基于LabVIEW & Multisim的温度测量系统.docx
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1、基于LabVIEW & Multisim的温度测量系统基于LabVIEW & Multisim的温度测量系统 摘要 温度是表征物体冷热程度的物理量,它与人类生活和科学研究密切相关,在生产过程和科学研究中几乎没有不要求温度检测的。在工农业生产和日常生活中,对温度的测量及控制始终占据着重要地位。 LABVIEW通过软件仿真平台,应用系统仿真技术,可以将软件和硬件有机地结合起来,当用户在计算机界面上进行操作的时候,实际的效果可以在仿真平台上显示出来。软件设计者可以通过软件仿真平台的操作得出对本软件的更客观的了解。有利于掌握软件各个环节的运行情况和各个器件的参数和特征.Multisim是一款被广泛使用
2、的模拟仿真软件,他可以设计、测试和演示各种电子电路,且虚拟测试仪器仪表种类齐全,实验中不消耗实际的元器件,使用非常方便可靠。 本文以NI公司的LabVIEW8.6为软件开发平台,以计算机、传感器为基础并结合了Multisim工具,利用铂电阻的温度特性开发研制了一个温度测量系统,范围为-100到0,具有较强的实用性。 关键词:虚拟仪器,labview,温度测量,multisim The Temperature Measuring System Based On LabVIEW&Multisim ABSTRACT Temperature is the degree of physical obje
3、cts, it is closely related to human life and scientific research, the scientific research and production process almost require temperature detection everywhere. In the industrial and agricultural production and daily life, the measurement and control of the temperature has always occupied an import
4、ant position. Through simulation platform and the system simulation technology, software and hardware could be organically integrated by LABVIEW software , when the user interface to operate the computer the actual results can be displayed in the simulation platform.Software simulation platform for
5、software designers can draw on the operation of a more objective understanding of the software. It Help us to master all aspects of the operation of the software and various device parameters and characteristics. Multisim is a widely used simulation software, he can design, test and demonstrate a va
6、riety of electronic circuits, and It has full types of virtual instruments, The actual components are not consumed in experiment and It is reliable. and easy to use. In this paper, used as software development platform ,NIs LabVIEW8.6 combines the computer, sensor-based node and multisim tool, using
7、 platinum resistance temperature characteristics developed a temperature measurement system,whose temperature ranges from -100 to 0, and It is very strongpractical. Keywords: VirtualInstrument, Labview, TemPeratureMeasurement, Multisim 目 录 第一章绪论 . 1 1.1课题的研究背景及意义 . 1 1.2虚拟仪器与Labview . 1 1.3 Multisim
8、的功能 . 2 1.4热电阻传感器 . 3 第二章电路设计 . 4 2.1传感器模型的建立 . 4 2.2电路的组成与原理 . 4 2.2.1稳压电路 . 4 2.2.2基本放大电路 . 5 2.2.3校正环节 . 6 第三章整体电路的分析 . 8 3.1稳压环节分 . 8 3.2铂电阻温度特性的分析 . 10 3.3反馈电路分析 . 11 3.4电阻Rw1作用分析 . 11 3.5电路验证 . 12 3.6数据处理 . 13 第四章LabVIEW虚拟仪器的设计 . 14 4.1 LabVIEW应用程序的构成 . 14 4.2数据显示子程序设计 . 14 4.3LabVIEW与Multisim
9、接口电路的设计 . 16 4.4LabVIEW与Multisim联合仿真 . 17 结论 . 19 致 谢 . 20 参考文献 . 21 第一章绪论 1.1课题的研究背景及意义 温度是工业生产和科学研究实验中的一个非常重要的参数,物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关,许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的,需要测量温度的场合极其广泛。目前的温度测量控制系统一般使用的都是传统仪器,传统仪器的功能都是通过硬件或者固化的软件来实现的。这种框架结构决定了它只能由仪器厂家来定义、制造,而且功能和规格一般都是固定的,用户无法随意改变其结构和功能。 随着科学技术的进步,计算机技术的飞速发展,传统仪器己
10、经不能适应现代监测系统的要求,美国国家仪器公司 (NationalInstruments,简称Nl)率先提出虚拟仪器 (virtualInstrumentation)的概念,它彻底打破了传统仪器由厂家定义生产,用户无法改变的模式,从而使测控仪器发生了一场巨大的变革。虚拟仪器是通过应用程序将通用计算机与功能模块硬件结合在一起的一种全新的测控仪器系统。用户通过显示器友好的图形界面操作计算机,完成对被测量的数据采集、分析、处理、显示、存储等整套测试工作,如同操作一台自行定义与设计的专用传统仪器一样。Multism作为一个优秀的电子线路仿真软件,它可以方便的对电路参数进行测试和分析,设计和实验成功的电
11、路可以直接在产品中使用具有很高的可靠性。 目前,电子测量仪器发展中出现的虚拟仪器概念己经逐步被很多领域所接受,对实现柔性的测控系统具有明显的推动作用。利用现有的计算机,加上适当的仪器硬件和应用软件(如LabVIEW)构成虚拟仪器,在与功能强大的虚拟仿真软件Multism相结合,使其既具有传统仪器的基本功能,又能让用户根据自己的需求变化随时定义,实现多种多样的应用要求。虚拟仪器不但灵活可变、功能强大,而且使用简单方便,便于技术升级更新,系统的使用和维护费用极低,同时具有极高的可靠性。 1.2虚拟仪器与Labview 所谓虚拟仪器,实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计
12、算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体,从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量,控制能力结合在一起,大大缩小了仪器硬件的成本和体积,并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。从发展史看,电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器,由于计算机性能以摩尔定律飞速发展,已把传统仪器远远抛到后面。 LabVIEW是Laboratory Virtual Workbench简称,是一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具。NI公司生产基于计算机技术的软硬件产品,其产品帮助工程师和科学家进行测量、过程控制及数据分析和存储。 LabVIEW能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式
13、,能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能,并且用线条将各种功能连接起来,十分省时简便,深受用户青睐。与传统的编程语言比较,LabVIEW图形编程方式能够节省85以上的程序开发时间,其运行速度却几乎不受影响,体现出了极高的效率。使用虚拟仪器产品,用户可以根据实际生产需要重新构筑新的仪器系统。 1.3 Multisim的功能 Multisim提供了一种易于使用的电路教学环境,易于操作,能够很好的达到简化电路设计的目的。Multisim让用户可以专注于理解电路概念,而不用为学习应用环境而烦恼。在Multisim中,用户可以在线修改电路值,然后查看实时仿真结果。 使用Multisim提
14、供的20个功能强大的分析工具,可以对电路特性进行深入分析,从而获得对电路特性的直观认识。使用者可以探索不同的电路配置、元件选择、噪音以及信号源如何影响电路的设计。使用NI Grapher可以对数据进行可视化操作,该工具可以用标签标注显示的数据,并可以将数据以不同文件格式导出,或进行其他操作。 只需单击鼠标,即可从Multisim中的仿真电路跳转到真实物理电路。随着Multisim 10.1和NI教学实验室虚拟仪器套件II的发布,结合使用这些产品可以弥补理论和实际的差距,从而提供全新动手学习的方法。用户使用Multisim可以对理论概念进行仿真;使用NI ELVIS对电路进行原型化;使用Mult
15、isim环境中的NI ELVIS图解与NI ELVIS虚拟仪器,可以将实际测量值与仿真测量值进行比较。 通过LabVIEW的图形编程功能,Multisim能够引入自定义的虚拟仪器,从而延伸现有产品的仿真和分析能力。 Multisim内的LabVIEW虚拟仪器可以用于演示难以理解的或复杂的概念,比如相量或电梯控制。因此,需要时您可以使用LabVIEW工具创建或编辑LabVIEW虚拟仪器来达到目的。 1.4热电阻传感器 热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置,它利用传感器元件的电磁参数随温度变化的特征来达到测量目的。通常将被测温度转化为敏感元件的电阻、磁道或电势等的变化,通过适当的测量电
16、路,就可由电压、电流这些参数的变化来表达所测温度的变化。热电阻是指将温度转换为电阻值大小的热电式传感器,其在工业生产中得到了广泛的应用。 用于制造热电阻的的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率,R-T关系最好成线性,物理化学性能稳定,复现性好,目前最常用的热电阻是铂电阻,铂电阻的特点是精度好、稳定性好、性能可靠,所以在温度传感器中得到了广泛的应用。按IPTS-68标准,在-259.34到+630.74温度域内,以铂电阻温度计作为基准器。 铂电阻的温度特性,在0到630度以内为 RT =R01+At+Bt2 在-190到0度以内 RT=RO1+At+Bt2+C(t-100)t3 式中,
17、Rt为温度为t时的阻值;R0为温度为0时的阻值;A为温度系数,取3.940*10-3;B为温度系数,取-5.84*10-7;C为温度系数,取-4.22*10-12。 热电阻在温度t时的电阻值与R0有关。目前我国规定工业用铂电阻有R0=50和R0=100两种,他们的分度号分别为Pt100和Pt50。其中以Pt100为常用。铂电阻不同分度号也有相应分度表,在实际的测量中,只要测得热电阻的阻值Rt,便可从分度表上查出对应的温度值。 第二章电路设计 2.1传感器模型的建立 由绪论可知金属铂电阻性能十分稳定,在-260到+630度之间,铂电阻可做标准温度计;在0到-100度之间,铂电阻与温度的关系如式(
18、1.2) RT=RO1+At+Bt2+C(t-100)t3 把参数代入得 Rt=-4.22*10-10t4+4.22*10-8t3-5.84*10-5T2+0.394T+100 由于本设计所测温度范围在0到-100度之间,且上式 的3次项4次项的系数很小,使得温度变化时3次项4次 项的值对阻值影响很小,故可省去近似为一个二次多项式。 即 Rt=-5.84*10T+0.394T+100 -52有了温度与铂电阻的关系式,就可建立如图2.1的 图2.1 铂电阻模型 模型,以V1代表温度T,压控多项式函数模块用来实现上述函数,其输出为电压值,由铂电阻的原理,模型模拟的是电阻值,所以在加上一个比例系数为
19、1的压控电阻,因此输出电阻值按算式随温度质的变化而变化。 2.2电路的组成与原理 当温度变化时,热电阻的阻值随温度的变化而变化。对温度的测量转化为对电阻的测量,可将阻值的变化转化为电压或电流的变化输入测量仪表,通过测量电路的转换,即可得被测温度。测量电路由以下4部分组成。 2.2.1稳压电路 稳压环节用于为后面的电路提供基准电压,如图2.2所示。稳压二极管稳压电路的输出端接电压跟随器来稳定输出电压。电压跟随器具有高输入阻抗、地输出阻抗的优点。 稳压二极管稳压电路是最简单的一种稳压电路,它由一个稳压二极管和一个限流电阻组成。从图2.3二极管的稳压特性曲线可以看到,只要稳压过的电流IzminIDZ
20、Izmax,则稳压管就使输出稳定在Uz附近,其中Uz是在规定的稳压管反向工作电流下所对应的反向工作电压。限流电阻的作用是起到限流作用,以保护稳压管;另外,当输入电压或负载电流变化时,通过该电阻上电压降的变化,取出误差信号以调节稳压管的工作电流,从而起到稳压作用。 图2.2稳压环节 图2.3稳压二极管稳压特性设计稳压二级管电路,首先需要根据设计要求和实际电路的情况来合适的选出所要求的输出电压U0,一般选输入电压Ui为U0的2至3倍。例如,如果要获得10V的输出电压,那么整流滤波电路的输出电压应在20-30V,然后选取合适的变压器,以提供合适的电压。稳压二极管的参数有三个,即稳压值Uz、最小稳定电
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