LabVIEW控制Arduino采集热电偶温度数值（进阶篇—2）

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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

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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：

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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：

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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：

#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}; //定义数组数据，存放串口命令数据int LED = 13; //定义LED连接的管脚 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(LED, OUTPUT); ts.setOffset(0); // set offset for temperature measurement. // 1 stannds for 0.25 Celsius} 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数据 }} 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) { if(comdata[2] == 0xff) { Serial.print(ts.getCelsius(), 2); } } }}

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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：

本篇博文介绍的热电偶高温监测系统可以实现较宽范围的温度测量，将Arduino Uno与LabVIEW的通信方式更改为RS-485总线，适用于锅炉等工业现场的高温测量。