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項(xiàng)目概述

在之前的博文中，介紹了LabVIEW控制Arduino采集LM35溫度傳感器數(shù)值和LabVIEW控制Arduino采集熱敏電阻溫度數(shù)值的方法。本篇博文將基于熱電偶搭建一款溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

熱電偶測(cè)溫具有技術(shù)成熟，測(cè)溫范圍寬，測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好，價(jià)格相對(duì)較便宜的優(yōu)點(diǎn)。

熱電偶是將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)連接點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，因而在回路中形成一個(gè)回路電流。這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為熱電勢(shì)。熱電效應(yīng)原理圖如下圖所示：

熱電偶就是利用熱電原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫作工作端（也稱(chēng)為測(cè)量端），另一端叫作冷端（也稱(chēng)為補(bǔ)償端）。

熱電偶實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，它將熱能轉(zhuǎn)換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢(shì)測(cè)量溫度。對(duì)于熱電偶的熱電勢(shì)，應(yīng)注意如下幾個(gè)問(wèn)題：

1、熱電偶的熱電勢(shì)是熱電偶工作端的兩端溫度函數(shù)的差，而不是熱電偶冷端與工作端之間溫度差的函數(shù)；

2、當(dāng)熱電偶的材料均勻時(shí)，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)的大小，與熱電偶的長(zhǎng)度和直徑無(wú)關(guān)，只與熱電偶材料的成分和兩端的溫差有關(guān)；

3、當(dāng)熱電偶的兩個(gè)熱電偶絲材料成分確定后，熱電偶熱電勢(shì)的大小，只與熱電偶的溫度差有關(guān);若熱電偶冷端的溫度保持一定，熱電偶的熱電勢(shì)僅是工作端溫度的單值函數(shù)。

關(guān)于熱電偶更詳細(xì)的測(cè)溫原理可參見(jiàn)博文：熱敏電阻、RTD、熱電偶的原理和特性

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項(xiàng)目架構(gòu)

本篇博文主要介紹采用熱電偶、MAX6675、Arduino Uno與LabVIEW來(lái)實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)高溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中，MAX6675實(shí)現(xiàn)熱電偶的線(xiàn)性化與冷端補(bǔ)償，Arduino Uno作為下位機(jī)，負(fù)責(zé)MAX6675的讀寫(xiě)以及數(shù)據(jù)傳輸，LabVIEW編寫(xiě)的監(jiān)測(cè)軟件作為上位機(jī)，上下位機(jī)利用USB-TTL接口實(shí)現(xiàn)通信。系統(tǒng)框圖架構(gòu)如下圖所示：

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硬件環(huán)境

將K型熱電偶兩端接至MAX6675模塊的接線(xiàn)座上，確保正負(fù)兩極連接無(wú)誤。將MAX6675模塊的VCC、GND、SO、CS、SCK分別接至Arduino Uno控制板上的+5V、GND、數(shù)字端口5、6、7上。熱電偶高溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件連接如下圖所示：

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Arduino功能設(shè)計(jì)

Arduino下位機(jī)部分需要完成以下功能：溫度測(cè)量和溫度傳輸，Arduino Uno控制板通過(guò)USB—TTL電纜接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的命令，完成相應(yīng)的溫度測(cè)量，并將測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)回傳至LabVIEW上位機(jī)軟件。

溫度測(cè)量即通過(guò)Arduino Uno控制器操作MAX6675以讀取K型熱電偶的溫度數(shù)據(jù)MAX6675完成K型熱電偶信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換、冷端補(bǔ)償和線(xiàn)性化。

Arduino Uno控制器負(fù)責(zé)讀取LabVIEW上位機(jī)發(fā)來(lái)的熱電偶溫度采集命令，并讀取MAX6675從而獲取熱電偶的溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)串口發(fā)送回上位機(jī)LabVIEW軟件。Arduino Uno控制器的程序代碼如下所示：

#include "Max6675.h" Max6675 ts(8, 9, 10);// Max6675 module: SO on pin #8, SS on pin #9, CSK on pin #10 of Arduino UNO// Other pins are capable to run this library, as long as digitalRead works on SO,// and digitalWrite works on SS and CSK byte comdata[3]={0};      //定義數(shù)組數(shù)據(jù)，存放串口命令數(shù)據(jù)int LED = 13;                 //定義LED連接的管腳 void receive_data(void);      //接受串口數(shù)據(jù)void test_do_data(void);         //測(cè)試串口數(shù)據(jù)是否正確，并更新數(shù)據(jù)  void setup(){  Serial.begin(9600);        pinMode(LED, OUTPUT);  ts.setOffset(0);  // set offset for temperature measurement.  // 1 stannds for 0.25 Celsius} void loop(){  while (Serial.available() > 0)   //不斷檢測(cè)串口是否有數(shù)據(jù)   {        receive_data();            //接受串口數(shù)據(jù)        test_do_data();               //測(cè)試數(shù)據(jù)是否正確并更新數(shù)據(jù)   }}  void receive_data(void)       {   int i ;   for(i=0;i<3;i++)   {      comdata[i] =Serial.read();      //延時(shí)一會(huì)，讓串口緩存準(zhǔn)備好下一個(gè)字節(jié)，不延時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，       delay(2);   }} void test_do_data(void){  if(comdata[0] == 0x55)            //0x55和0xAA均為判斷是否為有效命令   {     if(comdata[1] == 0xAA)     {        if(comdata[2] == 0xff)          {                 Serial.print(ts.getCelsius(), 2);          }      }   }}

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LabVIEW功能設(shè)計(jì)

LabVIEW上位機(jī)部分需要完成以下功能:向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)并顯示在前面板上，Arduino Uno控制板通過(guò)串口接收上位機(jī)命令，完成相應(yīng)的溫度測(cè)量，并將數(shù)據(jù)回傳至上位機(jī)。

5.1、前面板設(shè)計(jì)

LabVIEW前面板分為當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)顯示和溫度波形數(shù)據(jù)顯示兩個(gè)部分，波形數(shù)據(jù)主要用于顯示溫度的變化趨勢(shì)，LabVIEW上位機(jī)前面板設(shè)計(jì)如下圖所示：

5.2、程序框圖設(shè)計(jì)

LabVIEW上位機(jī)主程序的結(jié)構(gòu)為順序結(jié)構(gòu)+While循環(huán)。首先，在順序結(jié)構(gòu)中的第幀中，通過(guò)設(shè)置的串口號(hào)來(lái)初始化串口通信。然后，程序進(jìn)入While循環(huán)中，每間隔1秒讀取一次熱電偶的溫度，并顯示在前面板上的數(shù)值框和波形圖。最后，關(guān)閉串口通信。

為了保證通信的正確性，在數(shù)據(jù)幀中設(shè)置0X55和0XAA的校驗(yàn)幀，0XFF為熱電偶溫度采集命令碼。LabVIEW上位機(jī)程序框圖如下圖所示：

本篇博文介紹的熱電偶高溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較寬范圍的溫度測(cè)量，將Arduino Uno與LabVIEW的通信方式更改為RS-485總線(xiàn)，適用于鍋爐等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的高溫測(cè)量。