基于虛擬儀器溫濕度監(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(shù)據(jù)處理能力，并且具備多種儀器設(shè)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(shè)計界面，簡單易學，設(shè)備集成度高，靈活多變。單片機溫度采集系統(tǒng)成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單，易用性高，通過與LABVIEW軟件結(jié)合，變成了一套完善的具備數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)存儲電子儀器。具備多功能于一體，小型化，功耗低的特點。關(guān)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 acquisi

3、tion 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. Have muti_function at an organic whole, miniaturization, low power consumption characterist

4、ics. Keywords: temperature sensors; SCM; The LabVIEW; Temperature gathering 引言 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們在監(jiān)控與監(jiān)測生產(chǎn)過程、居住環(huán)境、生活質(zhì)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(shù)字化儀表、內(nèi)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(guān)和顯示方式，內(nèi)部電路及儀器所能提供的功能都是固定的，與其他設(shè)備的連接也受限制。隨著計算機硬件技術(shù)、軟件技術(shù)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(jīng)在Macintosh計算機上推出了

5、LabVIEW2.0以前的版本。 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(shù)和儀器技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物，也是當今計算機輔助測試領(lǐng)域的一項重要技術(shù)。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(shù)據(jù)處理能力提供對測量數(shù)據(jù)的分析和顯示。虛擬儀器的構(gòu)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(gòu)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(chǎn)廠家定義，用戶無法改變的模式，利用虛擬儀器，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

6、.融合了計算機強大的硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)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(shù)和相應(yīng)數(shù)值算法，可以實時、有效地對測試數(shù)據(jù)進行各種分析與處理。同時，利用圖形用戶界面技術(shù)使得人機交互方便。3.基于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，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(shù)可方便地構(gòu)建自動測試系統(tǒng)，實現(xiàn)測量、控制過程的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。 1.2 LabVIEW程序構(gòu)成與模塊簡介LabVIEW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

7、 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(shè)置各種輸入控制參數(shù)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(guān)、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(shù)產(chǎn)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(diào)節(jié)產(chǎn)生的正弦波的幅值，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(chǎn)生和現(xiàn)實2

8、.程序框圖（Block Diagram）每個前面板都有相應(yīng)的程序框圖與之對應(yīng)。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(shù)產(chǎn)生和顯示VI的程序圖（與圖1.2相對應(yīng)）。圖1.3正弦波產(chǎn)生和顯示 第二章 基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集及存儲LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering）是一種開放型的通用程序開發(fā)系統(tǒng)，

9、具有強大的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和儀器控制功能。而數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集，就是在LabVIEW中控制各種DAQ卡(或設(shè)備)完成特定的功能，這都離不開DAQ驅(qū)動程序的支持。可以確定初步的設(shè)計思路：傳感器把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為電量；信號調(diào)理電路對傳感器轉(zhuǎn)換的電信號進行放大、濾波、隔離等預處理；數(shù)據(jù)采集卡采集信號調(diào)理電路的電壓信號，轉(zhuǎn)換成計算機能處理的數(shù)字信號；通過數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序，將數(shù)字信號讀入計算機，計算機對信號進行處理，以達到預期的目的。其中，模塊是連接硬件電路與計算

10、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(shù)據(jù)采集程序框圖，如圖1.1所示：圖1.1 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)自動存儲、顯示以及越限報警。圖1.2 數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)自動存儲模塊如圖1.2所示。數(shù)據(jù)存儲的功能是利用數(shù)據(jù)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)，在該文件夾下會自動生成一個.xls文件，DAQmx采集到的所有數(shù)據(jù)及其對

11、應(yīng)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(yīng)的時間段，對應(yīng)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)2.2.1虛擬儀器與LabVIEW在控制中的應(yīng)用虛擬儀器所具有的諸多特點使其早已突破測試領(lǐng)域的范圍，在控制領(lǐng)域也得到越來越廣泛的使用。隨著計算機技術(shù)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)。計算機控制系統(tǒng)的控制

12、過程可歸納為以下三個步驟：1.實時數(shù)據(jù)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(shù)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(jù)決策，適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。2.2.2基于虛擬儀器的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)計算機控制系統(tǒng)的控制過程可分為三個步驟：實時數(shù)據(jù)采集、實時決策和實時控制，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可用下圖2.1表示。圖2.1計算機控制結(jié)構(gòu)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(jié)合模塊化的數(shù)據(jù)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

13、發(fā)平臺。第三章 基于虛擬儀器溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的方案設(shè)計本次設(shè)計是利用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了一個適用于農(nóng)業(yè)溫室的溫濕度測控系統(tǒng)，使用LabVIEW和數(shù)據(jù)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(shè)計較為簡單，實現(xiàn)的結(jié)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(shè)計的設(shè)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(nóng)作物生長時，系統(tǒng)報警，可以通過空調(diào)、電風扇等工具降溫；當濕度不適于農(nóng)作物生長時，系統(tǒng)報警，通過灌溉或者增加光照

14、等措施，調(diào)節(jié)濕度。還需對采集到的實時數(shù)據(jù)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(yīng)的程序框圖兩大部分構(gòu)成。3.1.1系統(tǒng)前面板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(guān)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(shè)置相同的內(nèi)容，在“密碼”輸入與設(shè)置相同的密碼，點擊“確定”，就可以登

15、陸系統(tǒng)，進行下一步的操作。實時采集部分可以實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)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3.1.2程序子模塊根據(jù)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(jié)構(gòu)與前面板登陸界面（圖1.2）相對應(yīng)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(shè)定的值相等時，程序向下執(zhí)行，進入第二個while結(jié)構(gòu)，輸入的密碼值與設(shè)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

16、話說，不執(zhí)行登陸界面的程序，將無法執(zhí)行實時采集的程序，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(shù)據(jù)采集部分，如框圖1.6，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換成其他VI和函數(shù)配合使用的數(shù)據(jù)，波形等進行存儲，另一路送往熱電偶讀數(shù)模塊，將采集到的信號轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)換濕

17、度傳感器讀數(shù)的模塊，所以選擇比較線性的濕度傳感器，在最后轉(zhuǎn)換的時候，將采集到的信號進行簡單的數(shù)學運算。該部分還有一個重要的功能數(shù)據(jù)存儲。圖1.6數(shù)據(jù)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(guān)人員對報警數(shù)據(jù)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(gòu)成兩個用戶事件。并將輸出接到事件結(jié)構(gòu)上，當有報警的信號時，事件結(jié)構(gòu)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(yīng)的清除按鈕，程序?qū)?zhí)行該按鈕所在的程序框中的程序，將所對應(yīng)的歷史清零。圖1

18、.7 報警記錄前面板圖1.8歷史報警記錄與清除報警清除前面板如圖1.7所示，與之相對應(yīng)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(shù)據(jù)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(jié)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(shè)計該系統(tǒng)。首先，先將登陸口模塊放在順序循環(huán)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換，然后就是核心程序，利用DAQ實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，將數(shù)據(jù)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.

19、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、采集模塊、數(shù)據(jù)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(diào)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，

20、停止單擊，程序繼續(xù)運行。4.2程序調(diào)試技術(shù)1.找出語法錯誤 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(shè)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(shù)據(jù)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(jù)數(shù)據(jù)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

21、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(jié)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(jié)果。用該工具單擊希望設(shè)置或清除斷點的地方，則斷點被設(shè)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

22、于程序執(zhí)行時顯示流經(jīng)某一連接線的數(shù)據(jù)值。用該工具單擊希望放置探針的連接線，這時會彈出一個探針顯示窗口。通過該窗口，觀察流過數(shù)據(jù)的詳細信息。探針結(jié)合高亮執(zhí)行、單步執(zhí)行和斷點等工具可以使程序調(diào)試相當迅速、有效。4.3系統(tǒng)的運行1.硬件設(shè)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Voltage，選擇通道，選好后就可以進行設(shè)置：系統(tǒng)自動把設(shè)備號Device=1;模擬輸入AI：范圍

23、-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(diào)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(shù)據(jù)后，可以在系統(tǒng)前面板設(shè)置溫濕度的上下限（也可以在系統(tǒng)運行前，進行設(shè)置）。按照上面的步驟，進行溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的調(diào)試，最終的調(diào)試結(jié)果如圖4.1所示：圖4.1 運行結(jié)果結(jié)束語本次設(shè)計用PCI6221數(shù)據(jù)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)對溫濕度的監(jiān)控，實現(xiàn)了該系統(tǒng)預計的功能，數(shù)據(jù)的實時采集、存儲、溫濕度越限的聲光報警及報警歷史記錄及清除等。經(jīng)過幾個月的學習與實驗，本文設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)基本實現(xiàn)了預期設(shè)計的所有功能，但結(jié)合當前的技術(shù)分析，本監(jiān)測系統(tǒng)還可以進一步完善。如可以對采集到的信號進行噪聲過濾，還可以對采集到的信號進行PID運算處理