基于LabVIEW的遠(yuǎn)程自動控溫系統(tǒng)設(shè)計

江歡 遲玉倫 黎萬波 過聰 盧相林

【摘 要】文章介紹了一種基于LABVIEW和采集卡的遠(yuǎn)程自動控溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用溫度傳感器和繼電器檢測加熱液體的溫度變化狀況并做出有效控制。通過采集卡和LABVIEW編寫的程序，用戶可對溫度實施遠(yuǎn)程監(jiān)控，加熱過程中可以在達(dá)到目標(biāo)溫度后停止加熱。系統(tǒng)操作簡便、自動化程度高、擴(kuò)展方便且具有良好的人機(jī)交互功能。該系統(tǒng)經(jīng)過實驗，取得了較為滿意的控制效果。

【關(guān)鍵詞】采集卡;溫度傳感器;LABVIEW;遠(yuǎn)程控制;繼電器;TCP

【中圖分類號】TP273 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）07-0050-03

0 引言

從日常起居到餐飲經(jīng)營乃至辦公環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)，人們無時無刻不在使用加熱工具[1]。在加熱工具的使用過程中，常常伴隨著危險與不便[2]。隨著環(huán)境變化，很難確切地掌握加熱所需要的時間，當(dāng)加熱時間出現(xiàn)誤差，加熱的結(jié)果不盡如人意，還可能遇到安全問題[3-4]。在日常起居，可能因為暖氣溫度不夠無法安穩(wěn)入眠;在餐飲行業(yè)，可能因為加熱過度烤煳失誤，甚至加熱不足出現(xiàn)食品安全問題;在辦公場所，不適宜的溫度可能影響辦公效率和職員積極性;在工業(yè)生產(chǎn)，不適宜的溫度可能帶來次品和嚴(yán)重的安全問題[5]。一個安全可靠，自動化程度高，解放人們雙手離開危險工作場所的自動控溫系統(tǒng)便是在這樣的背景下被提出的，它在設(shè)定好一個可調(diào)的目標(biāo)溫度后，可以從遠(yuǎn)程端控制它的開啟，并自動加熱到目標(biāo)溫度。

由此設(shè)計了遠(yuǎn)程自動控溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括繼電器、采集卡、溫度傳感器、加熱裝置。usb-600采集卡作為控制單元，選用溫度傳感器檢測溫度變化反饋到采集卡，選用繼電器響應(yīng)來自采集卡的控制信號，控制加熱的開始與停止，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)自動化。除此之外，TCP/IP能讓其實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的要求，使它的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。通過在遠(yuǎn)處控制端發(fā)送的控制信號，由采集卡接受之后傳遞到繼電器，開始加熱裝置的運作，加熱裝置開始加熱之后溫度傳感器會實時監(jiān)測并反饋數(shù)據(jù)，一旦達(dá)到目標(biāo)溫度，通過labview編寫的程序就會自動發(fā)送信號，一路傳輸?shù)嚼^電器切斷加熱裝置的電源，從而完成一系列自動控制。

1 系統(tǒng)的組成與原理

該遠(yuǎn)程自動控溫系統(tǒng)由溫度采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、輸出控制模塊、工作模塊4個部分組成，其原理圖如圖1所示。

系統(tǒng)工作原理：溫度采集模塊采集工作模塊的實時溫度，通過數(shù)據(jù)通信模塊傳輸?shù)捷敵隹刂颇K與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，當(dāng)檢測溫度低于設(shè)定溫度，輸出控制模塊向工作模塊輸出啟動信號，工作模塊開始加熱。當(dāng)檢測溫度達(dá)到設(shè)定溫度，輸出控制模塊向工作模塊輸出關(guān)閉信號，工作模塊停止加熱。

2 硬件設(shè)計

2.1 溫度采集模塊

由于要將需測量液體的溫度轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧碾妷盒盘?，因此溫度采集模塊主要由引線式溫度傳感器和智能溫度變送器組成[6]。引線式溫度傳感器相比于傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻傳感器，具有靈敏度高、測溫范圍廣、響應(yīng)迅速、廣泛的測溫適用性和滿足多種工作環(huán)境等優(yōu)點。采用的是PT-100溫度傳感器，量程為-50～200 ℃，防護(hù)等級為IP68（完全防水）。智能溫度變送器采用的是杭州聯(lián)測自動化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號為SIN-ST500智能溫度變送器，其具有精度高、抗干擾性強(qiáng)、偏移小等優(yōu)點。引線式溫度傳感器與智能溫度變送器采用標(biāo)準(zhǔn)三線式接法，將引線式溫度傳感器的接線端的3根線（2根紅色和1根其他顏色），2根紅色線接入智能溫度變送器的1號口和2號口，另外1根線接入3號口。智能溫度變送器的正極（DC24V）接工作電源的正極，4號口接工作電源負(fù)極。智能變送器的OUT口接板卡的輸入口，4號口（與工作電源共用）接板卡的接地口[7]。

智能溫度變送器連接示意圖如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)通信模塊

因為智能溫度變送器采集的溫度信號會轉(zhuǎn)變?yōu)槟M的電壓信號，輸出控制模塊在PC端需要通過USB接口接收模擬的電壓信號，所以數(shù)據(jù)通信模塊采用型號為USB-6001數(shù)據(jù)采集板卡[8]。智能溫度變送器的OUT口和電源負(fù)極分別接入板卡的AI輸入口和接地口。板卡通過數(shù)據(jù)傳輸線將數(shù)據(jù)傳入PC給輸出控制模塊。輸出控制模塊處理數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)返回板卡通過AO輸出口和接地口將電壓信號傳給工作模塊[9]。

2.3 輸出控制模塊

輸出控制模塊接收到數(shù)據(jù)通信模塊的模擬電壓信號，通過用LABVIEW編寫的控制系統(tǒng)處理后，將該信號轉(zhuǎn)化成溫度采集模塊采集的實時溫度值。系統(tǒng)會將該值顯示在系統(tǒng)服務(wù)端，同時系統(tǒng)會將該溫度值與用戶的預(yù)設(shè)溫度值進(jìn)行比較，判斷是否向板卡傳遞控制信號[10]。

2.4 工作模塊

工作模塊的功能是從板卡接收到控制信號，判斷這個信號指令并執(zhí)行對應(yīng)的動作。因為板卡傳遞給工作模塊的信號是一個電壓信號，所以使用繼電器做該電壓信號的執(zhí)行元件。工作模塊由繼電器、加熱電阻絲、加熱電路、保護(hù)電阻組成[11]。從板卡接收到的電壓信號接入繼電器的工作電源接口。加熱電路的火線接入保護(hù)電阻的正極，將保護(hù)電阻的負(fù)極與繼電器的公共端相連，將繼電器的常開端與加熱電阻絲的正極相連，加熱電阻絲的負(fù)極與加熱電路的零線相連[12]。

3 LabVIEW程序設(shè)計

LabVIEW程序由客戶端和服務(wù)器端2個部分組成，通過LabVIEW的TCP/IP的編程實現(xiàn)對溫度的遠(yuǎn)程顯示與控制[13]。

3.1 服務(wù)器端程序設(shè)計

服務(wù)器端程序由接收信息、發(fā)送信息及硬件控制三大部分組成。首先接收信息需要將信息強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成數(shù)組類型，然后通過數(shù)組索引依次給加熱開關(guān)和設(shè)定溫度賦值，完成信息的接收過程。發(fā)送信息則要通過強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換和字符串長度兩大組件實現(xiàn)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)長度的輸入。硬件控制則需要完成兩大功能，一是對溫度的感知，通過DAQ助手實現(xiàn)采集卡到labVIEW這一數(shù)據(jù)傳輸，然后通過數(shù)據(jù)運算轉(zhuǎn)換成溫度;二是同樣通過DAQ助手完成對于電壓的輸出來控制繼電器的通斷。將這三大部分整合成兩個while循環(huán)，對錯誤信息整合處理就完成了對服務(wù)器程序的編寫。具體程序如圖3、圖4所示。

3.2 客戶端程序設(shè)計

客戶端設(shè)計與服務(wù)器端設(shè)計大同小異，主要的不同在于客戶端是呈現(xiàn)于使用者的，不需要對硬件進(jìn)行交互，只需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送方面，需要將加熱開關(guān)和設(shè)定溫度組合成數(shù)組，這需要強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換的幫助。然后通過強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換和字符串長度來獲取數(shù)據(jù)長度及將數(shù)組轉(zhuǎn)換成字符串發(fā)送出去。將接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)置于2個while循環(huán)中，把錯誤信息整合處理就完成了對客戶端程序的編寫。具體程序如圖5、圖6所示。

4 系統(tǒng)工作流程

綜上所述，該遠(yuǎn)程自動控溫系統(tǒng)主要分為2個部分，即硬件設(shè)計和軟件控制。該系統(tǒng)具體工作流程分為4個部分：{1}在PC端打開LabVIEW程序，在客戶端界面設(shè)定加熱溫度。{2}溫度采集模塊中的溫度傳感器將液體實時溫度采集到溫度變送器，溫度變送器將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺瑢⒅畟鬏數(shù)綌?shù)據(jù)通信模塊。{3}數(shù)據(jù)通信模塊中的采集卡接收到電壓信號后，將之傳輸?shù)絇C端。{4}PC端將實時溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，當(dāng)實時溫度低于設(shè)定溫度時，PC端輸出工作信號到采集卡，進(jìn)而由采集卡控制工作模塊開始加熱，當(dāng)實時溫度達(dá)到設(shè)定溫度時，PC端再次發(fā)出停止信號，工作模塊中的繼電器便斷開電路，停止加熱。工作流程如圖7所示。

5 總結(jié)

本文介紹了一種基于LabVIEW的遠(yuǎn)程自動溫控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用的是PC端的LabVIEW控制，通過電腦上程序的編寫，實現(xiàn)了對溫度的準(zhǔn)確測量與調(diào)控。該系統(tǒng)不僅可以將液體溫度測量顯示在PC端上，同時也可以在PC端上設(shè)定所需的溫度，從而驅(qū)動工作模塊，加熱到設(shè)定溫度。該系統(tǒng)通過驗證，其工作原理可以得到驗證，設(shè)計方案亦是合理的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能化，溫度調(diào)控準(zhǔn)確，具有一定的實用性。該遠(yuǎn)程自動溫控系統(tǒng)的創(chuàng)新點在于以PC端的LabVIEW作為控制系統(tǒng)，可實時顯示溫度，實現(xiàn)調(diào)控，通用性較強(qiáng);同時采用了溫度變送模塊，具有較高的靈敏度、精確性。

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]