基于labview的温度测量

1．系统设计

1．1 系统总体设计方案

设计框图如下所示：

图1 系统总体设计框图

1．2 单元电路方案的论证与选择

硬件电路的设计是整个实验的关键部分，我们在设计中主要考虑了这几个方面：电路简单易懂，较好的体现物理思想；可行性好，操作方便。在设计过程中有的电路有多种备选方案，我们综合各种因素做出了如下选择。

1．2．1 温度信号采集电路的论证与选择

方案：本系统中我们采用MF58型高精度负温度系数热敏电阻器及其外围电路，组成温度信号采集电路。相比较方案一，方案二后续电路较复杂，且需进行温度标定，但由于此方案能够较好的体现物理思想，通过实验标定温度，可以使我们更好的理解模拟信号与数字信号的转化，故我们采用了此方案。

MF58型高精度负温度系数热敏电阻器有许多优点：稳定性好，可靠性高；阻值范围宽：；阻值精度高；由于玻璃封装，可在高温和高温等恶劣环境下使用；体积小、重量轻、结构坚固，便于自动化安装（在印制线路板上）；热感应速度快、灵敏度高。故我们采用此温敏元件。

1．2．2 温度控制接口电路的论证与选择

我们采用频压转化电路将频率信号转化成电压信号，进而控制加热与降温电路工作。选用集成式频率／电压转换器LM2907，配以外加电路，能将经PC机处理后输出的频率信号转换为直流电压信号，电压信号控制继电器（相当于开关）工作从而使电路联通，电风扇或加热丝工作。

在一定范围内，LM2907的频率和电压转换可成线性关系，可以实现电热丝加热功率和风扇转速的连续可调。由于技术原因，我们未能实现这项功能，预留此项功能，可以作为功能扩展。

1．2．3 加热与降温电路的论证与选择

由数据选择器与两片LM2907（后接功率放大电路）分别连接加热和降温电路，实现加热功率与风扇转速的连续可调，如1.2.2所述。原理图如下：

图2 加热功率与风扇转速的连续可调电路原理图

1．3 软件设计 1.3.1 主程序流程图

频压转换电路 LM2907

频压转换电路 LM2907

数据选择器

功率放大电路

功率放大电路

升温电路

降温电路

计 算 机

图3 主程序流程图1.3.2 PID算法

PID算法是本程序中的核心部分。我们采用PID模糊控制技术,通过Pvar、Ivar、Dvar （比例、积分、微分）三方面的结合调整形成一个模糊控制来解决惯性温度误差问题。其原理如下：

本系统的温度控制器的电热元件之一是发热丝。发热丝通过电流加热时，内部温度都很高。当容器内温度升高至设定温度时，温度控制器会发出信号停止加热。但这时发热丝的温度会高于设定温度，发热丝还将会对被加热的器件进行加热，即使温度控制器发出信号停止加热，被加热器件的温度还往往继续上升几度，然后才开始下降。当下降到设定温度的下限时，温度控制器又开始发出加热的信号，开始加热，但发热丝要把温度传递到被加热器件需要一定的时候，这就要视发热丝与被加热器件之间的介质情况而定。通常开始重新加热时，温度继续下降几度。所以，传统的定点开关控制温度会有正负误差几度的现象，但这不是温度控制器本身的问题，而是整个热系统的结构性问题，使温度控制器控温产生一种惯性温度误差。

增量式PID算法的输出量为

ΔUn = Kp[(e n-e n-1)+(T/Ti)e n+(Td/T)(e n-2*e n-1+e n-2)]

式中，e n、e n-1、e n-2分别为第n次、n-1次和n-2次的偏差值，Kp、Ti、Td分别为比例系数、积分系数和微分系数，T为采样周期。

计算机每隔固定时间 T将现场温度与用户设定目标温度的差值带入增量式PID算法公式，由公式输出量决定PWM方波的占空比，后续加热电路根据此PWM方波的占空比决定加热功率。现场温度与目标温度的偏差大则占空比大，加热电路的加热功率大，使温度的实测值与设定值的偏差迅速减少；反之，二者的偏差小则占空比减小，加热电路加热功率减少，直至目标值与实测值相等，达到自动控制的目的。

PID参数的选择是实验成败的关键，它决定了温度控制的准确度。数字PID调节器参数的整定可以仿照模拟PID调节器参数整定的各种方法，根据工艺对控制性能的要求，决定调节器的参数。各个参数对系统性能的影响如下：

①比例系数P对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小；P偏大，振荡次数加多，调节时间加长；P太大时，系统会趋于不稳定；P太小，又会使系统的动作缓慢。P可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以及控制对象的特性决定的。如果P的符号选择不当对象测量值就会离控制目标的设定值越来越远，如果出现这样的情况P的符号就一定要取反。

②积分控制I对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降，I小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。

③微分控制D对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，D偏大时，超调量较大，调节时间较短；D偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；只有D合适，才能使超调量较小，减短调节时间。

1.3.3 前面板与虚拟仪器框图

图4 前面板样图

图5 源程序（一）

图6源程序（二）

2．单元电路设计

2．1 温度信号采集电路

信号发生器与热敏电阻串联，提供交流信号。热敏电阻阻值随温度改变，流经电阻的交流电流有效值保持恒定，由欧姆定律可知，电阻两端的电压亦随之改变。经电压跟随器（降低信号输出阻抗）输出后，通过声卡采集数据。电路图如下所示。

加入电压跟随器可以对前后级电路起到“隔离”作用。电压隔离器输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态。极端一点去理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响，使前、后级电路之间互不影响。

R34K 7

R110K

Q1NPN

t

RT 1

TH ERMIST OR

+12

+5

+-R2RE S2

V1

Ui

图7 温度信号采集电路