LabVIEW 控制 Arduino 采集热电偶温度数值（进阶篇—2）

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：

#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);          }      }   }}

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：

​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。

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