基于虛擬儀器的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)

1、基于虛擬儀器的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)摘要:虛擬儀器具有強大的數據處理能力,并且具備多種儀器設備功能于一體,能夠從分享用計算機所有資源,實現(xiàn)普通儀器所不能實現(xiàn)的功能。而且擁有良好的人機設計界面,簡單易學,設備集成度高,靈活多變。單片機溫度采集系統(tǒng)成本低廉,結構簡單,易用性高,通過與LABVIEW軟件結合,變成了一套完善的具備數據采集,數據處理,數據存儲電子儀器。具備多功能于一體,小型化,功耗低的特點。關鍵詞:溫度傳感器;單片機;LabVIEW;溫度采集Abstract: virtual instrument has strong data processing ability, and have man

2、y different instruments from integrates functional, can use computer all share resources, realizing ordinary instrument can realize functions. And have a good human-machine design interface, easy to operate, equipment, flexible high level of integration.Single-chip microcomputer temperature acquisit

3、ion system of simple structure, low cost, high, through with usability LABVIEW software combination, into a complete set of perfect have data acquisition, data processing, data storage electronic instrument. Havemuti_function at an organic whole, miniaturization, low power consumption characteristic

4、s.Keywords: temperature sensors; SCM; The LabVIEW; Temperature gathering引言隨著科學技術的發(fā)展,人們在監(jiān)控與監(jiān)測生產過程、居住環(huán)境、生活質量等過程中,制造了各種各樣科學儀器。而傳統(tǒng)儀器如模擬式儀器儀表、數字化儀表、內部有微處理器的智能儀器等,其對于用戶來說是一個封閉的系統(tǒng),儀器的面板、旋鈕、開關和顯示方式,內部電路及儀器所能提供的功能都是固定的,與其他設備的連接也受限制。隨著計算機硬件技術、軟件技術的不斷發(fā)展與成熟,全新概念的第四代儀器虛擬儀器出現(xiàn)了。美國國家儀器公司(NI已經在Macintosh 計算機上推出了LabVI

5、EW2.0以前的版本。目前LabVIEW的最新版本為LabVIEW8.6,LabVIEW 8.6為多線程功能添加了更多特性。虛擬儀器作為一種基于計算機的自動化檢測儀器系統(tǒng),是現(xiàn)代計算機技術和儀器技術完美結合的產物,也是當今計算機輔助測試領域的一項重要技術。它利用加在計算機上的一組軟件與儀器模塊相連接,以計算機為核心、充分利用計算機強大的圖形界面和數據處理能力提供對測量數據的分析和顯示。虛擬儀器的構成,如圖1.1所示:所有的圖都標注成圖1 圖2 。而不是圖1.1 圖2.1 圖1.1 虛擬儀器的構成NI提出的“軟件即儀器”的口號,徹底打破了傳統(tǒng)儀器只能由生產廠家定義,用戶無法改變的模式,利用虛擬儀

6、器,用戶可以很方便地組建自己的自動檢測系統(tǒng)。顯然,與傳統(tǒng)儀器相比,虛擬儀器具有以下特點:1.融合了計算機強大的硬件資源,突破了傳統(tǒng)儀器在數據處理、顯示、存儲等方面的限制,大大增強了傳統(tǒng)儀器的功能。2. 利用計算機豐富的軟件資源,實現(xiàn)了部分硬件的軟件化,增加了系統(tǒng)的靈活性。通過軟件技術和相應數值算法,可以實時、有效地對測試數據進行各種分析與處理。同時,利用圖形用戶界面技術使得人機交互方便。3.基于計算機網絡技術和接口技術,具有方便、靈活的互聯(lián)能力,廣泛支持各種工業(yè)總線的標準。因此,利用VI技術可方便地構建自動測試系統(tǒng),實現(xiàn)測量、控制過程的智能化、網絡化。1.2 LabVIEW程序構成與模塊簡介L

7、abVIEW的核心是VI(G語言編寫的程序。該環(huán)節(jié)包含三個部分:程序前面板(Front Panel、程序框圖(Block Diagram和圖標/連接端口(Icon/Connector。1.前面板(Front Panel前面板是程序與用戶交流的窗口,用于設置各種輸入控制參數和觀察輸出量。前面板的作用相當于傳統(tǒng)儀器的面板,在它上面有用戶輸入和顯示輸出兩類對象。具體表現(xiàn)為開關、旋鈕、撥盤等用戶輸入的控制對象和圖形、圖表等顯示對象。如圖1.2所示的是一個正弦函數產生和顯示VI的前面板,上面有一個顯示對象,圖形顯示控件,以曲線的方式顯示了一個正弦波。有兩個控件對象,即旋鈕和停止鍵,旋鈕用于調節(jié)產生的正弦

8、波的幅值,停止/啟動按鈕用于啟動和停止程序的運行。 圖1.2正弦波產生和現(xiàn)實2.程序框圖(Block Diagram每個前面板都有相應的程序框圖與之對應。程序框圖是VI的圖像化源代碼,是實現(xiàn)程序的核心,可以把它想象為傳統(tǒng)儀器機箱中用來實現(xiàn)功能的零部件,它可以控制和操縱定義在前面板的輸入和輸出功能。程序框圖由節(jié)點、端口和連線等要素組成。圖1.3所示的是一個正弦函數產生和顯示VI的程序圖(與圖1.2相對應。 圖1.3正弦波產生和顯示第二章基于虛擬儀器的數據采集與控制請不要標準成第二章、第三章這種寫法2.1基于LabVIEW的數據采集及存儲LabVIEW(Laboratory Virtual Ins

9、trument Engineering是一種開放型的通用程序開發(fā)系統(tǒng),具有強大的數據采集、數據處理、數據分析和儀器控制功能。而數據采集的硬件部分的核心是( Data Acquisition-DAQ卡,它和LabVIEW有很好的接口程序,用LabVIEW實現(xiàn)數據采集,就是在LabVIEW中控制各種DAQ 卡(或設備完成特定的功能,這都離不開DAQ驅動程序的支持?？梢源_定初步的設計思路:傳感器把被測量的物理量轉換為電量;信號調理電路對傳感器轉換的電信號進行放大、濾波、隔離等預處理;數據采集卡采集信號調理電路的電壓信號,轉換成計算機能處理的數字信號;通過數據采集卡驅動程序,將數字信號讀入計算機,計算

10、機對信號進行處理,以達到預期的目的。其中,模塊是連接硬件電路與計算機的核心模塊,可以將硬件電路的信號采集到計算機?；谔摂M儀器的數據采集程序框圖,如圖1.1所示: 圖1.1 數據采集及儲存首先利用DAQ Assistant將信號從硬件采集到軟件程序中,然后由示波器在前面板顯示出信號的變化曲線,同時利用信號拆分模塊將送進來的信號拆分,以便對溫濕度不同的信號做不同的處理,從而實現(xiàn)對溫濕度雙通道的數據采集,數據自動存儲、顯示以及越限報警。 圖1.2 數據存儲數據自動存儲模塊如圖1.2所示。數據存儲的功能是利用數據庫實現(xiàn)的,首先需要在運行該系統(tǒng)的環(huán)境中建立一個date.xls的文件夾,然后運行系統(tǒng),在

11、該文件夾下會自動生成一個.xls文件,DAQmx采集到的所有數據及其對應的采集時間都存放在該文件中。如果想要查看某段時間的溫濕度情況,可以在date文件夾中找到對應的時間段,對應的.xls文件,單擊,便在Microsoft Excel下打開。本采集系統(tǒng)與同類的存儲系統(tǒng)相比,自動生成保存文件是它的優(yōu)點,這樣既可以節(jié)省用戶的時間,也減少了系統(tǒng)繁瑣的操作步驟及一些不必要的麻煩。2.2 基于虛擬儀器的控制系統(tǒng)虛擬儀器所具有的諸多特點使其早已突破測試領域的范圍,在控制領域也得到越來越廣泛的使用。隨著計算機技術的快速發(fā)展,自動控制系統(tǒng)中的控制器功能越來越多的通過計算機來實現(xiàn),這就組成了典型的計算機控制系統(tǒng)

12、。計算機控制系統(tǒng)的控制過程可歸納為以下三個步驟:1.實時數據采集:對被控量的瞬時值進行檢測,并輸入給計算機。2.實時決策:對采集到的表征被控參數的狀態(tài)量進行分析,決定下一步的控制過程。3.實時控制:根據決策,適時地對執(zhí)行機構發(fā)出控制信號,完成控制任務。計算機控制系統(tǒng)的控制過程可分為三個步驟:實時數據采集、實時決策和實時控制,其系統(tǒng)結構可用下圖2.1表示。給定量 圖2.1計算機控制結構圖基于虛擬儀器的控制系統(tǒng)實際上就是一種計算機控制系統(tǒng),它以計算機及軟件為中心,結合模塊化的數據采集及輸出硬件,完成控制過程的三個步驟。其中的自動化軟件可以是LabVIEW、Windows、CVI等虛擬儀器開發(fā)平臺。

13、第三章基于虛擬儀器溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的方案設計本次設計是利用虛擬儀器技術設計了一個適用于農業(yè)溫室的溫濕度測控系統(tǒng),使用LabVIEW和數據采集卡相互配合采集溫濕度信號并輸出控制信號。由于LabVIEW本身的圖形化編程平臺,使得本系統(tǒng)的設計較為簡單,實現(xiàn)的結果更形象、直觀,操作也方便,并且還可以較容易地實現(xiàn)功能增減。3.1 基于虛擬儀器溫濕度監(jiān)控系統(tǒng).該設計的設計思想是:由溫濕度傳感器檢測信號,信號被DAQ采集卡采集,進入計算機虛擬儀器程序,對采集到的溫濕度進行判斷,當溫度不適于農作物生長時,系統(tǒng)報警,可以通過空調、電風扇等工具降溫;當濕度不適于農作物生長時,系統(tǒng)報警,通過灌溉或者增加光照等措施,調

14、節(jié)濕度。還需對采集到的實時數據進行顯示、存儲、報警歷史記錄等功能。如圖1.1 所示。 圖不清楚,重畫圖1.1 基于虛擬儀器溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)流程框圖本系統(tǒng)的組成和其他基于虛擬儀器的系統(tǒng)組成一樣,都由系統(tǒng)前面板及與之相對應的程序框圖兩大部分構成。前面板由兩部分組成:登錄界面、實時采集界面。登陸界面可以阻止非操作人員操作系統(tǒng),只有規(guī)定的操作人員可進行相關的操作,這樣不僅可以保證系統(tǒng)的安全,同時大大減少由于操作人員的誤操作導致的不良后果。登陸界面如圖1.2登陸界面所示。 圖1.2登陸界面在“用戶名”一欄輸入與設置相同的內容,在“密碼”輸入與設置相同的密碼,點擊“確定”,就可以登陸系統(tǒng),進行下一步的操作。

15、實時采集部分可以實現(xiàn)采集數據的顯示、溫濕度上下限的報警、報警歷史的記錄及清除、熱電偶類型的選擇等功能。如圖1.3所示。 圖1.3 實時采集前面板根據系統(tǒng)預期的目標來分析,可以把系統(tǒng)分成五個模塊,如圖1.4所示: 圖不清楚,重畫圖1.4 系統(tǒng)組成結構與前面板登陸界面(圖1.2相對應的程序框圖(圖1.5登陸口程序框圖具體的工作過程是:當操作人員輸入用戶名與已設定的值相等時,程序向下執(zhí)行,進入第二個while結構,輸入的密碼值與設定值再次相等時,點擊確認登陸,系統(tǒng)登陸成功,否則,系統(tǒng)不能登陸。而選項卡使登陸界面與實時采集界面有序的組成一個完整的系統(tǒng),換句話說,不執(zhí)行登陸界面的程序,將無法執(zhí)行實時采集

16、的程序,這大大增加了該系統(tǒng)的安全性、保密性。 圖1.5登陸界面程序框圖數據采集部分,如框圖1.6,可以實現(xiàn)數據采集、顯示、存儲等功能。由傳感器傳來的信號由DAQmx采集卡采集并送到PC機上,通過示波器可以顯示波形,拆分信號模塊將信號分成兩路,即溫度與濕度信號。選擇其中一支,再進行拆分,將其中一路信號轉換成其他VI和函數配合使用的數據,波形等進行存儲,另一路送往熱電偶讀數模塊,將采集到的信號轉換成攝氏度,在前面板顯示,最后一路送到比較器,進行上下限的設置。從DAQms出來的另一路信號(即濕度信號,與溫度信號處理的方法相似,唯一不同的是,由于沒有轉換濕度傳感器讀數的模塊,所以選擇比較線性的濕度傳感

17、器,在最后轉換的時候,將采集到的信號進行簡單的數學運算。該部分還有一個重要的功能數據存儲。 圖1.6數據采集部分實現(xiàn)報警歷史記錄與刪除功能的程序框圖,如圖1.7所示。本塊程序主要是對報警信號的記錄,方便相關人員對報警數據分析,并對研究過的或無用的報警信號清除。具體實現(xiàn)過程如下:將溫度、濕度兩路已報警的信號引出來,分別接入注冊事件,構成兩個用戶事件。并將輸出接到事件結構上,當有報警的信號時,事件結構執(zhí)行,將此報警信號記錄下來;當不需要某類記錄(溫度或者濕度的時候,點擊該記錄對應的清除按鈕,程序將執(zhí)行該按鈕所在的程序框中的程序,將所對應的歷史清零。 圖1.7 報警記錄前面板 報警清除前面板如圖1.

18、7所示,與之相對應的程序框圖如圖3.8所示。3.2系統(tǒng)程序總圖基于虛擬儀器的溫濕度控制可以看作是登錄模塊、采集模塊、數據存儲模塊、報警歷史重現(xiàn)模塊、報警歷史清除模塊的有機結合。也就是說,該系統(tǒng)可以實現(xiàn)這些模塊所能實現(xiàn)的所有功能,必將這些功能組合在了一起。在熟悉前幾章的準備工作后,就可以著手設計該系統(tǒng)。首先,先將登陸口模塊放在順序循環(huán)結構中,同時利用選項卡功能使登陸口功能和實現(xiàn)采集相互轉換,然后就是核心程序,利 用DAQ實現(xiàn)數據的采集,將數據自動儲存到模塊,再利用實現(xiàn)報警歷史的清除。最后實現(xiàn)全部功能的程序框圖如圖2.1所示。 圖2.1基于虛擬儀器溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的總程序圖該系統(tǒng)集合了登錄模塊、采集

19、模塊、數據存儲模塊、報警歷史重現(xiàn)模塊及報警歷史清除模塊五個模塊的所有功能,可以實現(xiàn)系統(tǒng)保密、溫濕度采集、報警等監(jiān)控系統(tǒng)所有的功能。第四章程序運行和調試4.1 程序的運行當編寫完成一個虛擬儀器VI程序后,若想檢驗程序是否正確,在前面板和 程序框圖工具條上找到運行按鈕,單擊該按鈕運行,使程序運行一次,程序 運行后該按鈕變成形狀。如果想讓程序連續(xù)運行,單擊連續(xù)運行按鈕,程 序即可連續(xù)運行。停止按鈕用于在程序運行中非正常的停止程序運行,在程 序運行后該按鈕由暗變亮。暫停按鈕用于在程序運行時讓程序暫停,單擊該按鈕,程序暫停,停止當前執(zhí)行到的地方,停止單擊,程序繼續(xù)運行。4.2程序調試技術1.找出語法錯誤

20、若一個VI程序不能執(zhí)行,運行按鈕會變成一個折斷的箭頭,這表示該VI存在錯誤。單擊該折斷的箭頭或使用菜單命令Windows-Show Error List,則LabVIEW彈出錯誤清單窗口,雙擊其中任何一個列出的錯誤,則出錯的對象或端口都就會變成高亮。2.設置程序高亮度運行 單擊程序框圖工具條上的高亮執(zhí)行按鈕,則它變成高亮的形式,單機運行按鈕,VI程序就以較慢的速度運行,并在程序運行中用氣泡顯示數據沿著連線從一個節(jié)點流向另一個節(jié)點的情況。這樣就可以根據數據的流動狀態(tài)跟蹤程序的執(zhí)行,再次按下高亮執(zhí)行按鈕,程序回復正常運行。3.單步執(zhí)行為查找程序中的邏輯錯誤,可以讓程序框圖一個節(jié)點一個節(jié)點地執(zhí)行,這

21、就是單步執(zhí)行。單擊工具條的單步執(zhí)行按鈕或,激活單步執(zhí)行,閃爍的節(jié)點 表示該節(jié)點準備執(zhí)行。激活單步執(zhí)行后,按鈕稱作單步進入,按鈕乘坐單步跨越。再次按下單步執(zhí)行按鈕,閃爍的節(jié)點被執(zhí)行,下一個將要執(zhí)行節(jié)點變?yōu)殚W爍。單擊按鈕,結束正在執(zhí)行的節(jié)點。4.斷點斷點工具用于使程序在某處暫停執(zhí)行,以便使用探針或單步方式觀察中間結果。用該工具單擊希望設置或清除斷點的地方,則斷點被設置或清除。斷點的顯示對于節(jié)點或者圖框表示為紅框,對于連線表示為紅點。當VI程序運行到斷點處,程序被暫停在將要執(zhí)行的節(jié)點處,以閃爍表示。按下單步按鈕,進入單步狀態(tài)。5.探針探針工具用于程序執(zhí)行時顯示流經某一連接線的數據值。用該工具單擊希望

22、放置探針的連接線,這時會彈出一個探針顯示窗口。通過該窗口,觀察流過數據的詳細信息。探針結合高亮執(zhí)行、單步執(zhí)行和斷點等工具可以使程序調試相當迅速、有效。4.3系統(tǒng)的運行1.硬件設置 采用DAQmx采集卡。雙擊,打開My System下拉菜單,右擊Date Neighborhood,選create new指令,選取NI-DAQmx tast,點擊NEXT,再選取Generate signals的下拉菜單中Analog output的命令,之后選擇V oltage,選擇通道,選好后就可以進行設置:系統(tǒng)自動把設備號Device=1;模擬輸入AI:范圍-1010V輸入圖形:Input configuration=res(單端輸入采樣率:rate=1000HZ采樣點:samples to read=1002.程序運行由于實驗室條件限制,只利用模擬信號調試。首先通過登陸口登陸,進入實時采集部分,系統(tǒng)開始采集數據后,可以在系統(tǒng)前面板設置溫濕度的上下限(也可以在系統(tǒng)運行前,進行設置。按照上面的步驟,進行溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的調試,最終的調試結果如圖4.1所示: 圖4.1 運行結果結束語本次設計用PCI6221數據采集卡、PC機及其I/O接口、熱電偶等連接硬件電路,利用LabVIEW軟件實現(xiàn)