虛擬儀器技術(shù)與應用-項目7 溫度預警系統(tǒng)

項目6交通燈控制系統(tǒng)2024/1/3121:19第2篇基于LabVIEW的測控系統(tǒng)目錄7.1項目描述7.2任務1設計系統(tǒng)前面板7.3任務2模擬采集溫度信號7.4任務3溫度預警系統(tǒng)設計7.5任務4溫度預警系統(tǒng)調(diào)試測試7.6思考題

7.1項目描述知識目標能力目標素養(yǎng)目標1. 了解常用溫度傳感器，熟練掌握LM35D使用。2. 掌握溫度信號采集系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。3. 熟練掌握模擬信號采集程序編寫方式。4. 掌握子程序的編寫和調(diào)用方式。5. 掌握系統(tǒng)的調(diào)試測試方法。。會使用給定的硬件設備搭建溫度測量系統(tǒng)。會使用LabVIEW編寫溫度采集程序。會編寫調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序。會進行系統(tǒng)調(diào)試測試。能夠?qū)ο到y(tǒng)功能完整描述，并規(guī)范撰寫項目報告。具有良好的工程意識，嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L，自覺遵守工程規(guī)范具有良好的自主學習能力，探索精神，并主動獲取新知識。具有分析問題、解決問題的能力。具有良好的實驗習慣，操作規(guī)范，愛護實驗設備，注意個人安全。具有正確的勞動價值觀，養(yǎng)成良好的勞動習慣和品質(zhì)。7.1.1項目目標

7.1.2任務要求測量當前環(huán)境溫度，根據(jù)設定的溫度上限值及下限值，判定當前警報狀態(tài)：高溫警報、無警報、低溫警報。每種警報，都有文字提示，用不同顏色的警報燈加以區(qū)別，如高溫為紅色，低溫為藍色，正常為綠色。當前溫度數(shù)值用多種方式顯示，如數(shù)值形式、波形圖、溫度計等。

7.1項目描述7.1.3實踐環(huán)境硬件設備：計算機、計算機、ELVISⅢ、多功能I/O板卡、導線若干軟件環(huán)境：LabVIEW7.1項目描述7.1.3實踐環(huán)境LM35D外形及引腳功能如圖所示。它是把測溫傳感器與放大電路做在一個硅片上，形成一個集成溫度傳感器。LM35系列是精密集成電路溫度傳感器，其輸出的電壓線性地與攝氏溫度成正比。因此LM35比按絕對溫標校準的線性溫度傳感器優(yōu)越感得多。LM35D靈敏度為10mV/℃；工作溫度范圍為0℃～100℃，對應輸出電壓范圍為0V～1V；電源電壓為4～30V；精度為±1℃。最大線性誤差為±0.5℃；靜態(tài)電流為80uA。該溫度傳感器最大的特點是使用時無需外圍元件，也無需調(diào)試和較正（標定），與讀出或控制電路接口簡單和方便，可單電源和正負電源工作。7.1項目描述7.2任務1設計控制系統(tǒng)的前面板7.2.1前面板布置打開LabVIEW，在開始界面單擊“CreateNewProject”，新建項目，在創(chuàng)建項目窗口選擇“NIELVISⅢProject模板”，打開“配置新項目：NIELVISⅢProject”窗口，然后鍵入項目名稱“溫度預警項目”，保存到合適位置（也可以在項目5創(chuàng)建的NIELVIS練習項目里直接新建VI）。在LabVIEW程序的前面板，從控件選板里選擇選項卡控件，放置在前面板上。在選項卡控件上右擊，在顯示項中去掉標簽選項。把“選項卡1”修改為“系統(tǒng)描述”、“選項卡2”修改為“硬件配置”。在選項卡控件上右擊，選擇“在后面添加選項卡”選項，并把該選項修改為“溫度監(jiān)控”。7.2任務1設計控制系統(tǒng)的前面板7.2.1前面板布置“溫度監(jiān)控”選項卡中，放置該系統(tǒng)所需要的輸入和顯示控件，以及記錄歷史曲線的波形圖表，在VI運行中，該選項卡界面是人機交互界面如圖所示。7.2任務1設計控制系統(tǒng)的前面板圖中的控件為控件選板里“銀色”選項中的控件，也可以選擇“新式”中的控件。圖中“采集電壓”滑動桿用來模擬采集電壓信號，右擊該控件，彈出的菜單中選擇“顯示項→數(shù)字顯示”，這樣，滑動桿的附近就出現(xiàn)一個數(shù)值輸入控件，它和滑動桿是一體的?！皽囟壬舷蕖焙汀皽囟认孪蕖睘閿?shù)值輸入控件用來設置溫度的上、下限；“當前溫度”為數(shù)值顯示控件用來顯示測量的實時溫度。為了形象顯示該溫度，還在右側(cè)的溫度計控件上顯示?！熬尽敝甘緹粲脕盹@示溫度報警狀態(tài)，溫度過高或過低時，指示燈閃爍，溫度正常時，無閃爍。“報警指示”字符串顯示控件用來顯示報警文本。圖中的波形圖表用來顯示一段時間的溫度趨勢，它圖例拖拽成3個，分別是當前溫度、溫度上限和溫度下限，左擊圖例，可以修改曲線的顏色和寬度。右擊波形圖表，彈出的快捷菜單中選擇“屬性”，可以對曲線進行更多設置，也可以設置標尺和網(wǎng)格。最后，在選項卡下邊放置一個停止按鈕。“硬件配置”選項卡顯示硬件配置情況。比如用AI0通道采集溫度信號，設置為A/AI0?！跋到y(tǒng)描述”選項，添加文字，對系統(tǒng)功能、運行調(diào)試方式等進行說明。7.3.1溫度信號采集線性溫度傳感器LM35D作用是把溫度信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，下面編寫程序采集電壓信號，再轉(zhuǎn)變成溫度信號。由于LM35D靈敏度為10mV/℃，即每攝氏度對應輸出電壓10mV（=0.1V），把采集的電壓信號乘以100就變成攝氏溫度。程序框圖如圖所示。首先，用滑動桿模擬采集的電壓信號，然后乘以100，轉(zhuǎn)換成溫度信號，連接到“當前溫度”顯示控件上。把當前溫度、溫度上限和溫度下限用一個“捆綁”函數(shù)捆綁成一個蔟，連接到波形圖表上，并把波形圖表的標簽修改為“溫度趨勢圖”，前面板，右擊波形圖表，顯示項中前邊的√去掉，把標簽項設置為不顯示。這樣模擬溫度采集程序就設計好了。下面設計報警指示部分的程序，用一個子程序進行溫度、比較報警。7.3任務2任務2模擬采集溫度信號7.3.2分析處理溫度信號溫度信號分析比較用子VI來實現(xiàn)，比較算法子VI實現(xiàn)如下功能：1．把當前溫度與溫度的上、下限進行比較，判定當前的溫度值是否超過警戒線，并給出文本方式的警報提示，程序框圖如圖7-4所示。當溫度高于上限顯示“溫度過高”；溫度低于下限，顯示“溫度過低”；溫度在上下限之間時顯示“溫度正常”。2．根據(jù)警報類型，設定警示燈“警示”是否閃爍。當報警提示為“溫度過高”或“溫度過低”時，報警指示燈閃爍；當報警提示為“溫度正常”時報警指示燈不閃爍。警報燈的屬性修改，使用屬性節(jié)點，程序框圖如圖7-3所示。程序中使用條件結(jié)構(gòu)、引用句柄、屬性節(jié)點來實現(xiàn)。。7.3任務2任務2模擬采集溫度信號7.3.2分析處理溫度信號1）引用句柄：是一個打開對象的臨時指針，因此它僅在對象打開期間有效。創(chuàng)建一個引用句柄的方法如圖7-5所示，選擇前面板控件選板“應用句柄→控件引用句柄”，拖放至面板上；右擊該句柄，選擇“VI服務器類→通用→圖形對象→控件→布爾”。創(chuàng)建好的引用句柄標簽修改為“預警”，與主VI中的預警指示燈標簽保持一致。屬性節(jié)點：屬性節(jié)點可自動調(diào)整為用戶所引用的對象的類。屬性節(jié)點可打開或返回引用某對象，使用關(guān)閉引用函數(shù)結(jié)束該引用可使用一個節(jié)點讀取或?qū)懭攵鄠€屬性。但是，有的屬性只能讀不能寫，有的屬性只能寫不能讀。右鍵單擊屬性，在快捷菜單中選擇轉(zhuǎn)換為讀取或轉(zhuǎn)換為寫入，可進行改變屬性的操作。節(jié)點按從上到下的順序執(zhí)行。如屬性節(jié)點執(zhí)行前發(fā)生錯誤，則屬性節(jié)點不執(zhí)行，因此有必要經(jīng)常檢查錯誤發(fā)生的可能性。7.3任務2任務2模擬采集溫度信號7.3.2分析處理溫度信號創(chuàng)建一個屬性節(jié)點：屬性節(jié)點在函數(shù)選板的“編程→應用程序控制”里，如圖7-6所示。創(chuàng)建一個屬性節(jié)點，然后右擊該節(jié)點，選擇全部轉(zhuǎn)換為寫入。將布爾量的引用句柄連接至屬性節(jié)點的“引用”端，該屬性節(jié)點所指向的對象為布爾類型的，可修改布爾型對象的各種屬性。單擊“屬性”選擇“閃爍”，就完成了該布爾控件—指示燈的閃爍屬性設置。把該屬性節(jié)點，分別放置在條件結(jié)構(gòu)的3個分支中，在“溫度過高”和“溫度過低”分支給該屬性連接一個“真常量”，使警示燈閃爍；在“溫度正?！狈种нB接一個“假常量”使警示燈不閃爍。7.3任務2任務2模擬采集溫度信號7.3.2分析處理溫度信號也可以根據(jù)溫度狀態(tài)設置“溫度狀態(tài)”字符串控件的文本顏色，方法與指示燈閃爍屬性的設置類似。首先，創(chuàng)建引用句柄，在“VI服務器類→通用→圖形對象→控件→字符串→字符串”。創(chuàng)建好的引用句柄標簽修改為“溫度狀態(tài)”。然后，在“在函數(shù)選板→應用程序控制”中找到屬性節(jié)點，創(chuàng)建一個屬性節(jié)點，然后右擊該節(jié)點，選擇全部轉(zhuǎn)換為寫入。將字符串的引用句柄連接至屬性節(jié)點的“引用”端，該屬性節(jié)點所指向的對象為字符串類型的，可修改字符串型對象的各種屬性。單擊“屬性”選擇“文本→文本顏色→文本顏色”，如圖7-7所示。7.3任務2任務2模擬采集溫度信號7.3.2分析處理溫度信號把該屬性節(jié)點的輸入端放一個“顏色盒常量”，顏色盒常量位于函數(shù)選板的“編程→圖形與聲音→圖片函數(shù)”里面。把這個屬性節(jié)點和它連接的顏色盒常量復制3分，分別放置在條件結(jié)構(gòu)的3個分支中，在“溫度過高”分支，單擊顏色盒常量，選擇紅色、在“溫度過低”分支選擇綠色、“溫度正?！狈种нx擇藍色。7.3任務2任務2模擬采集溫度信號7.3.2分析處理溫度信號程序框圖編輯完成后，還要進行圖標和連線板的編輯，前面板如圖7-8所示。按照圖中連接連線端子，圖中橙色的是DBL數(shù)值型，依次連接輸入控件“當前溫度”、“溫度上限”和“溫度下限”；警示燈引用句柄為綠色連接中間的端子上，報警提示引用句柄連接右下方的端子上；粉色是字符串“溫度狀態(tài)”顯示控件。最后，編輯圖標即完成子VI的設計。7.3任務2任務2模擬采集溫度信號7.3.3溫度預警程序設計在前面編寫好“溫度信號采集程序”中，調(diào)用溫度預警子VI，把當前溫度、溫度上限、溫度下限依次連接到子程序，在子程序的輸出端連接“報警提示”字符串。在“警示”指示燈上右擊鼠標，彈出的菜單中，選擇“創(chuàng)建→引用”，連接到子程序的“警示燈”端子上；同樣方法在“報警提示”字符串上右擊創(chuàng)建引用，連接到子程序的“報警提示”端子上。最后，再放置一個While循環(huán)，并放置一個等待函數(shù)，設置等待500ms。以上，就完成了模擬溫度預警程序，程序框圖如圖所示。運行該程序，拖拽“采集電壓”滑動桿，模擬采集的電壓信號，觀察數(shù)據(jù)和波形變化，并檢查報警情況。7.3任務2任務2模擬采集溫度信號7.4任務3溫度預警系統(tǒng)設計7.4.1溫度預警系統(tǒng)硬件設計溫度預警系統(tǒng)組成框圖如圖7-10所示。圖中溫度傳感器采集溫度信號；信號調(diào)理電路把采集的信號變成標準的電信號；虛擬儀器設備把標準電信號進行處理，變成數(shù)字量，并通過標準通信方式送到計算機，通信方式可以是PCI、PCIE、PXI總線方式，也可以是USB、以太網(wǎng)、Wifi、串行方式等；在計算機上安裝虛擬儀器軟件和虛擬儀器設備驅(qū)動軟件。7.4任務3溫度預警系統(tǒng)設計7.4.2溫度預警系統(tǒng)軟件設計下面進行溫度預警系統(tǒng)軟件設計。溫度信號采集采用差分方式，模擬信號采集，AI多采樣，程序框圖可參考“圖5-25AI多采樣程序”，在Whil循環(huán)內(nèi)的“Read”模塊上設置采集頻率1000次每秒、采樣次數(shù)500次，然后用索引數(shù)組提取采樣信號，用均值函數(shù)取平均值，作為本次循環(huán)的采集電壓，在前面板，把物理通道輸入控件放到“硬件配置”選項卡內(nèi)；信號處理部分可以參考“圖7-9溫度預警程序”?！皥D7-9溫度預警程序”中的“采集電壓”滑動桿上右擊，快捷菜單中選擇“轉(zhuǎn)為顯示控件”，連接到均值函數(shù)的輸出端。完成的程序如圖所示。在溫度預警程序的前面板，“硬件配置”選項卡中，根據(jù)硬件連接，選擇A/AI0（DIFFNSamples），如圖7-12所示，表示差分方式、多采樣，并使用AI0、AI4通道作為信號輸入端。選項卡切換到“溫度監(jiān)控”項，根據(jù)環(huán)境溫度設置溫度上限和溫度下限。如果環(huán)境溫度為27Co左右，可以設置溫度下限26Co、溫度上限33Co。在波形圖表的Y標尺上右擊鼠標，“自動調(diào)整Y標尺”選項前邊的“√”去掉，不讓它自動調(diào)整。然后手動設置標尺的范圍，設置標尺的最小值要比溫度下限小一些、標尺的最大值要比溫度上限大一些，這樣，就能完整顯示3條曲線：實時溫度藍色、溫度上限紅色、溫度下限綠色。設置好之后，保存程序，就可以調(diào)試運行了。7.5任務4溫度預警系統(tǒng)調(diào)試測試調(diào)試測試步驟：1）按照硬件設計部分搭建系統(tǒng)，然后，打開ELVISⅢ和多功能I/O板卡的電源開關(guān)。2）回到程序前面板，單機運行按鈕，開始把程序部署到ELVISⅢ上。部署好之后，程序開始運行。3）設置溫度上、下限以及波形圖表的Y標尺范圍，當采集的溫度在溫度上限和溫度下限之間時，無警報，運行結(jié)果如圖7-13a)所示。圖中的溫度上限設置為33Co、溫度下限設置為29Co；波形圖表的最大值設置為34、最小值設置為28。圖中的“報警提示”字符串為綠色，“警示”燈不閃爍，此時當前溫度