毕业设计（论文）-木材干燥工艺及PLC的应用.doc

河北工程大学毕业设计说明书 1绪论21.1研究背景21.1.2国内外木材干燥技术现状及发展趋势31.2研究的目的和意义41.3研究的主要内容52木材干燥监控系统的总体设计方案62.1木材干燥的目的62.2木材干燥过程控制72.3系统的总体设计方案82.3.1基于单片机的整体设计方案82.3.2基于plc的整体设计方案9 3虚拟仪器综述113.1虚拟仪器简介113.2仪器的发展113.2.1仪器的发展113.2.2虚拟仪器的发展123.3虚拟仪器的构成123.3.1硬件平台133.3.2软件平台143.4虚拟仪器g语言的特点143.5虚拟仪器的优越性153.6 labview简介153.7 labview应用程序构成163.8 用labview设计虚拟仪器的步骤183.9虚拟仪器的应用184上位机的设计224.1主界面的设计224.2温度采集子界面的设计图254.2.1温度信号采集254.2.2温度采集子界面及框图程序274.3湿度采集子程序的设计284.3.1湿度信号的采集284.3.2湿度信号采集子界面294.4含水率采集子界面304.5程序启动界面的设计314.6子vi的创建与调用345上位机与plc通讯设计375.1rs232简介371绪论1.1研究背景1.1.1我国木材干燥技术的研究重点 （1）家具、地板用材的优质高效干燥技术。家具、实木地板用材多为进口的难干硬阔叶树材，树种繁多，且干燥特性不详。为稳妥起见，生产中多用低温 慢干的工艺基准，生产效率低，降等损失大。因此，进行家具、实木地板用硬阔叶树材的干燥特性、渗透性及预处理改善渗透性的研究，开发优质高效的干燥技术，对我国实木家具、地板行业增强产品的市场竞争力意义重大。 针对难干硬阔叶树材，可采用集成干燥技术，包括预处理一预干燥(大型窑预干、太阳能预干等)、二次干燥(窑干或真空干燥等)技术的集成优化，以及干燥质量、速度、经济性评估指标体系的构建。 （2） 人工林木材的高效干燥与材质改良一体化。 （3） 人工林木材径级小、幼龄材及湿心材含量大，干燥时易翘曲、开裂及皱缩；干燥热能消耗大。常规干燥窑配置的热功率往往不足，导致干燥时间长。急需开发快速干燥且材质改良一体化的技术。如以人工林木材为原料的细木工板芯板、包装材及部分建筑材的高温快干工艺；速生材锯材表层密度、强度的改善，平整度和尺寸稳定性提高的技术；松木低成本、无化学污染及与干燥一体化的脱脂改性及增值技术等。经绥芬河、莆田等大型进口材基地高效干燥体系的实践，经济效益显著。 （3）户外建筑用材组合干燥与功能改性增值技术。随着城市环境的建设，户外建筑装修及庭院木质家具的需求量愈来愈大。目前，多使用针叶树材并进行防腐或滞火处理。由于木材防腐处理对环境有一定的污染，若采用高温热处理材(俗称炭化木)做户外建筑及庭院家具，不但健康、环保，而且色泽美观、古朴、典雅。 因此，需着重开发防腐、阻燃处理材的高效干燥技术、户外材的超高温热处理技术及性能评价体系；户外家具用针叶树材的高效快速干燥技术；防腐或阻燃处理后的二次干燥技术。 （4）木制品生产、贮存过程中的含水率及应变监控技术。在木材干燥、贮存、加工及制品贮存的整个过程中，对木材或制品的含水率及应力、应变进行全程自动监控，以便实时调整木材加工工艺，保证木制品的质量。研究重点是。木材含水率及应变管理体系模型的构建；节能、环保的木材含水率及应变连续遥测及管控技术；木制品零部件质量实时评估体系的构建等。 （5）木材干燥的节能减排技术。包括常规干燥窑的进、排气监控及排气余热的高效回收技术；太阳能与其他绿色干燥技术的组合；人造板加工的节能减排技术；节能减排评估体系的构建。上述技术关键的研发，须始终贯穿优质高效和节能减排的原则，对提高木质产品的质量和附加值，提高生产效率，节能降耗，减少降等率，节约木材资源的意义重大。1.1.2国内外木材干燥技术现状及发展趋势 由于木材具有许多优异的功能和能满足人们回归自然的要求，近年来他在建筑、室内装饰、家具、车船、交通运输等领域得到广泛的应用。木材要利用，首先要进行干燥处理。干燥后的木材制品尺寸稳定及木材抗菌虫害的能力都有所提高，木材的优异特性能得到充分的体现。木材干燥对木材加工、使用、运输和保存都具有重要的意义，是木材加工中的重要环节和不可缺少的工序，是保证木材制品质量的关键技术，是合理、高效利用木材的重要技术措施。随着人们生活水平的提高，对木材制品的需求量越来越大，对木材干燥质量的要求也越来越高，但干燥能力明显不足。据林业部资料，如果木材聚财产量需要进行人工干燥的比例按照60%计算，1996年全国需干燥的锯材量约2510万平方米，而木材干燥能力不足需求量的1/6.到2000年，需求干燥锯材约2360万平凡米，而人工干燥设备的生产能力约为700万平凡米，也不足需求量的1/3.另外，随着进口材的增多和小径材、速生材比例的增大，干燥在整个木材加工中的作用将日渐突出。据估计，木材干燥设备的需求量还将会不不断增长。我国大径木材已越来越少，今后此类木材主要依靠进口。近年来，我国每年大约耗资约40亿美元进口木材和人造板。但目前面临的形势是，许多木材出口国由于环境保护和为发展本国木材加工业等原因，正限制和减少出口，只是缺材国家木材进口受到限制。因此，今后我国要解决自己的木材需求问题，主要靠人工速生材、小径材及难干阔叶材等低质材，这些木材的干燥特性与过去通常使用的大径级成材有较大的却别，需要干燥系统具有较强的适应性。另外，环保对干燥设备节能与减少污染的要求更加迫切，干燥容量大而成为使用最多的干燥方法。目前，我国木材干燥约80%采用常规蒸汽窑干燥，国外也主要以蒸汽干燥窑为主，如美国采用蒸汽干燥的约占88%。随着计算机及自动控制技术的发展，将计算机技术应用到木材干燥过程中，实现木材干燥过程的自动控制，其控制要比常规工业仪表更方便、准确。因此，将计算机及自动控制技术应用到常规木材干燥系统中，提高干燥效率和干燥质量、节约能源、降低成本是目前及今后较长时间木材干燥技术的研究方向。用计算机控制生产过程在许多领域已经是相当成熟的技术，同样，计算机控制在木材干燥领域的应用也越来越广泛。在国际上有代表性的公司和厂家如德国的ims木材干燥公司，烈格钢科技有限公司等。国内的木材干燥自动化水平总的来讲还是比较低的，特别是西部经济欠发达地区分布着为数众多的中小型手动或半自动控制的干燥窑，从事干燥作业的操作人员多数缺乏必要的培训，甚至不具备起码的操作知识，导致干燥质量下降和资源的浪费。但国内微机干燥自控系统的研究也有了一定的进展，如原林业部哈尔滨林业机械研究所开发的木材干燥工艺计算机控制系统已成为哈尔滨木材干燥设备厂的配套产品，应用效果较好。难进林业大学研制的有plc控制的木材干燥窑自动控制系统、根据时间基准控制干燥过程的nlzc-i型木材电脑自动控制装置、木废料能源木材干燥窑微机控制系统，使用后都产生了明显的经济效益和节能效果。中国林科院木材工业研究所研制出了lx-l系列木材干燥过程电子智能微机控制系统。中国科学院广州人造卫星观测站研制出了t409木材干燥专家系统，自动控制木材干燥过程。除此之外，国内采用国外技术合作合资开发的干燥窑自动控制系统有：上海申德木业机械有限公司，采用德国suntex控制仪生产的木材干燥窑，上海欣申科技公司与美国lignomat公司合作开发的全自动干燥窑控制系统，控制软件可运行在windows操作系统下，长春市恒通公司引进、消化吸收德国、意大利等国家木材干燥设备、研制出的wky-d型木材干燥窑微机（单）群控制系统等。1.2研究的目的和意义随着木材搞糟技术的逐渐发展成熟，以及计算机的广泛应用，木材干燥已由操作人员手工控制发展成为以计算机为基础的自动控制。但是，目前国产木材干燥技术设备的自动化程度与国外相比还有一定的差距。其主要表现在：（1）检测设备陈旧，许多木材干燥长为了降低设备成本，往往仍采用手动操作方式，控制仪表和检测装置不全，设备工作的可靠程度差、自动化水平低；（2）检测方法落后，沿用干湿球法测干燥室内温度，用称重法测木材含水率，这些检测方法还停留在人工读数查表的落后水平上，因此，测试精度的高低，测试误差的大小和操作人员的熟练程度直接相关而且劳动强度高、干燥木材缺陷多、生产效率低、能源好耗费大；（3）先进检测设备造价高，近年来，国外相机推出了一些带为处理器的变送器和数据采集器，虽然测量精度高，抗干扰能力强，但由于其成本高，价格昂贵，或难以和国产设备配套使用，在木材干燥行业中应用有一定的经济阻力。国外的木材干燥设备已实现了全自动控制，自动化程度高，以美国lignomat公司制造的木材干燥测控系统产品为代表，采用先进的测试技术，通过对干燥过程参数的自动高精度采集、处理、记录，利用系统提供的各种分析功能，不断调整干燥基准，从而提高了木材干燥质量，节约了损耗，减少了人员数目。它代表了当时木材干燥控制系统的世界先进水平，具有高可靠性、直观易学、功能强大、使用安全和维护性强等特点。新一代的智能化木材干燥自动控制系统的发展趋势是：通过研究木材内热质传递规律和盈利分布等进一步解决木材干燥的实时动态检测问题。此外，在系统中还将普遍使用微处理器，把传统传感器技术和电子技术、信息处理技术、人工智能相结合、是系统具有自动量程、自动补偿、自诊断、自寻故障、多数据融合等智能功能，直接在信号采集现场进行数字化处理，并用数字信号代替传统的模拟信号，同控制机通信。这样不仅使得信息传输误差大大降低，还使得检错、纠错手段得以实现。提高了系统工作的可靠性。产业化前景和经济效益分析：（1）传统家具、实木地板用材优质高效干燥技术的应用，可显著改善家具和实木地板产品的质量，大大缩短生产周期，有力地提升家具和实木地板产品的品牌价值和市场竞争力。 （2）速生材的高效快干及材质改良一体化技术，可直接应用于细木工板芯板、包装箱板厂及部分建筑材料的生产，提高生产效率，降低能耗，改善产品质量，提高产品附加值。 （3）防腐及阻燃材的高效组合干燥与功能改性增值技术，可直接用于正规的防腐企业，提高防腐针叶树材的质量及生产率；且木材超高温热处理技术的应用，将为木材的防腐和改性开辟一条环保、健康、且产品材质优良的新型发展道路。 （4）木制品生产、贮存过程中含水率及应变的监控技术，可用于企业监控木制品在整个生产和贮存过程中的质量，保证木制品生产的各个环节的质量均符合要求，从而提升产品的合格率及优质产品率，创建优质名牌产品，提高产品的附加值。 研究开发符合我国实际的投资少性能价格比高的木材干燥自动监控系统具有重要的实际意义。1.3研究的主要内容（1） 进行基于labview的上位机显示及控制系统的界面及程序框图设计（2） 进行基于plc的木材干燥自动控制系统的设计，并进行下位机的硬件设计及软件编程（3） 实现上位机与下位机之间的通讯2木材干燥监控系统的总体设计方案2.1木材干燥的目的 新鲜木材含有大量的水分，在特定环境下水分会不断蒸发蒸发。水分的自然蒸发会导致木材出现干缩、开裂、弯曲变形、霉变等缺陷，严重影响木材制品的品质，因此木材在制成各类木制品之前必须进行强制（受控制）干燥处理。正确的干燥处理可以克服上述木材干燥缺陷，提高木材的力学强度，改善木材的加工性能。它是合理利用木材，是木材增值的重要技术措施，也就是木材制品生产不可缺少的首要工序。 较小的密度和较大的强度（品质系数较高）耐酸碱腐蚀，绝缘性能较好，易于切削，纹理和色泽美丽等优良性质。在建筑、机械、车辆、船舶、纺织、农具、家具、乐器、航空等国民经济的各部分都需要使用大量的木材。但是，用未经干燥处理木材制成的产品不能保证质量，所以必须对木材进行干燥处理。 干燥处理以后，可以取得以下几个方面的效果。 和木材制品使用的稳定性。木材长期暴露在空气中会发生湿胀和干缩现象，而木材的不均匀的湿胀和干缩，往往会引起木材干裂 和变形，影响使用，造成浪费。若用湿的木材或没有干燥好的木材制造产品（如门窗、地板、家具等）时，刚刚做好时好像不错，可是经过一段时间后，随着木材的变干就会发生门框歪斜、地板翘曲、接口松脱或版面开裂等现象，造成很大的损失。生产单位若在使用前，将木材干燥到使用要求的含水率，就可以保证木制品结构的稳定性，使之外形美观、经久耐用。提高木材和木质零件的强度，当木材含水率低于纤维和饱和点时，木材的强度将随着木材含水率的降低而提高。经过干燥后的木材，可以改善切削加工条件，提高木结构零件的强度、胶接强度和木制品的表面装饰质量。木材的导热性质和导电性质是随着她的含水率的改变而改变的，要提高木材的保温性和绝缘性，也需要用降低含水率的办法来减小导热性和导电性。 预防木材的贬质和腐朽。湿木材如果长时间堆放在露天空气中，若不采取适当的措施，往往会发生腐朽和遭虫害。当木材含水率降低到20%以下时，可大大减少菌害和害虫的侵害与破坏。所以，一般在生产单位，把木材干燥到含水率8-15%。这样不仅保证了木材的固有性质和强度，而且也提高了木材的抗腐蚀能力，减轻木材的重量。新砍伐的木材，其含水量甚至超过了本身的重量，经过短期存放、自然干燥后，它的含水量仍然很高。木材经过室干后，其重量可以减轻约30-50%，有利于提高车辆的运载能力。总之，经过干燥的木材，可以保证木材制品的质量，改善木材的使用性能，延长使用年限，从而节约了木材。多年来的实践证明，木材干燥在生产上是不可缺少的过程，在科学上已经成为专门的学科。2.2木材干燥过程控制 木材干燥是一个复杂的过程，包括预处理、干燥和后处理等不同阶段。在干燥过程中，主要是通过干燥时间和木材实时含水率来判断所处的阶段，并根据相应的干燥基准控制干燥室的温度与湿度。他的油画目标是干燥质量、干燥时间和能耗。控制系统通过定时测定室内的温度、湿度和木材的实时含水率，通过含水率和所选定的基准确定设定值，将他们与实际是想比较获得相应的偏差，然后采用控制算法得到调节值，控制喷淋阀的开度及风机的启闭。由于他的纯滞后、非线性和时变性，难以建立精确的数学模型，所以对其控制策略的进行研究，选择合适得到控制方法，是木材干燥控制系统达到满意的控制效果，具有重要的意义。目前，国内外有不少关于木材干燥优化控制方面的研究。在控制策略和方法上，由于开始采用基于微机的木材干燥控制系统，使各种复杂的控制算法得以实现，主要有pid控制、基于遗传算法的pid控制、基于模型的自适应控制、基于神经网络的只能控制和模糊控制等。 在潮湿木材中，水分主要以两种方式存在：存在细胞腔内和细胞间隙的自由水;存在于细胞壁的组合水。当木材干燥时，自由水首先被排出，直到木材含水率达到纤维饱和点。这时木材中指剩下结合水、再进一步干燥，结合水也被排出，直至木材所有的结合水和木材周围的相对湿度达到一个平衡状态在相对湿度为0%时，木材的含水率基本上也是零；反之，这一平衡含水率将随相对湿度的增大而逐渐增加，知道木材细胞壁中的水分增加，这时相对湿度接近100%。在木材干燥中，控制干燥条件非常重要，排除自由水应在不会产生表面硬化、蜂窝裂和皱缩等缺陷的条件下进行；排除结合水时应使收缩作用尽量不诱以弓形翘曲、瓦形弯曲和扭曲等缺陷。这个干燥过程只能在合理的时间中完成。木材干燥的目标是：较短的干燥时间；低的干燥费用；均匀的干燥质量；控制干燥过程，使之每天24小时，每周7天都在控制条件下运转；较好的安全操作，较高的经济效益。人工和半自动控制有很多不稳定的因素，对工厂管理来说，最理想的是对过程加以控制。目前全自动控制系统可由自动控制器或计算机控制器来完成，这些控制器都是按自动控制原理研制而成。根据定义，自动控制是在动态条件下，以检测现有的数值和要求的数值相比较。并用此差异值来促使其补偿，以达到自动控制。 典型的全自动控制过程的原理图如图1-1所示，干燥过程中个检测数值都与控制器的要求值相比较。然后，控制器调节控制元件来补偿室内各种虚控制的因素使干燥得以继续进行。木材含水率加热器喷淋器风机室内空气湿度室内空气温度木材干燥木材含水率湿度温度控制元件 被控因素给定因素 测量因素过程图1-1全自动控制过程原理图2.3系统的总体设计方案2.3.1基于单片机的整体设计方案木材干燥自动监控系统的核心之一就是利用计算机，在木材干燥过程中对其所采集的各种实时参数进行计算分析，并与基准数据进行比较判断，然后发出指令，自动打开或关闭有关阀门，实现对干燥室内环境的实时监控、检测，保证在不出现任何缺陷的情况下，以最短的干燥周期，最低的能耗和最佳的干燥质量达到干燥木材的最终要求。基于单片机的木材监控系统可工作在单机和联机两种状态，在单机状态下能独立完成干燥检测和控制任务，在联机状态下除能完成单机状态下的任务之外，还可以定时将数据上传到上位机。系统设计方案如图1-2所示。图中，温度、湿度、含水率传感器信号，通过ad转换器送给51单片机，单片机进行处理运算，一方面通过串行口送入计算机进行实时监测，另一方面，将处理数据分别送给风机、喷淋装置、报警装置等，从而实现对木材含水率的控制。温度传感器湿度传感器含水率传感器ad转换器51单片机计算机风机喷淋装置报警装置图1-2基于单片机的整体设计框图2.3.2基于plc的整体设计方案系统完成干燥室内温度，湿度，木材含水率，木材含水率的测定，的计算，并将其与给定值温度、湿度、木材含水率相比较，以控制加热、喷淋、排气及通风，完成加热、预热，干燥，调湿，冷却工艺过程，以控制木材的自动干燥。干燥过程分为四个阶段进行(l)预热阶段:根据所需干燥的锯材的具体要求厚度选定最终含水率设定值，并设置温度t，开始加热。当t达到设定值时，保持干燥室内的温度一段时间，使木材热透。(2)干燥阶段:用pid算法控制加热、吹风来使温度控制在一个固定值左右，对木材进行干燥。(3)终了处理:木材含水率干燥至设定的终含水率fmc时，干燥阶段结束，进行终了处理。(4)冷却阶段:打开进排气道，风机转动，使室内温度冷却。可编程序控制器报警器加热装置喷淋装置风机温度传感器湿度传感器上位机含水率传感器木材干燥过程中，plc作为下位机要实现数据采集、数据分析、控制干燥设备的功能，在此过程中采集的信号为模拟信号,利用传感器采集温度、湿度以及木材含水率信号，经由plc处理后，输出数字信号控制报警、加热、喷淋以及吹风功能框图如图1-3所示图1-3基于plc的整体设计框图图中，温度、湿度、含水率传感器信号直接送给plc，plc进行数据处理运算，一方面送入计算机进行实时监测，另一方面，将处理数据分别送给风机、喷淋装置、报警装置等，从而实现对木材含水率的控制。由于plc相对于单片机，性能更稳定，工作更可靠，所以，本设计选用基于plc的木材监控系统。3虚拟仪器综述3.1虚拟仪器简介 虚拟仪器是基于计算机的仪器。简单的说，虚拟仪器就是在通用计算机上加上软件和（或）硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台他自己设计的专用的电子仪器。 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入/输出，软件才是真格仪器系统的关键，任何一个用户都可以通过改写软件的方法，方便地改变和增减仪器系统的功能，即（软件就是仪器）。虚拟仪器技术的出现打破了传统仪器有厂商定义功能，用户无法改变的固定模式，给了用户一个充分发挥自己才能和想象力的空间。用户可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。同时，虚拟仪器在数据处理、显示、传送等方面的特点，也使用户可以方便地对其进行维护、扩展和升级等。3.2仪器的发展3.2.1仪器的发展随着电子技术的发展，仪器的发展经历了四个时期: （1）第一代仪器：模拟仪器。如指针式万用表、晶体管电压表，它们的基本特征是采用模拟电子技术实现，采用指针显示结果。（2）第二代仪器：数字化仪器 数字化仪器目前相当普及，如数字电压表、频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果。（3）第三代仪器：智能仪器智能仪器内置微处理器，能进行自动测量，具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动。它的全部功能全部都是以硬件（或固化的软件）的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。（4）第四代仪器：虚拟仪器虚拟仪器是现代计算机技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器发展的一个重要方向。从1988年开始，陆续有虚拟仪器产品面市。此后，虚拟仪器产品飞速增加。从仪器的发展历史可以看出，仪器领域已经历了两次技术革命。第一次仪器革命是由于数字电子技术的发展引起的，使仪器形态进入了数字化仪器时代；第二次仪器革命是由于微处理器的大量应用引起的，使仪器形态进入了智能仪器时代。目前，仪器领域正在进行第三次仪器革命，这次革命是由通用计算机硬软件技术的进步引起的，这次仪器革命将使仪器形态进入第四个时期：虚拟仪器时代。 3.2.2虚拟仪器的发展虚拟仪器的起源可以追朔到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。pc机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在microsoft公司的windows诞生之前，ni公司已经在macintosh计算机上推出了labview2.0以前的版本。对虚拟仪器和labview长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟，体现了计算机技术对传统工业的革命。大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又可以说是同步进行的。 第一阶段，利用计算机增强传统仪器的功能。由于gpib总线标准的确立，计算机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过gpib和rs-232同计算机连接起来，用户就可以用计算机控制仪器。随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机控制测控仪器成为一种趋势。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。 第二阶段，开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入式计算机数据处理卡 ( plug-in pc-daq )；二是vxi仪器总线标准的确立。这些新的技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。第三阶段，虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。许多行业标准在硬件和软件领域以产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。发展到这一阶段，人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。3.3虚拟仪器的构成与传统一起一样，虚拟仪器同样被划分为数据采集与控制、数据分析处理、结果表达3大功能模块，如图3-1所示。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源和仪器硬件的测试能力结合起来，实现了仪器的功能运作。 图3-1虚拟仪器功能模块 虚拟仪器用各种图表控件来虚拟传统仪器面板上的各种器件。有各种开关图表来实现仪器电源的通断；有各种按钮图标来设置被测信号的“放大倍数”、“通道”等参数；由各种显示控件以数值或波形的方式显示测量或分析结果；由计算机的鼠标和键盘操作来模拟传感器面板上的时间操作；用图形化的语言编程，实现各种信号的测量和数据分析。 虚拟仪器由硬件平台和应用软件两大部分构成。下边将从硬件和软件两个方面来介绍虚拟仪器的工作原理及具体构成。 虚拟仪器的组成如图3-2所示图3-2虚拟仪器的组成3.3.1硬件平台 虚拟仪器的硬件平台由计算机和i/0接口设备组成，计算机是硬件平台的核心，一般是工作站，也可用普通的pc。i/o接口设备负责信号的采集、调整、放大、模/数转换。常用的i/o接口设备有以下五种：（1） pc-daq接口。 pc-daq接口采用计算机本身的pci总线或isa总线，将数据采集卡（daq），包括信号调整电路，插入计算机主板的空槽中即可。（2） gpib接口。gpib接口采用gpib标准总线连接仪器与计算机。（3） vxi接口。vxi接口采用vxi标准总线连接仪器与计算机。（4） pxi接口。pxi接口采用pxi标准总线连接仪器与计算机。（5） 串行接口。串行接口采用serial标准总线连接仪器与计算机。以上5种接口中pc-daq接口是最基本、最常用的接口方式。3.3.2软件平台虚拟仪器软件将可选硬件（如daq、gpib、rs-232、vxi、pxi）和可以重复使用的源码库函数等软件结合起来，实现模块间的通信、定时与触发，源码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减软件模块，以满足现有系统的测试要求。虚拟仪器软件包括应用程序和i/o接口设备驱动程序。应用程序又由实现虚拟仪器前面板功能的软件程序和定义测试功能流程图的软件程序两部分构成。i/o接口设备驱动程序实现对特定外部硬件设备的控制。3.4虚拟仪器g语言的特点g语言是一种图形化的程序语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是框图程序或流程图。他尽可能利用技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图表和改变，因此，labview是一个面向终端用户的工具。太及可以增强用户构建工程系统的能力，又提供了实现仪器编程和数据采集的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统功能时，可以大大提高工作效率。g语言是一种通过编程语言，具有同样数据库。他和常规的文本式编程语言一样，定义了数据类型、结构类型和模块调用等规则。利用labview，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位编译器，并且还包括各种常用的程序调试工具，如支持断点设置、单步调试、动态显示程序执行流程、数据变化监视等功能。g语言具有较好的模块化性能。g语言编写的程序被称为vi，有交互式用户接口、数据流程图和图标连接端口构成。一个vi既可以作为独立程序，也可以作为其他程序的子程序。vi作为子程序是被称为subvi。vi和subvi之间的参数传递由图标 连接端口来实现。3.5虚拟仪器的优越性独立的传统仪器，例如示波器和波形发生器，性能强大，但是价格昂贵，且被厂家限定了功能，只能完成一件或几件具体的工作，因此，用户通常都不能够对其加以扩展或自定义其功能。仪器的旋钮和开关、内置电路及用户所能使用的功能对这台仪器来说都是固定的。另外,开发这些仪器还必须要用专门的技术和高成本的元部件，从而使它们身价颇高且很不容易更新。我们不妨把虚拟仪器与传统仪器加以比较，看看各自的特点，比较结果如表31所示。表31 传统仪器与虚拟仪器的比较传统仪器虚拟仪器关键是硬件关键是软件开发与维护的费用高开发与维护的费用低技术更新周期长技术更新周期短价格高价格低，并且可重用性与可配置性强厂商定义仪器功能用户定义功能系统封闭、固定系统开放、灵活,与计算机的进步同步不易与其他设备连接与其他设备极易相连从表31中可见,传统仪器与虚拟仪器最重要的区别在于：虚拟仪器的功能由用户使用时自己定义，而传统仪器的功能是由厂商事先定义好的。从这一意义上讲，那些功能固定的插卡式计算机仪器不能称作虚拟仪器。而且，没有面向科技与工程人员的图形化开发平台就难以涉及虚拟仪器。普通的pc有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了vxi标准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的vxi机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。vxi仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的pxi标准仪器。3.6 labview简介labview (laboratory virtual instrument engineering wokbench实验室虚拟仪器工程平台)的概念,是直观的前面板与流程图式的编程方法的结合,是构建虚拟仪器的理想工具。labview和仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工作, 是简化了而又更易于使用的基于图形化编程语言g的开发环境。前面板是一个传统的仪器概念,而软件前面板其实是自动化的拓展,因为它们保持了传统直观的视觉和感觉效果。同时,软件前面板创建了一个真正的接口,无论用户使用什么类型的硬件,并且,不像硬件前面板,软件前面板只包含了对于一个应用场合很重要的参数,用户能够很容易地从一个单一前面板控制多台,并把整个系统作为一台虚拟仪器来看待。流程图式的程序设计与科技工程人员较为熟悉的数据流和方块图的概念是一致的,而且由于流程图与传统程序设计语言的语法细节无关,构建和测试程序就可以少费时间。使用流程图方法可以实现内部的自我复制,采用前面板、流程图、图标等,用户就对整个系统实现图形化描述,同时,用户还能够重用虚拟仪器,可以随时改变虚拟仪器来满足自己的需要。labview集成了很多仪器硬件库,如gpib/vxi/pxi/基于计算机的仪器、rs232/485协议、插入式数据采集、模拟/数字/计数器/、信号调理、分布式数据采集、图像获取和机器视觉、运动控制、plc/数据日志等。与传统的编程方式相比,使用labview设计虚拟仪器,可以提高效率410倍。同时,利用其模块化和递归方式,用户可以在很短的时间内构建、设计和更改自己的虚拟仪器系统。3.7 labview应用程序构成所有的labview应用程序，即虚拟仪器（vi），它包括前面板（front panel）、流程图（block diagram）以及图标/连结器(icon/connector)三部分。前面板是图形用户界面，也就是vi的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制（control）和显示对象（indicator）。图3-3所示是一个虚拟示波器的前面板。显然，并非简单地画两个控件就可以运行，在前面板后还有一个与之配套的流程图。 图3-3虚拟示波器的前面板流程图提供vi的图形化源程序。在流程图中对vi编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件的连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。图3-3是与图3-4对应的流程图。 图3-4程序框图如果将vi与标准仪器相比较，那么前面板上的东西就是仪器面板上的东西，而流程图上的东西相当于仪器箱内的东西。在许多情况下，使用vi可以仿真标准仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标准仪器相差无几。vi具有层次化和结构化的特征。一个vi可以作为子程序，这里称为子vi（subvi），被其他vi调用。图标与连接器在这里相当于图形化的参数。3.8 用labview设计虚拟仪器的步骤labview编程一般要经过以下几个步骤。 （1）总体设计：根据用户需求，进行vi总体结构设计，确定面板布局与程序流程，并保证所使用的虚拟仪器硬件在labview函数库中有相应的驱动程序。（2）前面板设计：在labview的前面板编辑窗口内，利用工具模板和控件模板进行vi前面板的设计。（3）方框图编程：在labview的方框图编辑窗口内，利用工具模板和函数模板进行方框图编程。（4）程序调试：单击前面板编辑窗口或方框图编辑窗口工具条中的运行按钮，执行vi程序；同时可利用labview工具模板中的断点工具和探针工具调试缩编程序。3.9虚拟仪器的应用 虚拟仪器技术经过十几年的发展,而今正沿着总线与驱动程序标准化、硬/软件模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向进步。以开放式模块化仪器标准为基础的虚拟仪器标准正日趋完善,建立在虚拟仪器技术上的各种先进仪器将会层出不穷。虚拟仪器技术在发达国家的推广应用十分普及,在电子测量领域、过程控制领域,以及与人们的生活息息相关的许多其他领域。在国内,近年来也开始有了利用虚拟仪器实现检测、控制等功能的例子。表3-2 虚拟仪器应用 测试和测量 工业自动化 声学测试 工厂自动化 设备测试 食品加工 ate hmi 自动光学检验(aoi) 实验室自动化 汽车测试 机械控制 生物医学研究 机器视觉 校准 石油和天然气处理 电子测试 制药生产 光纤校准 工业机器人 光学度量和测定 过程自动化 研发 scada 半导体测试 统计流程控制 电讯通信测试 晶片传送手臂 振动测试 由表3-2可以看出，虚拟仪器已经逐渐被应用于人类生活的各个领域。例如：3.9.1在电子实验领域中的应用 虚拟仪器最简单的应用是代替独立的仪器，如示波器、函数发生器、万用表等。用户利用虚拟的函数发生器产生实验所需的激励信号，利用虚拟的示波器测量实验电路对激励信号的响应。两种仪器通过窗口进行切换。函数发生器发生的波形、频率、占空比、幅值、偏置等或示波器的测量通道、标尺比例、时基、极性、触发信号（沿口、电平、类型）等都可用鼠标器或按键进行设置，如同常规仪器一样使用。不过，虚拟器具有更强的分析处理能力，而且，用户重新定义后，它又能变成数字万用表、温度计或频谱分析仪等不同的仪器仪表。 3.9.2在医学领域中的应用 医用泵是用来向病人输液的设备，医务人员通过它还可获得诊断信息，因此，对泵的精度有较高的要求。iec提出了一种较完善的测试标准；（1）测量输液开始后的流速；（2）测定不同时间间隔流速的相对变化，以描述泵的性能。为了简化数据采集和分析，减少测试时间和操作的间断次数，研发人员用虚拟仪器软件labview开发了一套计算机化的自动测试系统。 这套测试系统由电子天平、奔腾pc机、labview软件和连接电缆组成。天平上放一只烧杯，用来收集由泵输送的液体。天平通过其上的rs-232串行口连到pc机的串行口上，进行双向通信。pc机上运行以lab view开发的采集虚拟仪器（采集vi），周期性地询问天平，收集信息。采集到数据后，另一台独立的lab view分析虚拟仪器（分析vi）立即执行分析任务。用天平测得的质量除以液体的密度和测试的持续时间，求得流速（ml/min），并用屏幕面板显示流速随时间的变化。用户通过屏幕能直观地观察到流速的均匀性和输送过程中由于机械响应产生的延迟。通过分析计算，vi面板还显示特定时间间隔内或观察窗上流速的精度。这是用测得的流速减去编程的流速后，除以编程的流速求得的偏差。以这种分析，用户能用观察窗的时间间隔校正输出药物一半的时间，决定这只泵对特定应用是否合适等。 3.9.3在农业中的应用 几年前，美国geomatica，inc.利用虚拟仪器技术开发了一套agrimate自动溉系统，系统中的现场处理器由运于lab view的个人计算机控制（它利用rs-232串行通信口与计算机连接）。现场处理器配置了模拟输入、锁存和继电器板，各种检测器和传感器以星形排列的方式与它相连。lab view图形化用户接口提供给农民一个总的状态面板。这些状态用定做的指示器识别，它们类似农民关心的不同领域，如水箱水位，泵和阀门状态，温度、土壤湿度和性能报警。这些定做的目标能方便地用lab view输入和激励；农民只要监测这个状态面板和简单地注视指示器的颜色，即可监测整个系统。绿色表示系统部件工作正常，红色表示此部件需要注意，屏幕右边的按钮用来研究状态由绿变红的原因。农民以这种面板能够监控水箱水位、阀门位置、泵的状态和土壤湿度等；而修改设定点即可改变灌溉计划；通过监测降雨情况，可使灌溉计划中考虑到额外的水。外加的水、水的用法、水箱水位和降雨情况等都是存储在灌溉数据库文件里的数据。农民能够读出这些数据以与当前月份进行比较；以图形方式显示给定月份的土壤湿润度和外加的水。agrimate产生的制表软件数据库也提供硬拷贝灌溉状态报告。检测到降雨时，这种报告每天或每小时进行修改。lab view使编程变得容易。通过协调，可使所有灌溉都服从本地电力公司的时间使用规定，因为在晚上有利的时间灌溉，能节约50%用泵抽水的费用。现在agrimate已成为当地农民监控水的用法、降低费用的有效工具。 在国内，虚拟仪器也被广泛使用，部分实例如下：（1）数字化激光弹丸速度测量系统，北京鹏博达虚拟仪器公司。（2）基于pxi的军用电池测量系统，北京鹏博达虚拟仪器公司。（3）虚拟仪器在通用仪器综合校准系统中的应用，海军航空工程学院。（4）基于pxi总线仪器的导弹自动测试系统，军械工程学院。（5）pxi总线电子装备故障诊断系统，海军工程大学。（6）基于虚拟仪器的无线电引信动态性能测试系统，军械工程学院。（7）虚拟仪器在航空测试中的应用，海军航空工程学院。（8）虚拟仪器在标准电阻检定中的应用，上海市计量测试研究院。（9）基于pxi总线的多通道瞬态测试记录系统，西北工业大学。（10）在虚拟仪器平台上构建便携式车辆综合测试系统，太原机械学院。（11）基于虚拟仪器的无纸记录仪，马钢股份公司。由上可以看出，虚拟仪器已经深入人心，虚拟仪器是仪器历史上的一次革命。4上位机的设计本设计的上位机设计采用labview7.1，主要实现对现场环境参数的显示功能。4.1主界面的设计 从“开始”菜单中选择程序national instruments labview7.1运行，在计算机屏幕上将出现如图4-1所示的labview对话框图4-1labview对话框在labview对话框中单击new按钮，将弹出如图4-2所示的new对话框图4-2new对话框 在new对话框左边的creat new 区中，显示出属性控件，用语选择新建文档类型。其中，blank vi用于建立一个新程序；vi from template按类型列出labview系统提供的程序模板，用户可以以这些模板为基础，建立自己的程序。选中文档类型后，单击ok按钮，将打开对应的新文档窗口。新文档窗口包括前面板和程序框图两部分，前面板用于数据的图形化显示，程序框图则是程序执行的流程图。分别如图4-3和图4-4所示图4-3前面板图4-4框图程序面板 在前面板上放入温度值显示按钮，湿度值显示按钮，含水率值显示按钮，退出按钮，添加的方式为all controlsclassic controlsclassic booleanlabeled square buttonj将其标签更改为所需名称即可；放入文本框，时钟显示等模块，调整好大小放入合适位置并对界面进行装饰，最终界面如图4-5所示图4-5主显示界面 程序框图的设计如图4-6，系统通过一个while虚幻实现对数据的连续采集，由于主界面是通过按钮的选择来实现对不同数据的选择显示，所以需要一个case选择结构以实现对所需数据的显示图4-6主界面框图程序4.2温度采集子界面的设计图4.2.1温度信号采集 温度采集可根据测试环境的要求采用多种方法，如ad590、ad590、pt100等多种传感器，只需将环境温度的变化转换成不同的电压值即可。在本设计中，使用的是ad590温度传感器。ad590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。其主要特性有： （1）流过器件的电流（ma）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即： 式中：ir-流过器件（ad590）的电流，单位ma； t-热力学温度，单位为k。（2）ad590的测温范围为-55+150。（3）ad590的电源电压范围为4v30v。电源电压可在4v6v范围变化。电流ir变化1ma，相当于温度变化1k。ad590可以承受44v正向电压和20v反向电压，因而器件反接不会被破坏。（4）输出电阻为710mw。（5）精度高，ad590在-55+150范围内，非线性误差仅为0.3. 在实际测量中，将ad590与一电阻串联后，既然在+15电源和地中。电阻的阻值可从1k到10k自由选择，由于ad590是电流输出器件，流入电阻的电流只与环境的温度有关，所以只需要测量出v的电压值初一电阻的电流值就可以得到从ad590流出的电压。 温度采集电压与温度的转换程序 通过温度测量电路中的电压传送到plc，再经plc传输计算机，然后电压初一电阻的阻值得到ad590输出的电流，由于个通道实际介入的电阻的阻值可能不同，所以每个通道的电阻阻值都需要通过实际的测量后叔叔。在根据ad590测量温度的特性，通过labview将电压值转换成温度值。考虑到多通道的重复编程，利用labview生成子vi，具体框图如图4-7所示图4-7温度采集电压与温度转换4.2.2温度采集子界面及框图程序 温度采集子界面如图4-8所示，该界面实现对温度的实时显示及报警，当温度超过限定值时，系统实现报警，报警指示灯亮图4-8温度显示界面