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[项目] LabVIEW控制Arduino采集热电偶温度数值（进阶篇—2）

本帖最后由不脱发的程序猿于 2022-6-5 18:51 编辑

1、项目概述
在之前的博文中，介绍了LabVIEW控制Arduino采集LM35温度传感器数值和LabVIEW控制Arduino采集热敏电阻温度数值的方法。本篇博文将基于热电偶搭建一款温度监控系统。
热电偶测温具有技术成熟，测温范围宽，测量精度高，性能稳定，结构简单，动态响应较好，价格相对较便宜的优点。
热电偶是将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个连接点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个回路电流。这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电效应原理图如下图所示：

热电偶就是利用热电原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫作工作端（也称为测量端），另一端叫作冷端（也称为补偿端）。
热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度。对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：
1、热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温度函数的差，而不是热电偶冷端与工作端之间温度差的函数；
2、当热电偶的材料均匀时，热电偶所产生的热电势的大小，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成分和两端的温差有关；
3、当热电偶的两个热电偶丝材料成分确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关;若热电偶冷端的温度保持一定，热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。
关于热电偶更详细的测温原理可参见博文：热敏电阻、RTD、热电偶的原理和特性_不脱发的程序猿的博客
2、项目架构
本篇博文主要介绍采用热电偶、MAX6675、Arduino Uno与LabVIEW来实现上下位机高温监测系统。其中，MAX6675实现热电偶的线性化与冷端补偿，Arduino Uno作为下位机，负责MAX6675的读写以及数据传输，LabVIEW编写的监测软件作为上位机，上下位机利用USB-TTL接口实现通信。系统框图架构如下图所示：

项目资源下载请参见： LabVIEW控制Arduino采集热电偶温度数值-单片机文档类资源
3、硬件环境
将K型热电偶两端接至MAX6675模块的接线座上，确保正负两极连接无误。将MAX6675模块的VCC、GND、SO、CS、SCK分别接至Arduino Uno控制板上的+5V、GND、数字端口5、6、7上。热电偶高温监测系统硬件连接如下图所示：

4、Arduino功能设计
Arduino下位机部分需要完成以下功能：温度测量和温度传输，Arduino Uno控制板通过USB—TTL电缆接收上位机发来的命令，完成相应的温度测量，并将测量的温度数据回传至LabVIEW上位机软件。
温度测量即通过Arduino Uno控制器操作MAX6675以读取K型热电偶的温度数据MAX6675完成K型热电偶信号的模数转换、冷端补偿和线性化。
Arduino Uno控制器负责读取LabVIEW上位机发来的热电偶温度采集命令，并读取MAX6675从而获取热电偶的温度数据，通过串口发送回上位机LabVIEW软件。Arduino Uno控制器的程序代码如下所示：

#define A0_Command  0x10   //A0采集命令字
#define A1_Command  0x11   //A1采集命令字
#define D0_Command  0x20   //D0采集命令字
#define D1_Command  0x21   //D1采集命令字
 
byte comdata[3]={0};      //定义数组数据，存放串口接收数据
 
int AD_Value=0;          //AD转换后的数字量
float float_AD_Value;    //数字量换算成浮点电压量
int D_Value=0;           //数字量测量的数据
 
void receive_data(void);      //接受串口数据
void test_do_data(void);         //测试串口数据是否正确，并更新数据
 
void setup()
{
  Serial.begin(9600);      
  pinMode(2, INPUT);
  pinMode(3, INPUT);
}
void loop()
{
  while (Serial.available() > 0)   //不断检测串口是否有数据
   {
        receive_data();            //接受串口数据
        test_do_data();               //测试数据是否正确并更新标志位
   }
}
void receive_data(void)       
{
   int i ;
   for(i=0;i<3;i++)
   {
      comdata[i] =Serial.read();
      //延时一会，让串口缓存准备好下一个字节，不延时可能会导致数据丢失，
       delay(2);
   }
}
 
void test_do_data(void)
{
  if(comdata[0] == 0x55)            //0x55和0xAA均为判断是否为有效命令
   {
     if(comdata[1] == 0xAA)
     {
        switch(comdata[2])
          {   
            case A0_Command:   
                 AD_Value = analogRead(A0);                 //读取A0电压值
                 float_AD_Value=(float)AD_Value/1023*5.00;  //换算为浮点电压值
                 Serial.println(float_AD_Value,2);          //保留两位小数发送数据                       
                 break;
            case A1_Command:   
                 AD_Value = analogRead(A1);                 //读取A0电压值
                 float_AD_Value=(float)AD_Value/1023*5.00;  //换算为浮点电压值
                 Serial.println(float_AD_Value,2);          //保留两位小数发送数据                       
                 break;
            case D0_Command:   
                 D_Value = digitalRead(2);                  //读取D2数字量
                 Serial.println(D_Value);                  //发送数字量测量数据                    
                 break;
            case D1_Command:   
                 D_Value = digitalRead(3);                  //读取D2数字量
                 Serial.println(D_Value);                  //发送数字量测量数据                     
                 break;               
          }
       }
   }
}
复制代码

5、LabVIEW功能设计
LabVIEW上位机部分需要完成以下功能:向下位机发送数据和接收数据并显示在前面板上，Arduino Uno控制板通过串口接收上位机命令，完成相应的温度测量，并将数据回传至上位机。
5.1、前面板设计
LabVIEW前面板分为当前温度数据显示和温度波形数据显示两个部分，波形数据主要用于显示温度的变化趋势，LabVIEW上位机前面板设计如下图所示：

5.2、程序框图设计
LabVIEW上位机主程序的结构为顺序结构+While循环。首先，在顺序结构中的第帧中，通过设置的串口号来初始化串口通信。然后，程序进入While循环中，每间隔1秒读取一次热电偶的温度，并显示在前面板上的数值框和波形图。最后，关闭串口通信。
为了保证通信的正确性，在数据帧中设置0X55和0XAA的校验帧，0XFF为热电偶温度采集命令码。LabVIEW上位机程序框图如下图所示：