基于虛擬儀器的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)畢業(yè)設計

基于虛擬儀器的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)畢業(yè)設計基于虛擬儀器的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)摘要溫濕度監(jiān)控就是對周圍環(huán)境的溫濕度進行檢測,進而調(diào)節(jié)影響溫濕度的因素,使之向人們所希望的方向變化。實現(xiàn)溫濕度監(jiān)控有很多種方法:基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng);基于虛擬儀器的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng);基于MatLab(即矩陣實驗室MatrixLaboratory)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng);基于GSM(即GlobalSystemforMobileCommunications的縮寫,中文為全球移動通訊系統(tǒng))遠程分布式溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。本文提出了一種基于虛擬儀器的、針對農(nóng)業(yè)溫室溫濕度的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng),即利用LabVIEW實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)溫室的溫濕度監(jiān)控,該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行簡單處理,存儲和顯示,以及越限報警等功能。具體的,當采集到的溫濕度,高于或者低于設置的(適合農(nóng)作物生長的)溫濕度時,系統(tǒng)報警,操作人員可以通過通風、灌溉等相應的措施調(diào)節(jié),到達保持最適農(nóng)作物生長溫濕度的目的。與其它兩種方法比較,基于虛擬儀器的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)更具優(yōu)勢,由于有NI公司生產(chǎn)的配套產(chǎn)品??DAQ數(shù)據(jù)采集卡(本次設計采用的采集卡是PCI-6221)的配合使用,使整個系統(tǒng)結構更簡單,功能更強大。關鍵詞:虛擬儀器;溫濕度傳感器;數(shù)據(jù)采集;虛擬控制系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集卡VirtualinstrumentbasedontemperatureandhumiditycontrolAbstractTemperatureandhumiditymonitoringisonthesurroundingenvironmenttodetectthetemperatureandhumidity,whichaffectthetemperatureandhumidityadjustmentfactors,sothatpeoplewanttochangedirection.Monitortemperatureandhumiditytoachievetherearemanyways:single-chipbasedonthetemperatureandhumiditycontrolsystem;virtualinstrumentbasedonthetemperatureandhumiditycontrolsystem;basedonMatLabMatrixLaboratorythatMatrixLaboratoryofthetemperatureandhumiditycontrolsystem;basedontheGSMorGlobalSystemacronymforMobileCommunications,ChinesefortheGlobalSystemforMobileCommunicationslong-rangedistributedtemperatureandhumiditymonitoringsystemThispaperpresentsavirtualinstrumentbasedon,foragriculturalgreenhousetemperatureandhumidityofthetemperatureandhumiditycontrolsystem,namelytheuseofLabVIEWtoachievegreenhouseagriculturemonitoringthetemperatureandhumidity,thesystemcanbeachievedonthesensordatacollectedbysimplehandling,storageanddisplay,aswellasmorefeaturessuchasalarmthresholdSpecific,whenthecollectionoftemperatureandhumidity,aboveorbelowthesetsuitableforcropgrowthtemperatureandhumidity,thesystemalarm,theoperatorcanventilation,irrigationandotherappropriatemeasurestoadjusttomaintainoptimumcropgrowthtemperatureThepurposeofhumidityAndtheothertwomethods,basedonvirtualinstrumenttemperatureandhumiditymonitoringsystemissuperior,becauseofthesupportingNIproductscompany-DAQdataacquisitioncardinthisdesignistheacquisitioncardPCI-6221withtheuse,thestructureofthewholesystemsimplerandmorepowerful.Keywords:Virtualinstrument;temperatureandhumiditysensors;dataacquisition;virtualcontrolsystem;dataacquisitioncard目錄摘要 IAbstract II第一章引言 11.1研究背景 11.1.1溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的意義 11.1.2虛擬儀器的概況 21.1.3虛擬儀器的開展前景 41.2LabVIEW簡介 51.2.1LabVIEW的功能與特點 51.2.2LabVIEW程序構成與模塊簡介 6第二章硬件介紹 92.1數(shù)據(jù)采集卡介紹 92.2傳感器簡介 11第三章 基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與控制 143.1基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集 143.1.1數(shù)據(jù)采集的根底 143.1.2基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集及存儲 183.2基于虛擬儀器的控制系統(tǒng) 203.2.1虛擬儀器與LabVIEW在控制中的應用 203.2.2基于虛擬儀器的控制系統(tǒng)的結構 22第四章 基于虛擬儀器溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的方案設計 244.1基于虛擬儀器溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 244.1.1系統(tǒng)前面板 254.1.2程序子模塊 264.2系統(tǒng)程序總圖 30第五章 程序運行和調(diào)試 325.1程序的運行 325.2程序調(diào)試技術 325.3系統(tǒng)的運行 33總結 35參考文獻 36附錄A系統(tǒng)前面板 37附錄B程序總圖 38致謝 39引言研究背景傳統(tǒng)的溫濕度檢測往往使用普通的儀表,溫度計就是最常見的測溫工具,通過人工讀數(shù)、記錄、整理數(shù)據(jù),繪制曲線和編寫實驗報告,為了使結果準確,需要選取較多測試點,造成人員工作量大,數(shù)據(jù)記錄時間長,數(shù)據(jù)處理和分析復雜。利用較先進的技術實現(xiàn)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的方法也有很多種,如:基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng);基于GSM的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng);基于虛擬儀器的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)等。利用單片機實現(xiàn)溫濕度的監(jiān)控,需要較高的編程水平及嚴謹?shù)倪壿嬎季S,使用匯編語言或C語言進行程序的編輯。基于GSM的溫濕度的監(jiān)控系統(tǒng),是利用DSM短信業(yè)務,將待發(fā)消息加上地址發(fā)送到短信中心,再由短信中心轉發(fā)到最終目的地。本設計是以DAQ采集卡為硬件平臺,以LabVIEW為軟件平臺,實現(xiàn)對環(huán)境溫濕度的檢測?；谔摂M儀器的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)結構、原理較簡單,但功能較強,可以對周圍環(huán)境的溫濕度進行采集、存儲、前面板的顯示、上下限的報警以及報警歷史的去除等。溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的意義日常生活中的很多方面都與溫濕度有關,例如:農(nóng)業(yè)上,農(nóng)作物生長需要適宜的溫濕度;圖書館貴重書籍的存放,跟溫濕度密切相關;軍事上,彈藥庫中的彈藥既不能受潮,也不能太枯燥,受潮后影響彈藥質(zhì)量,太枯燥,那么可能引發(fā)爆炸,造成嚴重的后果。隨著生活質(zhì)量的提高,人們越來越追求健康舒適的生活,而實現(xiàn)這些目標跟周圍環(huán)境的溫濕度有很大的關系。因此,對溫濕度的監(jiān)測是十分必要的。傳統(tǒng)的人工溫濕度采集方法已經(jīng)不能滿足人們的要求。計算機溫濕度自動采集不但能夠增加數(shù)據(jù)的可信度和準確度,而且實時性明顯得到提高,同時還減輕了勞動強度,提高了效率,排除了由技術水平,勞動態(tài)度等人為因素對采集帶來的影響。如果用人工采集,可能需要多個工人在悶熱,潮濕,高噪聲等不同惡劣的環(huán)境中工作,而計算機采集完全可以防止這些問題,而且可以同時實現(xiàn)存儲、顯示、制表、繪制曲線、報警等多種功能。虛擬儀器的概況隨著科學技術的開展,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。這些儀器種類繁多、功能千差萬別,而其開展歷程大致可以分為四個階段。第一階段的儀器是模擬式儀器儀表。它的主要結構是基于電磁機械式機構,其測量結果是依靠指針顯示,也稱為模擬指針儀表。第二階段是數(shù)字化儀表。它們將模擬信號轉換為數(shù)字信號,以數(shù)字形式輸出并顯示出結果。第三階段是智能儀器。這種儀器內(nèi)部有微處理器,可以進行自動檢測,具有一定的數(shù)據(jù)處理能力,但是由于功能模塊是硬件預固化的軟件,對開發(fā)和應用仍不靈活。以上三代儀器,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(nèi)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。開發(fā)這類儀器需要專門的技術和高本錢的元部件,這造成了這類儀器更新周期長(約5~6年),價格高的特點。人們一般把這類儀器稱為傳統(tǒng)儀器。隨著計算機硬件技術、軟件技術的不斷開展與成熟,全新概念的第四代儀器??虛擬儀器出現(xiàn)了。1986年美國國家儀器公司(NI)首先提出了虛擬儀器的概念,那時計算機測控系統(tǒng)在國防、航天等領域已經(jīng)有了相當?shù)拈_展。PC機出現(xiàn)以后,儀器級的計算機化成為可能,甚至在Microsoft公司的Windows誕生之前,NI公司已經(jīng)在Macintosh計算機上推出了LabVIEW2.0以前的版本。目前LabVIEW的最新版本為LabVIEW8.6,LabVIEW8.6為多線程功能添加了更多特性,這種特性在1998年的版本5中被初次引入。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(chǎn)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(shù)據(jù)處理能力提供對測量數(shù)據(jù)的分析和顯示。虛擬儀器的構成,如圖1.1所示: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(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.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)了局部硬件的軟件化,增加了系統(tǒng)的靈活性。通過軟件技術和相應數(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使得人機交互方便。3.基于計算機總線和模塊化儀器總線,硬件實現(xiàn)了模塊化、系列化,提高了系統(tǒng)的可靠性,改變了系統(tǒng)的易維護性。4.基于計算機網(wǎng)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(wǎng)絡化。5.基于計算機開放式標準體系結構。虛擬儀器的硬件、軟件都具有開放性、互換性及可重復使用等特點。用戶可根據(jù)自己的需要,選擇不同廠家的產(chǎn)品,使儀器系統(tǒng)的開發(fā)更為靈活,效率更高,系統(tǒng)組建的時間更短。虛擬儀器的開展前景自從虛擬儀器的概念提出后,虛擬儀器技術迅速得到了開展,在科研、開發(fā)、測量、計量、測控等領域得到了廣泛的應用。它的開展大致可分為四個階段。第一階段稱為初級虛擬儀器。初級虛擬儀器是利用計算機來增強傳統(tǒng)儀器的功能。隨著GPIB總線標準確實立,人們把傳統(tǒng)儀器通過GPIB和RS-232C同計算機連接,從而可以用計算機來控制儀器。第二階段稱為開放式虛擬儀器。插入式數(shù)據(jù)處理卡的出現(xiàn),如基于臺式計算機PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡(DAQ),基于筆記本計算機PCMCIA總線的數(shù)據(jù)采集卡,使得虛擬儀器進入了開放式時代。第三階段稱為虛擬儀器框架。由我國自主提出的“框架協(xié)議〞開發(fā)系統(tǒng),利用面向對象技術封裝出虛擬儀器的功能庫、控件庫、開發(fā)系統(tǒng)、幫助模塊等,用戶利用這一系統(tǒng)幾乎可以“零編程〞地開發(fā)出虛擬儀器。第四階段稱為網(wǎng)絡化虛擬儀器。隨著遠程、復雜、大范圍的測控任務的需求越來越大,網(wǎng)絡化虛擬儀器就應運而生了,這就是所謂的“儀器流技術〞。以PC機和工作站為根底,通過Internet網(wǎng)進行遠程控制,不僅可以充分利用儀器資源、降低檢測本錢,也可以提高測控系統(tǒng)的功能,拓展其應用范圍。目前,虛擬儀器已經(jīng)形成了一個很龐大的產(chǎn)業(yè)市場,國外生產(chǎn)虛擬儀器的廠家有NI公司、HP公司、Tektronix公司等。我國目前有許多科研機構和高校均在進行虛擬儀器技術研究,雖然我國在虛擬儀器領域起步較晚,但與興旺國家差距并不太大。我們應該抓住時機,通過學習先進國家的技術,努力提高我國虛擬儀器的技術水平。LabVIEW簡介當前,在使用比較廣泛的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺中,NI公司的LabVIEW是最具代表性的圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺。LabVIEW的功能與特點LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是:其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼,而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序(VI),產(chǎn)生的程序是框圖的形式。與C和BASIC一樣,LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng),有一個可以完成任何編程任務的龐大函數(shù)庫。LabVIEW的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具,如設置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序(子VI)的結果、單步執(zhí)行等等,便于程序的調(diào)試。由于虛擬儀器的延伸和開展,使得LabVIEW的應用變得越來越廣泛;反過來,也是因為LabVIEW的成功,才使得虛擬儀器在學術界和工程界被廣泛接受。作為一種軟件工具語言,具有以下這些特點:1.圖形化編程環(huán)境。LabVIEW采用專為工程師和科學家而設計的直觀的圖形化編程語言。它盡可能利用了技術人員所熟悉的術語、圖標和概念。在測試系統(tǒng)的開發(fā)過程中設計人員根本上不寫程序代碼,取而代之的是圖形化符號。因此,可以方便迅速的建立自己的虛擬儀器系統(tǒng)。2.功能強大的函數(shù)庫。LabVIEW提供了用于輸入/輸出、控制、分析和數(shù)據(jù)顯示的數(shù)百個內(nèi)置函數(shù)。這些函數(shù)可以直接調(diào)用,從而可以大大提高工作效率。3.靈活的程序調(diào)試手段?？赏ㄟ^設置斷點、單步運行、高亮執(zhí)行及設置探針等程序調(diào)試手段來檢查程序設計中的錯誤。4.開放式的開發(fā)平臺。用戶在使用LabVIEW的時候,可以調(diào)用其他軟件開發(fā)編譯模塊。5.支持多種操作系統(tǒng)。LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh等多種版本,并且在不同平臺上開發(fā)應用程序時,可直接進行移植。6.強大的Internet功能。支持常用網(wǎng)絡協(xié)議,易于構建基于計算機網(wǎng)絡的測試系統(tǒng)。LabVIEW程序構成與模塊簡介LabVIEW的核心是VI(G語言編寫的程序)。該環(huán)節(jié)包含三個局部:程序前面板FrontPanel、程序框圖BlockDiagram和圖標/連接端口(Icon/Connector)。程序前面板用于設置輸入數(shù)值和觀察輸出量,用于模擬真實儀表的前面板。在程序前面板上,輸入量被稱為控件Controls,模擬了儀器的輸入裝置,并把數(shù)據(jù)提供應VI的方框圖;輸出量被稱為指示器Indicators,模擬了儀器的輸出裝置,并顯示由方框圖獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。控件和顯示是以各種圖標形式出現(xiàn)在前面板上,如旋鈕、開關、按鈕、圖表、圖形等,這使得前面板直觀易懂。LabVIEW中有兩種類型的數(shù)據(jù)端口,其中一類是控制端口和指示端口;另一類是節(jié)點端口?？刂贫丝诤椭甘径丝谟糜谇懊姘鍖ο?當VI程序運行時,控制輸入的數(shù)據(jù)通過控制端傳遞到框圖程序,供其中的程序使用,產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)再通過指示端口傳輸?shù)角懊姘鍖闹甘局酗@示。每個節(jié)點端口都有一個或數(shù)個數(shù)據(jù)端口用于輸入或輸出。用LabVIEW編制出的圖形化VI是分層次和模塊化的,可以將它用于頂層Toplevel程序,也可用作其它程序或子程序的子程序。一個虛擬儀器的圖標被放置在另一個虛擬儀器的流程圖中時,它成了個子儀器SubVI。SubVI在調(diào)用它的程序中同樣是以一個圖標的形式出現(xiàn)的。LabVIEW依附并開展了模塊化程序設計的概念,用戶可以把一個應用題目分解為一系列的子任務,每個子任務還可以進一步分解成許多更低一級的子任務,直到把一個復雜的題目分解為許多子任務的組合,首先設計SubVI完成每個子任務,然后將之逐步組合成能夠解決最終問題的VI。1.前面板(FrontPanel)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(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、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。2.程序框圖(BlockDiagram)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(shù)產(chǎn)生和顯示VI的程序圖(與圖1.2相對應)。硬件介紹硬件是任何一個系統(tǒng)不可缺少的局部。本次設計中涉及到的主要硬件有:PC機、傳感器、DAQ數(shù)據(jù)采集卡及其I/O端口。數(shù)據(jù)采集卡介紹一個典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能應有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入/輸出端口、計數(shù)器/計時器等,而這些功能分別由相應的電路來實現(xiàn)。模擬輸入是采集最根本的功能。它一般由放大器、采樣保持電路以及A/D來實現(xiàn),通過這些局部,一個模擬信號就可以轉化為數(shù)字信號。A/D的性能和參數(shù)直接影響著模擬輸入的質(zhì)量,要根據(jù)實際需要的精度來選擇適宜的A/D。模擬輸出通常是為采集系統(tǒng)提供鼓勵。輸出信號受數(shù)模轉換器(D/A)的建立時間、轉換率、分辨率等因素影響。建立時間和轉換率決定了輸出信號幅值改變的快慢。建立時間短、轉換率高的D/A可以提供一個較高頻率的信號。如果用D/A的輸出信號去驅動一個加熱器,就不需要使用速度很快的D/A,因為加熱器本身就不能很快地跟蹤電壓變化。應該根據(jù)實際需要選擇D/A的參數(shù)指標。數(shù)字輸入/輸出通常用來控制過程、產(chǎn)生測試信號、與外設通信等。它的重要參數(shù)包括:數(shù)字口路數(shù)(line)、接收發(fā)送率、驅動能力等。如果輸出去驅動電機、燈、開關型加熱器等用電器,就不必用較高的數(shù)據(jù)轉換率。路數(shù)要能同控制對象配合,而且需要的電流要小于采集卡所能提供的驅動電流,但如果加上適宜的數(shù)字信號調(diào)理設備,仍可以用采集卡輸出的低電流的TTL電平信號去監(jiān)控高電壓、大電流的工業(yè)設備。數(shù)字I/O常見的應用是在計算機和外設如打印機、數(shù)據(jù)記錄儀等之間傳送數(shù)據(jù)。計數(shù)器包括三個重要信號:門限信號、計數(shù)信號、輸出。門限信號實際上是觸發(fā)信號??使計數(shù)器工作或不工作;計數(shù)信號即信號源,它提供了計數(shù)器操作的時間基準;輸出是在輸出線上產(chǎn)生脈沖或方波。計數(shù)器最重要的參數(shù)是分辨率和時鐘頻率,高分辨率意味著計數(shù)器可以記載更多的數(shù),時鐘頻率決定了計數(shù)的快慢,頻率越高,計數(shù)速度就越快。采集卡在數(shù)據(jù)的采集與處理中應滿足下面的條件:1.采樣精度高,數(shù)據(jù)準確。2.采樣范圍寬,能實現(xiàn)不同頻率下的采樣。3.自動處理分析數(shù)據(jù),得出分析結果。4.操作簡單方便,易于控制。本次設計采用的是M系列PCI-6221型數(shù)據(jù)采集卡,這是一個基于PCI的同步數(shù)據(jù)采集卡,它可以充分利用計算機的資源增加測試系統(tǒng)的靈活性和擴展性,且用戶可以通過LabVIEW應用程序給驅動發(fā)送諸如采集、顯示和分析等指令,為用戶節(jié)省了編寫底層函數(shù)的時間和麻煩。它有16路模擬量輸入通道,24個數(shù)字輸入/輸出端口,2個16位模擬輸出通道,兩個32位計數(shù)器,6個DMA通道,且每個功能都有獨立的DMA控制器。而且,M系列的新技術能提供更高的性能和更多的端口,具有更高的價值。NI-STC2是專門為M系列DAQ設備設計的特定用途集成電路ASIC,提高了設備的輸入/輸出端口通道數(shù),數(shù)據(jù)吞吐率增強了12倍。NI-MCaI技術提供線性化和校準引擎,很大程度地提高了整個輸入范圍內(nèi)精度。DAQmx是NI公司開發(fā)的測量效勞軟件,我們可以把測量效勞軟件看作是輸入/輸出驅動軟件層,然而它不僅僅是一個驅動,這個軟件連通了虛擬儀器軟件和硬件,用以產(chǎn)生信號幫助測試程序的正確性。此外,DAQmx支持NI公司的高性能新硬件產(chǎn)品,包括M系列插入式DAQ設備,一些最新的USBDAQ設備,以及數(shù)以百計的傳統(tǒng)NI-DAQ所支持的DAQ設備。以DAQmx為兼容對象的產(chǎn)品將是采集硬件開展的方向,NI公司M系列的產(chǎn)品以及以后開發(fā)的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品都將以支持DAQmx為主,對于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集VI將逐漸被淘汰?；贒AQ的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不但實用,而且具有很高的性價比,且PCI總線傳輸速率高,數(shù)據(jù)吞吐量大。加上LabVIEW程序開發(fā)的方便快捷、友好的圖形化用戶界面,使得用它來開發(fā)DAQ卡數(shù)據(jù)采集的應用,較其它開發(fā)環(huán)境的開發(fā)有著不可比較的優(yōu)越性。傳感器簡介檢測技術是人們認識和改造世界的一種必不可少的重要技術手段,而傳感器是科學實驗和工業(yè)生產(chǎn)等活動中對信息資源的開發(fā)獲取、傳輸與處理的一種重要設備。傳感器是只能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件和裝置。因此,傳感器又被稱為敏感元件、檢測器件、轉化器件等。如在電子技術中的熱敏元件、磁敏元件、光敏元件;在機械測量中的轉矩、轉速測量裝置;在超聲波技術中的壓電式換能器等都可以統(tǒng)稱為傳感器。傳感器的根本功能是檢測信號和進行信號轉換。傳感器總是處于測試系統(tǒng)的最前端,用來獲取檢測信息,其性能的好壞直接影響整個測試系統(tǒng),對測量精度起著決定性作用。通常,其輸出量都是電信號,方便傳輸、轉換、處理、顯示等。傳感器的組成按其定義一般分為敏感元件、轉換元件、信號調(diào)理轉換電路三局部,有時還需要外加輔助電源提供能量轉換。其組成如圖2.1所示:傳感器一般采用兩種方法分類:一種是按照被測量參數(shù)分類,如對溫度、濕度、壓力、位移等的測量,相應的有溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等;另一種是按傳感器的工作原理分類,如按應變原理工作式、按電容原理工作式、按壓點原理工作式等,相應的有應變式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器等。傳感器選用是設計中要考慮的幾個重要問題之一,具體的可以從下面幾個方面考慮:要進行一次具體測量工作,首先要考慮采用何種原理傳感器,這需要分析多方面的因素之后才能確定。根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件需要考慮下面的問題:量程的大小;被測量位置對傳感器體積的要求;測量方式為接觸式還是非接觸式;信號引出方法,是有線或是非接觸測量。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器,再考慮傳感器具體性能指標。通常,在傳感器的線性范圍內(nèi),希望傳感器的靈敏度越高越好。因為靈敏度高時,與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大,有利于信號處理。但需要注意的是,傳感器靈敏度高,與被測量無關的外界噪聲也容易混入,也會被系統(tǒng)放大,影響測量精度,因此要求傳感器本身應具有較高的信噪比。盡量減少外界引入干擾信號。傳感器線性范圍是指傳感器輸出與輸入成直線關系的范圍,從理論上講,在此范圍內(nèi),靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬,其量程越大,并且能保證一定的測量精度。選傳感器的種類以后首先看其量程是否滿足要求。但實際上,任何傳感器都不能保證絕對的線性,其線性度也是相對的。所以在要求測量精度比較低時,在一定的范圍內(nèi),可將誤差較小的傳感器近似看作是線性的。4.穩(wěn)定性傳感器使用一段時間后,其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身的結構外,主要是傳感器的使用環(huán)境。因此,要使傳感器有良好的穩(wěn)定性,傳感器必須具有較強的環(huán)境適應能力。在選擇傳感器之前,應對其使用的環(huán)境進行調(diào)查,并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇適宜的傳感器,或采取適當?shù)拇胧?減少環(huán)境影響。精度是傳感器的一個重要性能指標,它是關系到整個測量系統(tǒng)精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高,其價格越昂貴。因此,傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以,不必選得過高?？梢栽贊M足同意測量目的的諸多傳感器中選擇比較廉價和簡單的傳感器?？傊?選擇傳感器應從其根本原理出發(fā),注意被測對象可能產(chǎn)生的負載效應。所選擇的傳感器,應既能適應被測物理量,又能滿足量程、測量結果的精度要求,同時還有具有可靠性高、適用性強,性價比高的特點。本次設計主要是針對監(jiān)測農(nóng)業(yè)溫室的溫濕度(農(nóng)業(yè)上良種培育需要的條件是:溫度15~40℃,濕度:40~75RH%),在考慮了上述的因素之后,本設計理論上應該選擇溫濕度傳感器HMP231,但由于條件的限制,最終使用模擬信號進行了實驗?；谔摂M儀器的數(shù)據(jù)采集與控制數(shù)據(jù)采集,又稱數(shù)據(jù)獲取,是利用一種裝置,從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸入到系統(tǒng)內(nèi)部的一個接口。數(shù)據(jù)采集技術廣泛引用在各個領域。比方攝像頭、麥克風等,都是常見的數(shù)據(jù)采集工具。被采集數(shù)據(jù)是已被轉換為電信號的各種物理量,如溫度、水位、風速、壓力等,可以是模擬量,也可以是數(shù)字量。采集的一般方式是隔一定時間(稱采樣周期)對同一點數(shù)據(jù)重復采集。采集的數(shù)據(jù)大多是瞬時值,也可是某段時間內(nèi)的一個特征值。數(shù)據(jù)采集含義很廣,包括對面狀連續(xù)物理量的采集。在計算機輔助制圖、測圖、設計中,對圖形或圖像數(shù)字化過程也可稱為數(shù)據(jù)采集,此時被采集的是幾何量(或包括物理量,如灰度)數(shù)據(jù)。在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)快速開展的今天,數(shù)據(jù)采集已經(jīng)被廣泛應用于互聯(lián)網(wǎng)及分布式領域,數(shù)據(jù)采集領域已經(jīng)發(fā)生了重要的變化。首先,分布式控制應用場合中的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在國內(nèi)外已經(jīng)取得了長足的開展。其次,總線兼容型數(shù)據(jù)采集插件的數(shù)量不斷增大,與個人計算機兼容的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)量也在增加。國內(nèi)外各種數(shù)據(jù)采集機先后問世,將數(shù)據(jù)采集帶入了一個全新的時代。虛擬儀器系統(tǒng)的典型硬件結構是:傳感器、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集設備和計算機。虛擬儀器系統(tǒng)硬件結構,如圖3.1所示:本次設計中的數(shù)據(jù)采集局部需要實現(xiàn)的功能有:溫濕度采集、雙通道波形顯示、采集數(shù)據(jù)存儲,并在程序前面板顯示采集到的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集前,必須對所采集的信號的特性有所了解,因為不同信號的測量方式和對采集系統(tǒng)的要求是不同的,只有了解被測信號,才能選擇適宜的測量方式和配置采集系統(tǒng)。從傳感器出來的信號可能會很微弱,一般都含有大量噪聲,或者是非線性的,這種信號在進入采集卡之前必須經(jīng)過信號調(diào)理。信號調(diào)理的方法主要包括隔離、放大、多路復用、濾波和數(shù)字信號調(diào)理等。(1)隔離隔離的信號調(diào)理設備通過使用變壓器、光或電容性的耦合技術,無需物理連接即可將信號從它的源端傳輸至測量設備。除了切斷接地回路之外,隔離也阻隔了高電壓浪涌(當某些大容量的電氣設備接通或斷開時間,由于電網(wǎng)中存在電感,將在電網(wǎng)產(chǎn)生“浪涌電壓〞,從而引發(fā)浪涌電流)以及較高的共模電壓,既保護了操作人員也保護了昂貴的測量設備。(2)放大放大器提高輸入信號電平以更好地匹配ADC的輸入范圍,從而提高測量精度和靈敏度。此外,使用放置在更接近信號源或轉換器的外部信號調(diào)理裝置,可以通過在信號被環(huán)境噪聲影響之前提高信號電平來提高測量的信號??噪聲比。(4)多路復用通過多路復用技術,一個測量系統(tǒng)可以不間斷地將多路信號傳輸至一個單一的數(shù)字化儀器,從而提供了一種節(jié)省本錢的方式來擴大系統(tǒng)通道數(shù)量。多路復用對于任何高通道數(shù)的應用都是十分必要的。(5)濾波非電量經(jīng)傳感器轉換成的電信號或其他被測電信號,一般都混雜有不同頻率成分的干擾。嚴重情況下,這種干擾信號會淹沒待提取的有用信號,因此需要一種電路能選出有用的頻率信號,抑制頻率與不同信號的干擾。濾波電路(濾波器)是一種選頻裝置,可以在一定的頻率范圍內(nèi)去除不希望存在的噪聲。幾乎所有的數(shù)據(jù)采集應用都會在一定程度上受到50Hz或60Hz的噪聲(來源于電線或機械設備)的影響。大局部信號調(diào)理裝置都包括了為最大程度上抑制50Hz或60Hz的噪聲而專門設計的低通濾波器。(6)線性化許多傳感器感應的電信號和物理量之間并不是呈線性關系,因而需要對輸出信號進行線性化,以補償傳感器帶來的誤差。(8)數(shù)字信號調(diào)理數(shù)字信號在某種情況下也要進行調(diào)理才能進入DAQ卡。譬如,不能將工業(yè)環(huán)境中的數(shù)字信號直接接入DAQ卡,接入之前必須經(jīng)過隔離來防止可能的高壓放電或者經(jīng)過削減來調(diào)整電平以適應DAQ卡的輸入要求。NI也提供了豐富的信號調(diào)理設備,譬如,SCXI、SCC、SC系列,即插即用傳感器TEDS測量設備。在采集前對信號的類型有所了解是十分必要的,因為不同信號的測量方式和對采集系統(tǒng)的要求是不同的,只有了解被測信號,才能選擇適宜的測量方式和采集系統(tǒng)配置。任意一個信號都是隨時間而改變的物理量。一般情況下,信號所包含的信息很廣泛。比方:狀態(tài)(state)、速率rate、電平level、形狀shape、頻率成分frequencycontent。根據(jù)信號包含信息的不同,可以將信號分為模擬或數(shù)字信號。數(shù)字二進制信號分為開關信號和脈沖信號。模擬信號可分為直流、時域和頻域信號。(1)數(shù)字信號第一類數(shù)字信號是開/關信號。一個開/關信號運載的信息與信號的瞬間狀態(tài)有關。TTL信號就是一個開/關信號,一個TTL信號如果在2.0到5.0V之間,就定義它為邏輯高電平,如果在0到0.8V之間,就定義為邏輯低電平。第二類數(shù)字信號是脈沖信號。這種信號包括一系列的狀態(tài)轉換,信息就包含在狀態(tài)轉化發(fā)生的數(shù)目、轉換速率、一個轉換間隔或多個轉換間隔的時間里。(2)模擬信號第一類是模擬直流信號。也就是靜止的或變化非常緩慢的模擬信號。直流信號最重要的信息是它在給定區(qū)間內(nèi)運載的信息的幅度。常見的直流信號有溫度、流速、壓力、應變等。采集系統(tǒng)在采集模擬直流信號時,需要有足夠的精度以正確測量信號電平,由于直流信號變化緩慢,用軟件計時就夠了,不需要使用硬件計時。第二類是模擬時域信號。與其他信號不同的是,模擬時域信號在運載信息時不僅有信號的電平,還有電平隨時間的變化。在測量一個時域信號時,也可以說是一個波形,需要關注一些有關波形形狀的特性,比方斜度、峰值等。為了測量一個時域信號,必須有一個精確的時間序列,序列的時間間隔也應該適宜,以保證信號的有用局部被采集到。要以一定的速率進行測量,這個測量速率要能跟上波形的變化。用于測量時域信號的采集系統(tǒng)包括一個A/D、一個采樣時鐘和一個觸發(fā)器。A/D的分辨率要足夠高,保證采集數(shù)據(jù)的精度;帶寬要足夠高,用于高速率采樣;精確的采樣時鐘,用于以精確的時間間隔采樣;觸發(fā)器使測量在恰當?shù)臅r間開始。第三類是模擬頻域信號。與時域信號類似,但不同的是從頻域信號中提取的信息是基于信號的頻域內(nèi)容,而不是波形的形狀,也不是隨時間變化的特性。用于測量一個頻域信號的系統(tǒng)必須有一個A/D、一個簡單時鐘和一個用于精確捕捉波形的觸發(fā)器。系統(tǒng)必須有必要的分析功能,用于從信號中提取頻域信息。為了實現(xiàn)這樣的數(shù)字信號處理,可以使用應用軟件或特殊的DSP硬件來迅速而有效地分析信號。模擬頻域信號也很多,比方聲音信號、地球物理信號、傳輸信號等。上述信號分類不是互相排斥的。一個特定的信號往往運載著不只一種信息,可以用幾種方式來定義信號并測量它,用不同類型的系統(tǒng)來測量同一個信號,從信號中取出需要的各種信息。LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineering)是一種開放型的通用程序開發(fā)系統(tǒng),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)采集的硬件局部的核心是DataAcquisition-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卡或設備完成特定的功能,這都離不開DAQ驅動程序的支持。LabVIEW開發(fā)環(huán)境安裝時,會自動安裝NI-DAQ軟件,包括兩個驅動程序??DataAcquisition和DAQmx-DataAcquisition,其中前者是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集VI,后者是數(shù)據(jù)采集DAQmx類型的數(shù)據(jù)采集VI,它們位于NIMeasurements子模板,各有獨特的應用程序編程接口API,方便用不同的硬件和軟件設置方法,形成兩套獨立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)DAQ和DAQmx二者之間是互不兼容的,所以計算機中同時安裝DAQmx和傳統(tǒng)DAQ時,一定要注意它們只能單獨使用。另外,在一臺計算機中使用了一種技術,如果再使用另外的一種驅動函數(shù)時,一定要先在中進行軟件復位,因為它默認正使用前一種的數(shù)據(jù)采集驅動函數(shù)。在了解了LabVIEW的這些功能后,可以確定初步的設計思路:傳感器把被測量的物理量轉換為電量;信號調(diào)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(shù)據(jù)采集卡采集信號調(diào)理電路的電壓信號,轉換成計算機能處理的數(shù)字信號;通過數(shù)據(jù)采集卡驅動程序,將數(shù)字信號讀入計算機,計算機對信號進行處理,以到達預期的目的。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。基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集程序框圖,如圖3.1所示:圖3.1數(shù)據(jù)采集及儲存首先利用DAQAssistant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3.2數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)自動存儲模塊如圖3.2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MicrosoftExcel下翻開。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。3.2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開展,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)行機構發(fā)出控制信號,完成控制任務。如果把虛擬儀器的思想及軟硬件模塊應用到計算機控制系統(tǒng)中,即構成了基于虛擬儀器的控制系統(tǒng)。對于上面的每一個步驟,虛擬儀器都可以出色的完成。虛擬儀器技術經(jīng)過近二十年的開展,已經(jīng)發(fā)布了一系列總線和軟硬件標準,形成了較為完善的體系,目前全世界有上百家廠商提供上千種虛擬儀器的模塊化產(chǎn)品。以該領域內(nèi)最具代表性的NI公司為例,該公司的產(chǎn)品包括:各種數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理模塊、機器視覺模塊、運動控制模塊、基于PXI總線的實時測量及控制模塊、工業(yè)控制及分布式I/O模塊,以及測量及自動化軟件平臺和相關的工具包。可以看出,有不少產(chǎn)品就是專門針對控制應用的。使用這些軟硬件模塊,可以快速的組建滿足各種需求的測控系統(tǒng)。NI公司的虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW提供了一個直觀的軟件開發(fā)環(huán)境,它被設計成可以幫助開發(fā)可伸縮的、網(wǎng)絡化的、包含任意測量、分析及算法開發(fā)和I/O的控制系統(tǒng),從簡單的到復雜的應用。軟件產(chǎn)品的LabVIEW平臺,包括LabVIEW、LabVIEW數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控模塊、LabVIEW實時模塊,為復雜的監(jiān)測、數(shù)據(jù)記錄、監(jiān)控、PID控制、邏輯控制、單點分析、控制模型工具、機器視覺等提供強大的工具。這個集成化軟件平臺使開發(fā)者能快速建立控制系統(tǒng),并且當系統(tǒng)需求改變時可以很容易的進行修改。用這個緊密集成的軟件框架開發(fā)一個控制系統(tǒng)有很多的好處,包括:用一種