等。 選擇增益：根據(jù)輸入信號幅值變化范圍和分辨率的要求，選擇增益。 選擇量程：一般根據(jù)輸入信號是單極性還是雙極性，選擇合適量程。 2. A/D 轉(zhuǎn)換部分的設置 設定信號輸入通道號； 設定采樣點數(shù)； 設定采樣速率；采樣頻率的高低，決定了在一定時間內(nèi)獲取原始信號信息的多少，為了能夠較好的再現(xiàn)原始信號，不產(chǎn)生波形失真，采樣率必須要足夠高才行。根據(jù)奈奎斯特理論采樣頻率至少是原信號的兩倍，但實際中，一般都需要 5～10 倍。 采樣結(jié)果的輸出方式：采樣結(jié)果可放在一個數(shù)組中，也可放在某一緩沖區(qū)中。 采樣觸發(fā)方式：一般分外觸發(fā)、定時觸發(fā)及軟件觸發(fā)。 3. D/A 轉(zhuǎn)換部分 模擬信號的輸出通道號； 模擬 信號的輸出幅值：此參數(shù)應設置在標稱滿量程范圍內(nèi)； 刷新速率：該參數(shù)決定被生成的模擬信號波形的 “光滑度 ”，刷新速率的倒數(shù)基于 LabVIEW 的遠程溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究 20 為響應時間 。 信號采集 采集信號類型 一般情況下，信號所運載信息是很廣泛的，比如：狀態(tài) (State)、速率 (Rate)、電平(Level)、形狀 (Shape)、頻率成分 (Frequency Content)。根據(jù)信號運載信息方式的不同，可以將信號分為模擬或數(shù)字信號。數(shù)字信號又可分為開關信號和脈沖信號。模擬信號則可分為直流、時域、頻域信號。 1. 數(shù)字信號 (Digital) 第一類數(shù)字信號是開關信號 (OnOff)，如圖 所示。 O nO f ftS t a t e 圖 開關信號 第二類數(shù)字信號是脈沖信號 (Pulse Train)，如圖 所示。 tR a t e 圖 脈沖信號 2. 模擬信號 (Analog) 模擬直流信號 (DC)是靜止的或變化非常緩慢的模擬信號，如圖 所示。 tL e v e l 圖 模擬直流信號 基于 LabVIEW 的遠程溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究 21 模擬時域信號 (Time Domain)運載的信息不僅有信號的電平，還有電平隨時間的變化，如圖 所示。 圖 模擬時域信號 模擬頻域信號 (Frequency Domain)與時域信號類似，但從頻域信號中提取的信息是信號的頻域內(nèi)容，而不是波形的形狀，也不是隨時間變化的特性，如圖 所示。 圖 模擬頻域信號 采集信號的連接方式 一個電壓信號可以分為接地和浮動兩種類型。測量系統(tǒng)可以分為差分 (Differential)、參考地單端 (RSE)、非參考地單端 (NRSE)三種類型。 接地信號，就 是將信號的一端與系統(tǒng)地連接起來，如大地或建筑物的地。因為信號用的是系統(tǒng)地，所以與數(shù)據(jù)采集卡是共地的。接地最常見的例子是通過墻上的接地引出線，如信號發(fā)生器和電源。 一個不與任何地 (如大地或建筑物的地 )連接的電壓信號稱為浮動信號，浮動信號的每個端口都與系統(tǒng)地獨立。一些常見的浮動信號的例子有電池、熱電偶、變壓器和隔離放大器。 按測量方式分類可以分為以下兩大類測試系統(tǒng)： 1）差分測試系統(tǒng) (DIFF) 2）單端測試系統(tǒng) 基于 LabVIEW 的遠程溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究 22 單端測試系統(tǒng)所有信號都參考一個公共參考點，即儀器放大器的負極。 （ RSE），參考單端測試系統(tǒng)用于測試浮地信號，它把信號參考點與儀器模擬輸入地連接起來。 (NRSE)，非參考單端測試系統(tǒng)用于測試接地信號，與參考單端測試系統(tǒng)不同的是因為所有輸入信號都已經(jīng)接地了，所以信號參考點不需要再接地。 因此，本設計采用非參考單端（ NRSE）連接方式。 基于 LabVIEW 的遠程溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究 23 第 4 章 硬件方案及設計 硬件總體概述 硬件設計的基本原則 1.. 經(jīng)濟合理 系統(tǒng)硬件設計中，一定要注意在滿足件能指標的前提下，盡可能地降低價格，以便得到高的性價比，這是硬件設 計中優(yōu)先考慮的一個重要因素，也是一個產(chǎn)品爭取市場的主要因素之一。 2. 安全可靠 選取設備要考慮環(huán)境的溫度、濕度、壓力、震動、粉塵等要求，以保證在規(guī)定的工作環(huán)境下系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠。要有超量程和過載保護，保證輸入、輸出通道正常工作。要注意對交流市電遺跡電火花等的隔離。要保證連接件的接觸可靠。 3. 足夠的抗干擾能力 有完善的抗干擾措施，是保證系統(tǒng)精度、工作正常和不產(chǎn)生錯誤的必要條件。 硬件主要組成部分 溫度傳感器 溫 度傳感器 是指能將溫度量轉(zhuǎn)換成容易被測量處理的電信號的設備或裝置。本系統(tǒng)的溫度測量是使用 Pt100 熱電阻來實現(xiàn)的。 Pt100，又叫鉑電阻，熱電阻，是一種溫度傳感器，鉑電阻溫度系數(shù)為 ℃ ， 0℃ 時電阻值為 100Ω，電阻變化率為 ℃ 。 采用不銹鋼外殼封裝，內(nèi)部填充導熱材料和密封材料灌封而成，尺寸小巧，適用于精密儀器、恒溫設備、流體管道等溫度的測量，非常經(jīng)濟實用。 鉑電阻溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應用溫度范圍廣，是中低溫 區(qū)（ 200℃ ～ 400℃ ）最常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成各種標準溫度計。 按 IEC751 國際標準， 溫度系數(shù) TCR=， Pt100（ R0=100Ω）、 Pt1000（ R0=1000Ω）為統(tǒng)一設計型鉑電阻。 三線制 Pt100 要求引出的三根導線截面積和長度均相同，測量鉑電阻的電路一般是不平衡電橋，鉑電阻作為電橋的一個橋臂電阻，將導線一根接到電橋的電基于 LabVIEW 的遠程溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究 24 源端，其余兩根分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，當橋路平衡時，導線電阻的變化對測量結(jié)果沒有任何影響，這樣就消除了導 線線路電阻帶來的測量誤差， 溫度與電壓關系的分析： Pt100 采集的電壓為線性，因此采用線性分析來分析電流與溫度之間的關系。 設線性方程為 y=kx+b,經(jīng)測量當電流為 時，溫度為 攝氏度，當電流為 時，溫度為 攝氏度。將上述數(shù)據(jù)代入公式得： =+b =+b 解得： k= b= 溫度控制 對溫度控制的實現(xiàn)具體可由以下步驟來完成，首先由 NI 6221信號采集卡通過溫度傳感器對采集對象溫度進行采集，由電腦對數(shù)據(jù) 進行分析，查看是否在預定的范圍之內(nèi)，如果在預定范圍之內(nèi)，則繼續(xù)對其進行信號采集，如果超出了預定值，則由電腦發(fā)出控制指令，對溫度進行控制。例如，可以控制自然通風系統(tǒng)來改變溫度，當溫度過高時，可以打開窗戶，促進通風來降低溫度，還可以驅(qū)動風機來達到降溫的效果。升溫可以通過控制熱水管道的開閉，當溫度過低時，可以打開熱水管道來升溫。具體的控制流程如下圖 ： 圖 控制流程圖 基于 LabVIEW 的遠程溫度監(jiān)測與控