基于虛擬儀器的實驗室溫濕度控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1、基于虛擬儀器的實驗室溫濕度控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)󰀁39󰀁基于虛擬儀器的實驗室溫濕度控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)王󰀁琦,翟正軍,郭陽明22(1.西北工業(yè)大學科技產(chǎn)業(yè)集團公司,陜西西安󰀁710072;2.西北工業(yè)大學計算機學院,陜西西安󰀁710072)摘要:傳統(tǒng)的實驗室溫濕度控制裝置是以Intel8031單片機為核心,用數(shù)碼管顯示濕度值,根據(jù)不同的濕度要求,通過硬件設定不同的調(diào)節(jié)終態(tài),從而將實驗空間的濕度調(diào)節(jié)到設定值。本系統(tǒng)利用虛擬儀器技術設計制作了一個溫濕度測控系統(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

2、制信號。因此,本系統(tǒng)結果顯示更形象直觀,操作更方便,并且還可以較容易地實現(xiàn)功能擴展。關鍵詞:虛擬儀器;LabVIEW;溫濕度;控制中圖分類號:TP273󰀁󰀁文獻標識碼:A󰀁文章編號:1000-8829(2009)03-0039-04DesignandImplementationofLaboratoryTemperatureandHumidityControlSystemBasedonVirtualInstrumentWANGQi1,ZHAIZheng-jun2,GUOYang-ming2(1.ScienceandTechnologyIndustr

3、yCompany,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi󰀁an710072,China;2.SchoolofComputerScienceandEngineering,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi󰀁an710072,China)Abstract:Thetraditionalcontrolequipmentoflaboratorytemperatureandhumidityistakethemonolithicinte-gratedcircuitsasthecore,usesth

4、edigitaltubetoshowthehumidityvalueandaccordingtodifferenthumidityrequesttosetthedifferentadjustmentfinalstatebyhardware,thusthehumidityofthelabspatialwillbecon-trolledtothedefinitevalue.Thevirtualinstrumenttechnologyisusedtodesignatemperatureandhumiditycontrolsystem.TheLabVIEWandthedataacquisitionca

5、rdareusedalltogethertoacquirethetemperatureandhumiditysignalandoutputthecontrolsigna.lTheresultshowsthenewsystemismorevividanddirec-tvie-wing,anditsoperationismoreconvenien,tthefunctionexpansionalsomoreeasy.Keywords:virtualinstrumen;tLabVIEW;temperatureandhumidity;control󰀁󰀁實驗室溫濕度測控系統(tǒng)

6、是特殊要求實驗室必備的設備。為了更好地了解特殊要求實驗室的溫濕度變化規(guī)律,曾以Intel8031單片機為核心研發(fā)了一套裝置。該裝置用數(shù)碼管顯示濕度值,根據(jù)不同的濕度要求,通過硬件設定不同的調(diào)節(jié)終態(tài),可以將實驗空間的濕度調(diào)節(jié)到設定值。隨著傳感器技術和測試控制技術的發(fā)展,傳統(tǒng)的測控裝置已經(jīng)不能適應實驗室的需要,需要研發(fā)新的測控裝置。計算機技術的發(fā)展,出現(xiàn)了以計算機為核心的新一代儀器󰀁󰀁󰀁虛擬儀器。虛擬儀器利用通用的硬件平臺(計算機、數(shù)據(jù)采集卡等)結合專用的硬件(如傳感器、調(diào)理電路)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集,再用相應的儀器功能軟件對數(shù)據(jù)進行處理,實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功

7、能。只要改變軟件和專用的硬件就能實現(xiàn)不同儀器的功能,非常靈活。本研究就是利用虛擬儀器技術設計制作一個新的溫濕度測控系統(tǒng),以取代原實驗裝置,實現(xiàn)溫濕度的測量、顯示和控制。收稿日期:2008-11-17作者簡介:王琦(1964󰀁),女,黑龍江省牡丹江人,副研究員,碩士,主要從事進口設備的引進工作和故障診斷、測控技術的研究;翟正軍(1965󰀁),男,河南人,教授,碩士生導師,主要研究方向為虛擬現(xiàn)實、測控技術與嵌入式系統(tǒng)、軟件測試技術;郭陽明(),。1󰀁系統(tǒng)概述1.1󰀁系統(tǒng)功能劃分本系統(tǒng)結合LabVIEW以及相應的硬件,實現(xiàn)對溫:b

8、3041;40󰀁(1)溫度測量與顯示。通過溫度傳感器將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化為連續(xù)的電壓信號,經(jīng)調(diào)理后由數(shù)據(jù)采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換,并將數(shù)據(jù)送入計算機,交由儀器功能軟件處理并顯示。(2)濕度測量與顯示。其實現(xiàn)同溫度測量基本相同,但在調(diào)理電路中要利用溫度信號進行補償。(3)數(shù)據(jù)存儲。將經(jīng)過儀器功能軟件處理的溫濕度數(shù)據(jù)存儲到一個指定的電子表格文件中。(4)溫濕度控制。在用戶輸入溫濕度設定值后,儀器功能軟件將其與當前量進行比較,然后產(chǎn)生相應的控制量輸出。功能組成如圖1所示。󰀁測控技術󰀁2009年第28卷第3期溫度信號捕獲采用硅單晶溫度傳感器和相應的電路,將溫度轉(zhuǎn)換

9、成電壓信號。其組成框圖如圖3所示。圖3󰀁溫度信號捕獲組成圖濕度信號捕獲采用UD-08濕度傳感器和相應的電路將濕度轉(zhuǎn)換成電壓信號。其組成框圖如圖4所示。圖4󰀁濕度信號捕獲組成圖2.2󰀁控制電路設計控制電路的工作原理是從DAQ卡的數(shù)字輸出端口接收控制信號,然后控制繼電器的動作,使電吹風、風扇和加濕器工作在相應的狀態(tài)下。風扇的工作電壓是12VDC,用普通繼電器對它進行控制;電吹風和超聲波加濕器工作在220VAC電壓下,用兩個固態(tài)繼電器分別對它們進行控制。本系統(tǒng)采用的是美國NI公司生產(chǎn)的PCI-6251DAQ卡。它是一款通用的DAQ卡,可以直接插入微機的

10、PCI總線接口。為確保DAQ卡數(shù)字I/O通道的安全,使用三級管來驅(qū)動繼電器,如圖5所示。圖1󰀁系統(tǒng)功能組成圖1.2󰀁系統(tǒng)結構本系統(tǒng)的測試環(huán)境是一個60cm󰀁50cm󰀁40cm的封閉玻璃箱。系統(tǒng)由軟件和硬件兩大部分組成,其結構框圖如圖2所示。圖2󰀁系統(tǒng)的結構框圖系統(tǒng)的硬件部分將溫濕度信號轉(zhuǎn)換成電信號,并進行調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換,將數(shù)據(jù)傳入計算機,同時按照儀器功能軟件的指令對溫濕度進行控制,它由溫濕度傳感器、調(diào)理電路、DAQ卡(數(shù)據(jù)采集卡)、控制電路、風扇、電吹風、加濕器組成。其中風扇用來排氣,可以降低實驗環(huán)境的溫濕度,超

11、聲波加濕器用來增加實驗環(huán)境的濕度,電吹風用于提高實驗環(huán)境的溫度。軟件部分負責將從DAQ卡輸入的數(shù)據(jù)進行處理,使其變換成相應的溫濕度值,然后在顯示器上顯示相應的圖線,并存入硬盤,同時接收用戶輸入的溫濕度設定值,生成控制信號。圖5󰀁控制電路Port接DAQ卡的數(shù)字I/O通道中相應的位,R0和R2將流經(jīng)Port的電流限制在3mA以下,R1的大小為200󰀁,它將普通繼電器的輸入端電壓限制在5V以下。3󰀁軟件設計3.1󰀁軟件工作原理描述針對以軟件即儀器的虛擬儀器技術,系統(tǒng)的軟件模塊設計是系統(tǒng)的核心。儀器功能軟件是利用Lab-VIEW圖形編程

12、軟件創(chuàng)建的。本系統(tǒng)軟件設計思想是:系統(tǒng)從DAQ卡指定的通2󰀁硬件模塊設計2.基于虛擬儀器的實驗室溫濕度控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)并在前面板上顯示,同時生成控制信號送入輸出通道。其間各個節(jié)點的執(zhí)行由數(shù)據(jù)流驅(qū)動的,也就是說每個節(jié)點只有當在它之前的所有節(jié)點將相應的數(shù)據(jù)傳輸過來后才能執(zhí)行。因此,可以根據(jù)要實現(xiàn)的功能,將系統(tǒng)分成幾個模塊,分別創(chuàng)建虛擬儀器(VI,virtualinstrument),然后將它們作為子VI,在一個新建的VI中調(diào)用它們組成完整的系統(tǒng)。3.2󰀁濾波設計由于在溫濕度原始信號采集的過程中,容易受到脈沖干擾的影響,所以程序中要對輸入的溫濕度信號進行判斷,若為

13、干擾則將其按一定算法將其濾掉,否則將輸入信號直接輸出。脈沖干擾來源于爆炸、放電等原因。本系統(tǒng)中產(chǎn)生脈沖干擾可能是因為電路接觸不良,或是A/D轉(zhuǎn)換過程中由于軟件或硬件的不完善產(chǎn)生的采樣壞值。其表現(xiàn)為時域波形中突然出現(xiàn)的窄脈沖。本系統(tǒng)采用以下的判斷脈沖干擾的方法:先根據(jù)實驗確定一閾值M,當前輸入的信號值X同前一個采樣點的值Y的差的絕對值小于M,則將X直接輸出,否則便認為X為脈沖干擾。處理脈沖干擾有多種方法,如根據(jù)本系統(tǒng)中溫濕度是連續(xù)變化的,而且變化率不大,所以可以將干擾值X用前一個采樣點的值代替,這樣可以很好地消除脈沖干擾的影響,但這種方法也有不足。如圖6所示,設閾值為2,假設圖中左起第3點(實際

14、值為22)受到幅度為-3的脈沖干擾,取值變?yōu)?9,因其與前一點值21的差值不大于閾值,將被保留,但第4個點的值23與第3點的值相差大于閾值,因此會被當作干擾而被第3點的值19所代替,依此類推會使結果發(fā)生很大偏差。󰀁41󰀁抑制脈沖干擾。3.3󰀁控制設計控制子VI是將當前溫濕度值與設定值進行比較后生成控制字,再調(diào)用LabVIEW自帶的子儀器WritetoDigitalPor.tv,i將控制字通過指定的數(shù)字I/O通道輸出。主要算法思想是(以溫度為例):當溫度大于設定的溫度時,向數(shù)字I/O通道相應位寫入󰀁1󰀁,繼電器接通,

15、風扇啟動,使溫度降低,反之亦然。同時,當設定溫度與當前溫度之差的絕對值小于某一設定值時,向數(shù)字I/O通道相應位寫入󰀁0󰀁,繼電器關閉,風扇(電吹風)停止,使溫度值穩(wěn)定在設定值左右的一定范圍內(nèi)。該設定值的作用,就是避免繼電器反復工作,以確?？刂葡到y(tǒng)工作穩(wěn)定。濕度的控制思想與溫度的一樣。設x、m分別為溫度和濕度值,y、n分別為溫度和濕度設定值,Tt、Wt分別表示溫度和濕度調(diào)節(jié)的容限。表1顯示了在各種情況下控制子VI輸出的控制字,其中T代表True,F代表False,控制字完成對風扇或電吹風動作的控制。表1󰀁控制子VI的輸出控制字編號123456789

16、101112131415x>yTTTTTTTFFFFFFFFm>nTTTFFFFTTTTFFFF|x-y|>TtTFFTTFFTTFFTTFF|m-n|>WtTorFTFTFTFTFTFTFTF控制字00000010B00000001B00000000B00000011B00000010B00000001B00000000B00000110B00000100B00000001B00000000B00000101B00000100B00000001B00000000B3.4󰀁數(shù)據(jù)存儲設計數(shù)據(jù)存儲則是調(diào)用LabVIEW中WriteCharactersToFile.vi將經(jīng)