基于LABVIEW的温湿度检测器上位机设计.docx
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基于LABVIEW的温湿度检测器上位机设计
基于LABVIEW的温湿度检测器上位机设计
摘要
随着科学技术的不断发展,测控技术同时也更加的自动化、智能化、数字化和网络化。
电脑和生产工具的密切结合是目前科技发展的一个重要的方向。
美国NI公司研制并开发的labview虚拟仪器拥有强大的处理数据的能力,拥有良好的人机设计界面,而且能够充分发挥电脑的功能,创造出拥有强大功能的仪器,从而实现普通仪器不能实现的功能。
随着气象事业的不断发展,气象要素的数据测量也进入自动化。
因为温度和湿度是两个非常重要环境参数,直接影响到生产生活的正常进行,所以有必要对其进行实时的检测。
本设计利用虚拟仪器技术所拥有的易开发、灵活性强和使用方便等一系列的优点,将其和传统测量系统巧妙的结合起来,基于labview软件可以设计出用来采集多路温度和湿度信号的温湿度检测系统,拥有温湿度数据显示、波形显示、温湿度超限报警等功能,而且操作简单。
本系统运用温湿度传感器,把所采集到的温度和湿度,在电脑软件的运行下,完成自动采集、自动处理、自动保存等功能。
关键词:
labview,温湿度,检测
DesignoftemperatureandhumiditydetectorhostcomputerbasedonLABVIEW
ABSTRACT
Withthecontinuousprogressofscienceandtechnology,measurementandcontroltechnologytoamoreautomated,intelligent,digitalandnetwork.Theclosecombinationofthecomputerandthetoolsofproductionisanimportantdirectionofthedevelopment.AmericanNIcompanydevelopeddevelopedbyLabVIEWvirtualinstrumenthasthepowerfuldataprocessingability,hasthegoodman-machineinterfacedesign,cangivefullplaytothecomputerfunction,cancreatepowerfulinstrumentstoachieveacommoninstrumentcanrealizethefunction.
Advantages,withthegradualdevelopmentofthemeteorologicalservice,meteorologicalfactorsmeasureddataalsointoautomation.Temperatureandhumidityaretwoimportantparameters,directlyaffectsthenormalproductionandlifefor.Therefore,itisnecessarytocarrytheeverydetection,thedesignwithvirtualinstrumenttechnologyiseasytodevelop,flexibilityandconvenientuseetc.,combinedwiththetraditionalmeasurementsystem,basedonLabVIEWsoftwaredesignamulti-channeltemperatureacquisitionandmultiplehumiditysignaloftemperatureandhumiditydetectionsystem,withatemperatureandhumiditydatadisplay,waveformdisplay,temperatureandhumidityoverrunalarmfunctionsandsimpleoperation.
Thissystemusesthetemperatureandhumiditysensors,willbecollectedbythetemperatureandhumidity,inthesupportofcomputersoftware,automaticacquisitionandautomaticprocessingandotherfunctions.
KEYWORDS:
:
LabVIEW,temperatureandhumidity,detection
第一章绪论
伴随着科学技术的不断进步,电脑技术的飞快发展,传统的测量仪器己经不能满足现代监测系统的要求,美国国家仪器公司〔简称NI〕率先提出了虚拟仪器的概念,它彻底打破了传统仪器由生产厂家定义生产的规则,用户无法改变的模式,从而在测控仪器领域发生了一场巨大的革新。
20世纪90年代初在我国兴起了一场对虚拟仪器开发和应用的热潮,现在已运用到航空、航天、通信、医疗、电力、石油勘探、铁路建设等行业,并得到了非常广泛的应用,在未来市场潜力非常巨大。
虚拟仪器是目前测控领域的技术热点,它代表了未来测控仪器技术的发展方向。
虚拟仪器是一种全新的通过应用程序将通用电脑与功能模块硬件结合在一起的测控仪器系统。
普通用户可以通过操作显示器友好的图形界面从而操作电脑,完成对被测量的数据采集、分析、处理、显示、存储等一系列测试工作,就如同操作一台自行定义与设计的专用传统仪器一样。
随着以电脑和网络为代表的信息技术的快速发展,基于电脑软件平台的这种测量系统被广泛的运用到各行各业中,“软件就是仪器”,这种思想被广泛的认同和实践。
虚拟仪器〔VI〕是一种以电脑技术和传统的仪器技术相结合的产物,是测控仪器发展的一个重要方向[4]。
LabVIEW是一种基于图形化编程语言的虚拟仪器软件的开发工具[5]。
本篇文章重点介绍了LabVIEW的界面和运用,并设计了一套以虚拟仪器的数字化为基础的温度测量和控制的系统,系统的阐述了该系统在开发过程中数据的采集和软硬件的设计所遇到的问题和解决方法,虚拟仪器设备可以由使用者自己定义,这意味着可以根据自己的需要,自由地组合电脑平台,硬件〔包括传统仪器〕,软件,以及可以各种实各种现应用所需要的不同附件。
这种灵活性在以前的由供给商定义,功能固定,独立的传统测控仪器上是很难到达的。
常用的数字万用表,示波器,信号发生器,数据记录仪,以及温湿度和压力监控仪器就是这种传统仪器的代表。
传统仪器设备向虚拟仪器设备的转变过程,为现代实验设备带来了更多实际利益,同时也不断促进着实验手段不断更新。
虚拟仪器的主要特点有:
尽可能采用通用的硬件,各种仪器的差异主要是软件;可充分发挥电脑的能力,有强大的数据处理功能,可以创造出功能强大的仪器;用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器,并且购置费用低、可重复利用;技术更新非常快、开发与维护费用较低、系统开放、方便与外设、网络连接[6]。
因此,基于虚拟仪器的控制系统的设计理念应运而生,与传统的温湿度测控系统相比较,本系统使用更加简单方便,便于技术升级与更新,系统的使用及维护费用极低,同时具有极高的可靠性,性价比比以前更高。
可以在提高现在温湿度控制的整体水平方面发挥更大的作用。
温室大棚里的植物在生长过程中,由于环境、气候和通风条件等因素的变化,大棚内的温度或湿度会发生异常,这极易造成农作物的腐烂或发生虫害,影响其生长发育。
同时植物在生长过程中还会受到大棚中气体、微生物以及其他虫害等因素的影响。
为保证温室大棚具有一个适合的温湿度环境,有必要对大棚内的温度,包括大棚里面的湿度进行监测,所以设计出一个简单方便的温湿度检测系统具有十分重要的意义。
传统的温湿度检测方法是采用有线的传输模式,这种模式下的设备灵活性不强,生产成本较高,操作非常麻烦。
并且传输信号很容易收到电磁信号的干扰,信号很容易衰减,形成测量误差。
有提出用SHT11组成的单点温湿度检测系统,但是不能实现多个点的同时测量[1];有提出了一种较高精度的无线测量技术,并且采用两级网络的架构实现无线测量,但是系统的节点增多了,网络比较复杂,并且系统的成本偏高[2];还有提出运用MSP430设计基于ZigBee的无线温度测量,实现了可以根据所需要的多点无线测量,但是无法实现历史记录的查询和进行比照分析[3]。
针对上述的几种系统的不足之处,设计一种基于LabVIEW的温湿度检测系统,通过VISA对数据进行采集和传输,实现对温湿度数据进行采集、传输、分析、显示与存储等功能。
1.2研究现状
20世纪70年代,因为个人电脑技术的出现,人们开始考虑运用电报来处理从传统仪器测量出来的数据,同时GPIB技术也逐渐发展起来,促进了IEEE488.2标准的诞生;20世纪80年代,随着电脑技术的进一步发展,电脑主板上有了多个扩展槽,,并且出现了可以插在电脑里的数据采集卡,这样的系统可以进行一些简单的数据采集工作,然后将采集到的数据交由电脑软件进行处理,这就是虚拟仪器技术;20世纪90年代,电脑总线技术的速度进一步提高,PCI总显的数据传输速率到达了132Mbps,1996年底,NI公司在PCI数据总线的基础上提出了第一代PXI(PCIeXtensionsforInstrumentation)系统的技术标准。
到21世纪初,全球已有超过32000用户在使用虚拟仪器技术,其中不乏有许多国际知名的大公司,像Nokia、Simens、Tektronix等。
在世界500强企业中的制造业厂商,95%的公司都采用了虚拟仪器技术[7]。
国外企业对这类的环境控制技术研究的比较早,起始于20世纪70年代。
首先是采用模拟式的组合仪表,在采集现场采集信息并进行指示、记录和控制。
80年代末开始出现了分布式控制系统,就是现在正在开发并研制的电脑数据采集控制系统。
21世纪,世界各国的控制技术发展的越来越快,一些国家在实现自动化的基础上正朝着完全自动化、无人化的方向发展。
像园艺强国荷兰,以先进的鲜花生产技术著称于世,其玻璃温室全部由电脑操作。
英国伦敦大学农学院研制的温室电脑遥控技术,可以观测50Km以外的光、温、湿、气和水等环境状况,并进行随时遥控[8]。
现代温室及配套的设施已采用专业化、集约化和规模化的生产,标准有序的市场经营和国际化的市场运作体系,成为当今世界最具活力的新兴产业之一和现代农业的亮点之处。
在今后一个时期,随着科学技术的发展、全球经济的一体化和社会的进步,现代温室及配套设施,将以节能、环保和改善工作条件为核心,深入广泛采用高术。
进入21世纪后,特别是在我国加入WTO后,国内生产的产品面临巨大挑战。
各行业特别是传统产业都迫切需要应用电子技术、自动控制技术进行改造和提升。
例如纺织行业,温湿度是影响纺织品质量的重要因素,但纺织企业对温湿度的测控手段仍然很粗糙,十分落后,绝大多数的企业仍在使用干湿球湿度计测量温湿度,采用人工观测,人工调节阀门、风机的方法控制温湿度,其控制效果可想而知。
制药行业里也基本如此。
尤其在食品行业里,更是凭借经验,很少有使企业用温湿度传感器[9]。
同时值得一提的是,随着农业生产向产业化慢慢的发展,很多农民意识到勒摆脱落后的传统耕作、养殖方式的重要性,认识到了采用现代科学技术来应对进口农产品的挑战,才可以打进国外市场[10]。
于是,渐渐的各地建立了越来越多的新型温室大棚,用来种植反季蔬菜,花卉;与此同时,养殖业对环境的测控也日感迫切;调温冷库的大量兴建给温湿度测控技术提供了广阔的市场。
虽然我国已经引进荷兰、以色列等国家较先进的大型温室大概四十多座,自动化程度较高,但是成本也高。
所以国内正在逐步消化吸收有关技术,一般第一步先搞调温、调光照,控通风;第二步搞温湿度自动控制及CO2测控。
除此之外,国家粮食储备工程的大量兴建,对温湿度测控技术提也提出了要求。
所以,对温湿度的实时监测和控制就成了现在必须并且需要加大技术支持的时候了。
针对以上的情况,近几年来世界各大虚拟仪器公司开发的很多虚拟仪器开发平台软件,提供给了使用者组建适合自己的虚拟仪器以及测试系统,就可以解决这些问题。
在这些许多的开发软件中,尤其以美国NI公司的LabVIEW和Labwindows/CVI开发最早且最具影响力。
其中LabVIEW采用的是图形化编程方案,是非常实用的开发软件;Labwindows/CVI是采用C语言进行编程的、在Windows环境下的标准ANSIC开发软件[11]。
当然,除了这两个影响力比较大的,还有美国HP公司开发的H-VEE和HPTIG软件,美国Tektronix公司开发的Ez-Test和Tek-TNS软件,以及美国HEMData公司开发的Sanp-Master软件,都是国际上公认的非常优秀虚拟仪器开发软件[12]。
现在虚拟仪器的开发系统所用到的总线包括GPIB通用接口总线、传统的RS-232串行总线、RS-485串行总线、VXI总线,以及USB总线等[13]。
世界各国的公司,特别是美国的NI公司,为了使虚拟仪器能适应所有的总线配置,开发了大量的软件和适应要求的硬件,从而可以使得使用者灵活地组建各种各样的不同复杂程度的虚拟仪器自动测控系统,方便使用。
同时虚拟仪器的开发公司,在测量结果的数据处理、表达模式以及其变换方面不断地改革和创新,发布了各种软件,建立了开发工具库和数据处理的高级分析库,进一步扩大了虚拟仪器的功能。
伴随着微型电脑技术的发展,虚拟仪器将逐步取代传统仪器而成为测试仪器的主流。
据相关专家的预测,预计到2017年我国有70%的仪器为虚拟仪器。
同时,不仅仅是农业,虚拟仪器将在航天、通信、医疗、电力、石油、铁路等行业也普及并且开始应用。
因此,基于虚拟仪器的控制系统,这个设计理念应运而生,这个设计相对与传统的温湿度测控系统而言,使用起来简单方便,而且技术升级更新也方便,系统的使用和维护费用极低,虽然费用不高,但是具有极高的可靠性。
因此性价比更高。
可以提高现在温湿度控制的整体水平。
基于生活的需要,方便了生产中对温湿度的控制,有效的提高了生产质量。
虚拟仪器平台通常外围电路比较简单,测量精度较高,分辨力高,使用方便。
其中温湿度检测是现代检测技术中的重要组成部分,在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。
本次毕业设计正是为了完成温湿度采集而设计的,可以说与人们的日常生活是息息相关的,具有很大的现实意义。
1.3论文构成及研究内容
本文重点介绍:
利用LabVIEW开发环境设计上位机的检测界面,从而实现了对大棚内温湿度的检测。
本文主要进行以下几方面的工作:
1、论述温湿度检测系统的课题目的及意义,智能温度检测系统的国内外发展概况及本论文所研究的的主要内容。
2、温湿度检测系统的设计思路及设计方案,对系统软件开发平台进行选择的结果。
3、温湿度检测系统的软件整体设计方案,及上位机的设计过程。
4、对所做工作进行总结和评估,对未来的研究作相关展望。
主要研究内容有:
基于LABVIEW的温湿度检测器上位机设计
预计实现的成果:
本系统预期效果:
能够精确地测量周围环境的温湿度,并且实时地显示温度和湿度的值。
当温度过高或过低或者是湿度过高或过低时,都能通过系统实时向工作人员发出警告。
并且自动纪录工作数据和报警历史。
工作人员可以通过打开温湿度调控器进行及时的调节被测环境的温湿度。
除此之外,工作人员还可以通过人机界面直观的查看或者打印工作数据。
根据工作环境的不同能方便的调节与输入温湿度上限下限,更好的控制相关环境的温度和湿度。
虚拟仪器还有一个优点就是,由于虚拟仪器天生的优势,技术人员可以通过极少的硬件投资和极少甚至无需软件上的升级就能改良整个系统。
让系统能适应各种环境和工作需求。
第二章系统总体方案设计
本论文设计开发的是基于LabVIEW的温湿度检测器上位机设计。
根据从总体到局部的设计原则,这次设计通过对系统功能的分析,将整个系统分解为实现不同功能的几个部分,然后再分别对每个部分进行设计。
为了能够实现温湿度检测系统所提出的各项具体的功能,上位机为装有LabVIEW2005软件的PC机,上位机部分完成对硬件的驱动,温湿度数据显示、数据处理与存储,温湿度超限报警及人机交互操作界面的生成。
在以往的生产生活中,传统的气象要素测量系统不仅仅体积庞大,而且所需要的硬件设备较多,使用的时候也容易受人员、地点、空间等诸多因素的影响。
而且这类测量系统和传统仪器一样,功能和作用都由生产商在生产时定义好,一旦成型,用户就无法在使用过程中根据自身的需要对仪器的功能和作用进行重新定义,另外这类测量系统与其它仪器设备的连接也十分有限,并且图形界面较小,人工读取数据信息量很小,数据无法实时地编辑、存储,同时系统封闭、可扩展性差,技术更新速度慢,开发和维护费用也较高。
基于以上传统仪器的缺点,本论文设计了一个基于LabVIEW的温湿度检测器上位机设计。
这次设计的测试系统上位机软件采用LabVIEW编写。
LabVIEW是专业的数据采集设计平台,特别适合对信号和各种算法的处理,同时LabVIEW采用图形化编程,具有快速开发的能力,能够很快的开发出一个系统。
这就方便了设计的时候可以根据自己的想法很容易的设计出一个系统。
传统的温度测量仪器功能和规格单一,用户无法根据自己的需求改变,美国NI公司提出的虚拟仪器的概念彻底打破了传统仪器由厂家定义,用户无法按自己的意志改变的模式。
LabVIEW是NI公司开发的一种虚拟仪器平台目前利用LabVIEW的开发通常建立在LabVIEW所支持的昂贵的数据采集卡上,而本系统采用上位机〔PC机〕串口与单片机进行通信,大大降低了系统的成本。
LabVIEW主要特点是:
尽可能地采用通用的硬件,各种仪器系统的差异主要是软件。
可充分发挥电脑的能力,有非常强大的数据处理功能,可以创造出功能更强的仪器。
用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。
LABVIEW有很多优点,尤其是在某些特殊领域其特点尤其突出。
测试测量:
LabVIEW最初就是为测试测量而设计的,因而测试测量也就是现在LABVIEW最广泛而且最专注的应用领域。
经过多年的发展,LabVIEW在测试测量领域获得了广泛的承认。
至今,大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的LabVIEW驱动程序,使用LabVIEW可以非常便捷的控制这些硬件设备。
同时,用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域的LabVIEW工具包。
这些工具包几乎覆盖了用户所需的所有功能,用户在这些工具包的基础上再开发程序就容易多了。
有时甚至于只需简单地调用几个工具包中的函数,就可以组成一个完整的测试测量应用程序。
控制:
控制与测试是两个相关度非常高的领域,从测试领域起家LabVIEW自然而然地成为首位拓展至控制领域。
LabVIEW拥有专门用于控制领域的块———LabVIEWDSC。
除此之外,工业控制领域常用的设备等通常也都带有相应的LabVIEW驱动程序。
使用LabVIEW可以非常方便的编制各种控制程序。
仿真:
LabVIEW包含了多种多样的数学运算函数,特别适合模拟、仿真、原型设计等工作。
在设计机电设备之前,可以现在电脑上用LabVIEW搭建仿真原型,验证设计的合理性,找到潜在的问题。
在高等教育领域,有时如果使用LabVIEW进行软件模拟,就可以到达同样的效果,使学生不致失去实践的时机。
跨平台:
LabVIEW具有良好的平台一致性。
如果同一个程序需要运行于多个硬件设备之上,也可以优先考虑使用LabVIEW。
LabVIEW的代码不需任何修改就可以运行在常见的三大台式机操作系统(Windows、MasOS及Linux)上除此之外,LabVIEW还支持各种实时操作系统和嵌入式设备,常见的有:
PDA、FPGA以及运行VxWorks和PharLap系统的RT设备[14]。
LabVIEW与其它电脑语言采用基于文本的语言产生代码行相比,LabVIEW采用图形化编程语言——G语言,产生的程序是框图的形式,易学易用,是一个特别重要的不同点。
并且特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用,可在很短的时间内掌握并应用到实践中去[15]。
尤其是特别是对于熟悉仪器结构和硬件电路的硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员来说,编程就像设计电路图一样;因此,硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员们学习LabVIEW驾轻就熟,在很短的时间内就能够学会并应用LabVIEW。
也不必去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。
此温度检测系统主要实现以下功能:
1、采集卡与PC机的串口通信,能及时地将温度数据传给PC机,并将在上位机界面行程曲线,直观的表现温湿度变化。
2、检测参数的显示:
如测试时间、设定温湿度、当前温湿度等,当温湿度超出某个范围进行报警等。
3、波形图显示和数字显示的是温湿度实时监测曲线的走向和数值。
4、用户可以将采集到的温湿度数据的一部分或者全部保存在Excel表格中,方便查询和打印。
2.2系统组成框图
2.2.1前面板的组成
基于对预期的结果,基本可以将系统所要实现的功能分为以下几个部分呢在前面板展现:
图2.2.1前面板的结构图
界面由温湿度实时数据的显示窗口和报警数据、设定数据以及报警显示窗口组成。
其中,温湿度的显示窗口中可以实时显示当前空间的温度和湿度的值,设定窗口可以人为的设定温湿度的临界值,当空间温度或者湿度超过预设的临界值时会启动报警系统,位于前面板上面的报警指示灯会变成红色的。
同时报警数据会存储在表格中并且导出excel表格,显示报警的情况和报警的数据。
数据采集和数据库
数据存储的功能是利用数据库实现的,首先需要在运行该系统的环境中建立一个date.xls的文件夹,然后运行系统,在该文件夹下会自动生成一个.xls文件,DAQmx采集到的所有数据及其对应的采集时间都存放在该文件中。
如果想要查看某段时间的温湿度情况,可以在date文件夹中找到对应的时间段,对应的.xls文件,单击,便在Microsoft Excel下打开。
与同类的存储系统相比,本系统可以自动生成保存文件,这样既可以节省用户的时间,也减少了系统繁琐的操作步骤及一些不必要的麻烦。
同时也可以查询历史数据。
报警系统具体实现过程如下:
将温度、湿度两路已报警的信号引出来,分别接入注册事件,构成两个用户事件。
并将输出接到事件结构上,当有报警的信号时,事件结构执行,将此报警信号记录下来;当不需要某类记录〔温度或者湿度〕的时候,点击该记录对应的清除按钮,程序将执行该按钮所在的程序框中的程序,将所对应的历史清零。
报警信号的记录,方便了相关人员对报警数据分析,并对研究过的或无用的报警信号进行清除。
传感器把被测量的物理量转换为电量;信号调理电路对传感器转换的电信号进行放大、滤波、隔离;数据采集卡采集信号调理电路的电压信号,转换成电脑能处理的数字信号;通过数据采集卡驱动程序,将数字信号读入电脑,电脑对信号进行采集和处理以到达预期效果,并将信号采集到电脑的软件程序中,然后由示波器在前面板显示出信号的变化曲线,同时利用信号拆分模块将送进来的信号拆分,以便对温湿度不同的信号做不同的处理,从而实现对温湿度双通道的数据采集,数据自动存储、显示以及越限报警。
总体来讲,基于虚拟仪器的温湿度控制是由数据采集模块、数据存储模块、报警历史重现模块、报警历史清除模
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