基于圖形化編程軟件和數據采集卡實現多路溫度測控系統的設計

引言

我們開發氮氧化物化學發光法分析儀時，整個系統有三處需要溫度測控：反應室，鉬轉換室，光子計數器PMT。反應室中的溫度對化學反應（一氧化氮與臭氧反應）有一定的影響，我們要找到最佳溫度，使反應效率最大。鉬轉換室的溫度影響二氧化氮轉換為一氧化氮的效率，因此也需要效率最大時的溫度。溫度測量與控制的要求是：反應室的測控溫度范圍為：30—70OC，波動：±0.5 OC；鉬轉換室的測控范圍為：250—370 OC，波動：±3 OC。光子計數器PMT受溫度的影響很大，溫度越高光子計數器PMT的暗計數越高。在對光子計數器PMT制冷的同時，對它的溫度也進行監視，以確定其是在低溫（約5OC）環境下工作。系統要求測溫精度為0.05OC。

為保證系統要求，縮短系統開發時間，我們采用了美國國家儀器公司（National Instruments）的圖形化編程軟件系統LabVIEW和數據采集卡Lab-PC-1200，構建了分析儀的整個溫度測控系統。在構建系統過程中，解決了數據采集卡的多路測量與輸出控制的問題，在一定的硬件條件下，優化程序進一步提高系統測控性能。對于基于虛擬儀器構建多路測控系統進行了初步的探討。

溫度測控系統組成

該系統將計算機，強大的圖形化編程軟件和模塊化硬件結合在一起，建立起具有靈活性的基于計算機的測量與控制應用方案，最終構建起滿足自己需求的系統。系統由以下幾個部分組成：計算機，LabVIEW，數據采集卡，溫度傳感電路，加熱控制電路。溫度信號由傳感器轉換為電壓信號，再經數據采集卡進入計算機，在計算機上運行的LabVIEW程序對輸入的數據進行分析處理，將結果由計算機顯示出來，同時通過數據采集卡輸出控制信號給外部加熱控制電路，達到測量與控制溫度的作用。

基于圖形化編程軟件和數據采集卡實現多路溫度測控系統的設計

其中數據采集卡Lap-PC-1200是一種低廉的，在計算機上使用的板卡。它可以采集模擬信號，數字信號，擁有定時器的功能，同時還具有模擬輸出的功能。該數據采集卡具有高性能的數據采集與控制能力，可用于實驗室測試，生產測試，以及工業監視和控制。

我們主要使用的是該卡的模擬輸入與模擬輸出的功能。Lab-PC-1200數據采集卡具有八個模擬輸入通道，兩個模擬輸出通道。

八個模擬輸入通道ACH0-ACH7，其內部模數轉換器是12bit逐步逼近式，你可以將其設定為八個單端信號輸入方式或四個差動信號輸入方式。該卡具有三種不同的模擬輸入模式：RSE，NRSE，DIFF輸入模式。我們設置的是RSE輸入模式，RSE輸入模式是指所有輸入信號都是參考公共地AGND（公共地在這里是指模擬輸入地）。Lab-PC-1200的模擬輸入還可以選擇單極性或雙極性。選擇單極性，輸入電壓范圍為0 to 10 V，0V 對應 0 hex，而10 V 對應 FFF hex（4095 decimal）。選擇雙極性，輸入電壓范圍為-5 to +5 V。我們設置模擬輸入為單極性。

兩個模擬輸出通道DAC0OUT與DAC1OUT，你可以設置模擬輸出通道為單極性或雙極性輸出。單極性輸出范圍為0 to 10 V，數值范圍為0 to 4095 （0 to FFF hex）。雙極性輸出范圍為 -5 to +5 V，數值范圍為-2048 to 2047 （F800 hex to 7FF hex）。我們設置的是模擬輸出為單極性。刷新模擬輸出的電壓，這共有兩種方式：一種叫立即刷新模式（immediate update mode），當你一有數據寫入數模轉換器（DAC）時，其輸出電壓就刷新。另一種叫延遲刷新模式（delayed update mode），只有探測到計數器A2或EXTUPDATE是低電平時，其輸出才會開始刷新。我們設置的是立即刷新模式。DAC0OUT對應模擬輸出通道0，DAC1OUT對應模擬輸出通道1。AGND是這兩個模擬輸出端的參考地［2］。

PMT的溫度測量

光子計數器PMT在半導體制冷片的作用下，溫度大約是5OC 。其溫度測量電路如圖2所示

電路中，AD590集成溫度傳感器，它是一種恒流輸出的二端溫度器件，其內部是經過修正校準的控制電流源，其輸出電流與絕對溫度成正比，即

（1）

式中［i］k［/i］為溫度系數

（2）

AD590使用電壓范圍是DC4-30V，在此電壓范圍內，環境溫度在-55-150［i］℃ ［/i］變化時輸出電流與溫度具有良好的線性關系。MC1403的基準電壓源，輸出為2.5V，調整可變電阻W1使I2= 273.2［i］m［/i］A，則（3）

DAQ模擬輸入端ACH1（AI2）的輸入電壓即為

（4）

我們設置模擬輸入為RSE模式，單極性，則其輸入電壓范圍為0 to 10 V，同時設置其內部放大系數為10，則其輸入電壓范圍變為0 to 999.756 mV。

（5）

U為LabVIEW程序中讀取到的模擬輸入量，由式（5）可推出：

（6）

由于溫度傳感器，放大器，基準電壓源和電阻都會存在一定的偏差，因此我們使用一個標準溫度計來定標，最后將式（6）調整為：

（7）

由于模擬輸入的模數轉換的分辯率為12-bit，則可以從式（7）推出溫度的最小分辯值：△t=8.06%26;#215;△U=8.06%26;#215;（10/4095）≈0.02，0.02OC符合系統要求。反應室的溫度測控

反應室內部裝有加熱棒和溫度傳感器（熱敏電阻），它們接到溫度測控電路，由計算機控制實現精確控溫。溫度測控電路如圖3所示。

電路中，RL為加熱棒；Rt為負溫度系數熱敏電阻；MOC3021為光耦；Z0409MF為可控硅；Date Acquisition Board （DAQ）是數據采集卡Lab-PC-1200， AO、AI和GND分別是它的模擬輸出端、模擬輸入端和接地端。其中數據采集卡Lab-PC-1200的配置如下：模擬輸入為RSE模式，單極性，則其輸入電壓范圍為0 to 10 V；模擬輸出為單極性，立即刷新模式。模擬輸入通道選擇ACH0，模擬輸出通道選擇DAC0OUT，模擬地AGND。

電路的工作過程可分為：溫度信號產生與處理，溫度控制信號生成與輸出。

1、溫度信號產生與處理

溫度信號由測溫電路產生。測溫電路由R3、Rt、及DC+5V電源組成。Rt為負溫度系數熱敏電阻，其阻值與絕對溫度的關系為

（8）

上式中B、C為常數。實驗測得不同溫度下熱敏電阻阻值，把lnRT和絕對溫度T進行線性擬合，得B=4206.96 C=-10.23 。由式（8）得絕對溫度與熱敏電阻阻值的關系為：

（9）

把絕對溫度換為攝氏溫度得

（10）

50%26;#176;C時，熱敏電阻阻值為16.20KW，為在50%26;#176;C左右得到最大靈敏度，選取分壓電阻R3為16.20KW。由電路，已知熱敏電阻為

（11）

上式中［i］U［/i］為熱敏電阻分壓。由式（10），（11）即可得到溫度t 電壓信號U由Lab-PC-1200的模擬輸入通道ACH0（引腳1）讀入計算機，再由LabVIEW程序計算得到溫度值t。

2、溫度控制信號生成與輸出

該部分功能由程序控制數據采集卡和計算機實現。熱敏電壓U由模擬輸入通道ACH0（引腳1）引入數據采集卡，在程序中通過公式（10）（11）便可算出溫度t，將t與設定溫度t0進行比較，其中a與b為百分系數

? ? ??（12）

如占空比大于或等于1，則表明溫度還沒有接近設定溫度，需全程加熱，數據采集卡的模擬輸出端AO輸出全為高電平（電壓5V）。如占空比小于1，數據采集卡的模擬輸出端AO輸出方波中的高電平的時間與方波周期之比和占空比相等。根據加熱棒的加熱能力，反應室的散熱情況，可適當調整百分系數a和b，使得當溫度達到設定溫度時，反應室吸收的熱量與散發的熱量相等，從而反應室溫度處于一個動態的平衡。

在數據采集卡的模擬輸出端AO輸出的一個方波周期內，輸出為高電平時，光耦導通，R2上有分壓，觸發可控硅導通，加熱棒工作，使反應室溫度升高。AO端輸出為低電平時，光耦不導通，可控硅也不導通，加熱棒不工作。

以上過程循環進行，使反應室緩慢逼近設定溫度，避免了由于熱慣性太大而造成的溫度波動。該控溫系統可使反應室溫度穩定在室溫到70°C的任意溫度，溫度波動小于0.5°C，保證了實驗所需的溫度條件。控溫程序是在LabVIEW平臺上編寫的，界面生動直觀，操作方便。