基于K型熱電偶的多通道溫度采集系統(tǒng)設(shè)計

趙世峰　何皙健

摘要：為研究多通道溫度采集，設(shè)計了一種基于K型熱電偶的多通道溫度采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用基于ModbusRTU通信協(xié)議的DFM206系列6通道隔離輸入測量模塊，采集多路K型熱電偶信號，上位機使用libmodbus庫實現(xiàn)與DFM206模塊的通信，系統(tǒng)軟件采用Qt進行開發(fā)，利用QcustomPlot實現(xiàn)溫度曲線顯示，溫度數(shù)據(jù)保存于MySQL數(shù)據(jù)庫中。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)精度高、可靠性好，具有較強的擴展性與可移植性，可廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)溫度采集場合。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：熱電偶；DFM206模塊；Modbus協(xié)議；QcustomPlot

DOIDOI：10.11907/rjdk.172928

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）011010802

0引言

K型熱電偶以其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、測量精度較高等優(yōu)勢[1，2]，成為冶金制造、化學(xué)工業(yè)、科學(xué)研究等領(lǐng)域廣泛使用的測溫元件，以K型熱電偶為溫度傳感器的多通道溫度測量技術(shù)得到了廣泛的研究與應(yīng)用。本文采用基于ModbusRTU通信協(xié)議的DFM2066通道隔離信號采集模塊，采集多路K型熱電偶信號，使用跨平臺的Qt開發(fā)上位機軟件，設(shè)計了一套多通道溫度采集系統(tǒng)。實驗證明系統(tǒng)功能完善、可靠性好、測溫精度高，同時具有人機界面友好、可擴展性及可移植性強等優(yōu)點。

1系統(tǒng)設(shè)計

1.1 K型熱電偶測溫原理及信號采集

K型熱電偶由鎳鉻鎳硅兩種導(dǎo)體材料構(gòu)成閉合回路，同一導(dǎo)體兩端溫度不同時會產(chǎn)生溫差電動勢，不同導(dǎo)體接觸時會產(chǎn)生接觸電動勢，二者疊加為熱電偶回路的總熱電動勢。熱電偶兩端為兩個熱電極，溫度較高的為工作端，溫度較低的為冷端[35]。熱電偶的標準分度表是在其冷端溫度T0=0℃時測得，由中間溫度定理有[6，7]：

EAB（T，0）=EAB（T，T0）+EAB（T0，0）（1）

式（1）中：EAB（T，0）為冷端補償后的熱電偶電動勢，EAB（T，T0）為通過測量得到的熱電勢，EAB（T0，0）為冷端溫度相對于0℃時的熱電勢。對于K型熱電偶，溫度變化1℃所對應(yīng)的電壓變化為41μV，因此K型熱電偶的電壓-溫度關(guān)系為[8]：

T=0.02439V+T0（2）

式（2）中：T為被測溫度，V（μV）為熱電偶電壓，T0為冷端溫度。系統(tǒng)采用基于ModbusRTU通信協(xié)議（RS485接口/從機模式）的DFM206系列6通道隔離輸入測量模塊采集多路K型熱電偶信號。DFM206模塊的每個通道都可以獨立、自由設(shè)置為測量電壓信號、電流信號等，具有穩(wěn)定性好、配置方便、應(yīng)用面廣等優(yōu)點。對于K型熱電偶，其測量范圍為-200℃～1 370℃，在不包含冷端補償精度的情況下，其測量精度可達±0.2%F.S。該模塊同時具有內(nèi)部冷端溫度傳感器，并可選擇多種冷端補償方式。

1.2系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)上位機采用基于X86平臺與windows 7操作系統(tǒng)的工業(yè)平板電腦，K型熱電偶信號經(jīng)補償導(dǎo)線傳送至DFM206模塊輸入通道，DFM206模塊的RS485通信接口經(jīng)TS8520高速隔離轉(zhuǎn)換器與上位機的RS232接口（COM1）連接，通信協(xié)議為ModbusRTU協(xié)議。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

多通道溫度采集系統(tǒng)軟件采用Qt進行開發(fā)，Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架[9，10]。以開源的libmodbus庫實現(xiàn)ModbusRTU通信協(xié)議，采用QcustomPlot類實現(xiàn)溫度曲線顯示，溫度數(shù)據(jù)保存于MySQL數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)軟件實現(xiàn)對DFM206模塊配置參數(shù)及讀取數(shù)據(jù)，具有實時多通道溫度數(shù)據(jù)及曲線顯示、實時數(shù)據(jù)存儲等功能。

2.1溫度曲線顯示

系統(tǒng)軟件采用QcustomPlot實現(xiàn)實時溫度曲線及歷史溫度曲線顯示。QcustomPlot是基于Qt的用于繪圖及數(shù)據(jù)可視化的C++部件，它沒有復(fù)雜的依賴關(guān)系，在Qt工程中引入相應(yīng)的頭文件即可使用。QcustomPlot可用于繪制各種靜態(tài)、動態(tài)的曲線、圖形及圖表，可高效地應(yīng)用于實時可視化應(yīng)用程序。QcustomPlot中與靜態(tài)及動態(tài)數(shù)據(jù)曲線繪制相關(guān)的主要接口如表1所示。

2.2ModbusRTU通信協(xié)議及軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件采用開源的libmodbus庫實現(xiàn)ModbusRTU通信協(xié)議[11]。libmodbus庫是采用C語言編寫的開源免費軟件庫，可實現(xiàn)基于ModbusRTU與ModbusTCP協(xié)議的數(shù)據(jù)收發(fā)，支持Win32、Linux等多種操作系統(tǒng)，具有較強的可移植性。系統(tǒng)運行時，系統(tǒng)軟件所在的上位機工作于主機模式，DFM206模塊工作于從機模式。系統(tǒng)軟件運行時，首先配置參數(shù)并建立Modbus通信連接，檢查DFM206模塊狀態(tài)，確定模塊工作正常后開始讀取輸入寄存器（測量值）和參數(shù)寄存器（冷端溫度傳感器值等），將計算出的各通道溫度值實時顯示并繪制實時曲線，同時將數(shù)據(jù)保存至mysql數(shù)據(jù)庫。libmodbus庫實現(xiàn)ModbusRTU協(xié)議流程及系統(tǒng)軟件工作主流程分別如圖2（a）及圖2（b）所示。

圖2libmodbus庫實現(xiàn)ModbusRTU通信流程

3試驗驗證與分析

為驗證多通道溫度采集系統(tǒng)的性能，將兩路K型熱電偶接入DFM206模塊的通道0及通道1，在室溫環(huán)境下對系統(tǒng)進行測試，設(shè)置采樣頻率為2Hz，將兩路溫度數(shù)據(jù)在軟件界面上實時顯示，繪制實時溫度曲線并將數(shù)據(jù)存儲至mysql數(shù)據(jù)庫。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，輸出結(jié)果可靠，可完成多通道溫度采集、溫度曲線繪制、數(shù)據(jù)存儲等功能，系統(tǒng)實時溫度采集與顯示界面如圖3所示。

4結(jié)語

本文利用DFM206系列6通道隔離輸入測量模塊和Qt圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，設(shè)計了一套基于K型熱電偶的多通道溫度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性、實時性，功能完善、人機界面友好，可引入更多的DFM206模塊以擴充通道，具有較強的可擴展性。同時，由于采用跨平臺的Qt開發(fā)系統(tǒng)軟件，使系統(tǒng)上位機可靈活采用基于X86的工控機或基于ARM的嵌入式平臺及Linux、Win32等各種操作系統(tǒng)，具有較強的可移植性。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：何麗）endprint