基于虚拟仪器的电子秤设计

1、精选文库羀虿蒀袂薃芅螇蒄艿袅葿芀蚅芅羂蚇膅蚈蒈膆螇芄螅蝿肁羃蒇肂蒇芃羀葿羆螆肄羈蕿节螃薁袂羁膃袄蚂芁罿蚃膁螄膂膃莁莀螂莃膇羀膁聿薃荿羇蒅肃螂膁羅蚆荿袀薈罿羈膀袁螈莈蚃螀芈螁腿艿蒈莇袈葿膄蚄膈膅薀莆蚁薂肀衿芇肁蚂莅袆蚄羆蚂芆羇莂莄莄膀袇螈袃蚃蒃芈蒆腿蚀蒈膂袈蒃膄薈膈袆薀肈蚁蒂肀蚁芇蚈蚂羄袆蒁羆蒀芆袄莂羀虿蒀袂薃芅螇蒄艿袅葿芀蚅芅羂蚇膅蚈蒈膆螇芄螅蝿肁羃蒇肂蒇芃羀葿羆螆肄羈蕿节螃薁袂羁膃袄蚂芁罿蚃膁螄膂膃莁莀螂莃膇羀膁聿薃荿羇蒅肃螂膁羅蚆荿袀薈罿羈袁袈莈膄螀膈螁薀艿蚁莇肀葿芇蚄蚂膅袆莆羆薂芆衿莂肁虿莅袂蚄芅蚂蒄羇袅莄芀莄芅袇蚇袃蚈蒃膆蒆芄蚀蝿膂羃蒃肂薈芃袆葿肈螆蒂羈蚁节蚈薁羄羁蒁袄蒀芁袄蚃羀螄蒀膃

2、薃莀螇莃艿羀葿聿蚅荿羂蒅膅螂蒈羅螇荿螅薈肁羈蒇袁蒇莈羀螀羆螁肄艿蕿莇葿蚄膅莆薂衿课程设计说明书（ 2016 /2017 学年第一学期）课程名称：测控系统工程设计题目 ：基于虚拟仪器的电子秤设计专业班级：学生姓名：学号 ：指导教师：设计周数：一周设计成绩：20年月日-精选文库目录绪 论·21、设计的目的32、原始数据和主要任务及技术要求32.1原始数据和主要任务32.2技术要求33、电子称系统的硬件部分简述33.1 实验原理· 33.2 实验步骤· 43.3软件流程43.4数据采集54、电子称系统软件设计54.1用户界面设计54.2框图程序设计64.2.1主控模块

3、64.2.2数据采集模块75、电子称测试系统的调试115.1硬件的安装调试115.2软件的调试115.2.1 U18 数据采集卡115.2.2开启程序145.2.3程序的调试146、总结 147、参考文献 15-精选文库绪论随着人们对电子称测量数据的精确要求越来越高，电子称已成为现实生活中不可缺少的称重仪，即电子称是各行业对物料进行计量或工矿业在生产过程中对物料重量进行各种控制的新一代重量计量器具。作为重量测量仪器，虚拟仪器电子秤在各行各业中开始显现其测量精度高，测量速度快，操作简单易学，可以实时监控的巨大优点，使其已经开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量称，成为测重领域的主流产品 结合压力传感器

4、技术、数据采集技术和虚拟仪器技术开发设计了一种基于 LabVIEW 的虚拟仪器电子秤，该系统采用普通Pc机为主机，利用图形化可视测试软件LabVIEW为软件开发平台，将被测重量转换处理进行数据采集，实时进行处理、显示设备成本低，使用方便灵活，适用于工厂企业和教学。选择 labview 软件是因为 LabVIEW是美国 NationalInstruments( 简称 NI)公司推出的一个图形化软件开发环境，它是一个通用的软件开发平台，其最大优势在于测控系统的开发。它不仅提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分析工具，而且 LabVIEW 程序还很容易和各种数据采集硬件集成，可以和多

5、种主流的工业现场总线通信以及与大多数通用标准的实时数据库链接。这种编程方式强调信号处理的实际过程，编程简单，调试方便。本文的主题是“基于虚拟仪器的电子称设计”，基于labview7.1 express平台编程设计的。主要阐述了硬件电路构成，软件设计的思想和具体实现，系统应用虚拟仪器进行数据采集、处理和显示，从而实现电子称的设计功能，它具有测量精度高、界面友好、 运行稳定可靠、 功能便于扩展。且本文对上述的功能模块逐一进行了分析，并进行了整个测试系统的程序调试与研究。-精选文库1、设计的目的虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，它融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线

6、技术以及图形化软件编程技术于一身，实现了测量测试仪器的集成化、智能化、 多样化及可编程化， 本课程设计的目的旨在帮助学生学习和了解虚拟仪器的原理和开发技术，掌握虚拟仪器软件平台 LabVIEW的主要编程方法及调试技术，并完成相应的电子秤设计。2、原始数据和主要任务及技术要求2.1 原始数据和主要任务了解电阻应变式传感器的工作原理；掌握桥式测量和差动放大电路的工作原理；确定上位机监控系统的控制方案；利用 LabVIEW软件编制上位机监控系统界面，实现电子秤的基本测量功能，建立实时显示曲线，并设定相应的标定系统；对本次课程设计进行总结，撰写课程设计报告。2.2 技术要求设定相应的“零”标定功能系统

7、和两个10 克砝码来标定系统；实现电子秤的基本测量功能，并进行同步动画显示重量； 要求系统操作简单， 使用方便， 满足用户要求； 课程设计报告书写规范，文字通顺，图表清晰，数据完整，结论明确。3、电子称系统的硬件部分简述3.1实验原理 ：1）本实验的压力传感器是电阻应变式传感器，故其电阻变化与电阻的关系如下：RsKssRs其中： K s 为灵敏系数，由金属材料决定；当压力F 在一定范围内时，s以一个常数正比于F。故由压力传感器连接线路及压力传感器的性质，可知电路的 CH2 电压输出与压力传感器上所放置物体的质量近似成线性关系，因而有：m=a*F+b (a,b为常数 )通过测试，可得到经验方程：

8、质量=145*UCH2+502）利用 U18 硬件平台可实现模拟信号的采集输入（A/D 转换）。电阻的变化可通过电桥电路转换为相应的电压信号，因此电压信号与压力( 被测质量 ) 近似成线性关系，由于电桥输出信号较小且会受到外界信号的干扰，因此在电桥输出后需加上放大电路和抗干扰电路。具体硬件电路如图：-精选文库如图所示， 当压力传感器上压力变化时，其电阻也相应发生线性变化，从而压力桥式测量电路输出端电压发生变化，该变化电压通过连接器J2 进入由 LM324 的 U8B、U8C、U8D 组成的差动放大电路进行一级放大，再经过LM324 的 U8A 进行二级放大后在CH2端输出一个与压力成正比的线性

9、电压波形。其中通过调节电位器RX4来改变差动放大倍数，在U8D输出端得到一级放大信号；通过调节电位器RX5 来调节电路对称性，实现对于干扰信号的抑制。3.2实验步骤1）接线：将压力传感器经J2 连接至压力桥式测量电路，将实验板模拟口XS1与采集卡模拟口XS2连接。2）通过调节电位器RX4 来改变差动放大倍数，在U6D 输出端得到一级放大信号；通过调节电位器RX5 来调节电路对称性，实现对干扰信号的抑制。3）最终结果是：在U8A 的输出端得到一个二级放大后的信号，该信号特点是：当压力增大时，该信号曲线显示增大的信息；当压力减小时，该信号曲线幅度也相应应减小。4）通过 LabView 编程来实现电

10、子秤的功能，软件要求有“零”标定功能，即无砝码放入时, 软件认定为 0 克，通过提供的两个20 克的砝码来标定系统。3.3 软件流程-精选文库初始化设备数据采集卡初始化读取采样数据读数据进行处理释放 AD部件是否循环释放设备3.4 数据采集采集卡在设计中的作用将得到的Ucm电压送到数据采集卡中进行数据采集，再通过USB 线将数据送人计算机，由计算机利用软件平台labview进行控制和处理数据采集卡 (DAQ)主要由多路开关、放大器、采样保持器和 A D转换器等组成，它们与定时计数器、总线接口电路等做在一块印刷电路板上，完成对被测信号的采集、放大和模数转换任务。4、电子称系统软件设计4.1 用户

11、界面设计系统用户界面设计图用户界面 ( 前面板 ) 是虚拟仪器的重要组成部分，仪器参数的设置、测试结果显示等功能都是通过软件实现，因此要求软件界面简单直接，便于使用前面板主要由输人控制器(contro1)和输出指示器 (indicate)组成。可通过控制模板和工具模板创建本系统设汁的用户界面主要包括将测量-精选文库的重量用指针和数值显示面板，系统校准和标定( 有 0 g 和 2 个 10 g标定系统 ) 和控制按钮。如图4.2 框图程序设计框图程序相当于程序的源代码， 只有创建了框图程序后， 该程序才能真正运行。其设计主要是对节点、数据端口和连线的设计。本系统采用模块化设计，可将不同测量内容设

12、计成单独的功能模块。各子模块分别完成一定的功能， 在主界面程序或其它的子程序中调用。 各功能模块间的独立性较强，一般都可单独调试、修改和移植。所以整个系统软件层次清晰、易于理解、便于修改、利于开发新功能。主控模块主控模块主要完成对系统的初始化、参数的设定、启动、释放数据采集卡、数据处理等功能程序运行过程分析：1）为了拥有对该设备的控制权在使用设备的一切功能前，我们必须用CreateDevice函数创建一个设备对象句柄hDevice ，如下图函数我们只需要对这个pADPara-精选文库参数结构体的各个成员简单赋值即可实现所有硬件参数和设备状态的初始化。InitDeviceADhDeviceRet

13、urn Boolean Value2）初始化AD部件：pADPara功能：它负责初始化设备对象中的 AD部件 , 为设备操作就绪有关工作 , 如预置 AD采集通道 , 采样频率等 , 然后启动 AD设备开始 AD采集， 随后，我们便可以连续调用 ReadDeviceAD 读取 USB设备上的 AD数据以实现连续采集。注意： 每次在 InitDeviceAD 之后所采集的所有数据， 其第一个点是无效的，必须丢掉，有效数据从第二个点开始返回值： 如果初始化设备对象成功, 则返回 TRUE, 且 AD便被启动。 否则返回FALSE, 用户可用GetLastError捕3）数据处理利用求取的平均值乘以

14、校准时求得b 的数值得到的电压值再加上a 的在校准时得到的数值就实现了称重数据的读取4）根据 while循环变量是否为真来判断是否结束程序，如果为真继续执行，如果为假则推出程序。5）释放设备ReleaseDevicehDeviceReturn Boolean Value功能：释放设备对象所占用的系统资源及设备对象自身。返回值：若成功，则返回TRUE, 否则返回FALSE, 用户可以用GetLastError捕获错误码。应注意的是，CreateDevice必须和ReleaseDevice函数一一对应，即当您执行了一次CreateDevice ，再一次执行这些函数前，必须执行一次ReleaseDe

15、vice函数，以释放由CreateDevice占用的系统软硬件资源，如系统内存等。只有这样，当您再次调用CreateDevice函数时，那些软硬件资源才可被再次使用。数据采集模块LabVIEW的数据采集（ Data Acquisition）程序库包括了许多NI公司数据采集（DAQ）卡的驱动控制程序。通常，一块卡可以完成多种功能-模 / 数转换，数 / 模转换，数字量输入/ 输出，以及计数器 / 定时器操作等。 用户在使用之前必须DAQ卡的硬件进行配置。这些控制程序用到了许多低层的 DAQ驱动程序。 本课程需要一块安装好的DAQ卡以及 LabVIEW开发系统。本次设计中数据采集模块主要完成模拟量

16、与数字量的相互转换，实现数据的采集测量。-精选文库图中数组为初始化数组，0 为初始值 0，每次执行完后按下按钮数组自动恢复初始值，并依次循环，直到程序结束，10 表示数组长度为了提高读取速率，根据特定要求，其长度必须指定为 32 字的整数倍长，如32、 64、128 8192 等字长，否则，USB设备对象将失败该读操作。为创建一个 ID 设备对象句柄，并返回设备对象句柄；函数可以使用创建句柄以初始化设备的AD部件并启动 AD设备；0 22参数：创建了设备对象句柄后，便可用函数初始化 AD部件，关于采样通道、频率等的参数的设置都是由这个函数的参数结构体决定的，对这个参数结构体的各个成员简单赋值0

17、，2，2。即可实现所有硬件参数和设备状态的初始化，然后这个函数启动AD设备反复读取 AD数据以实现连续不间断采样。（注：虽然主要面对批量读取，高速连续采集而设计，但亦可用它以少量点如 32个点读取 AD数据，以满足慢速采集需要由于参数需要的是返回值，所以需要实现对AD设备的关闭；关闭 AD设备后，便可得到相应的数据（但设备对象句柄依然存在）。数组：要使用这个数组，根据LabView 的特点，应分配一个16 字节的内存单元，每一个字节的内存单元对应相应位置上的开关量输入状态。要使用这些状态，根据得到DI 数据，将存放实际的当前开关量状态的内存单元用Index Array数组操作控件将其每一路开关

18、量状态分离出来，即可确定每一路开关输入状态。详见开关量输入输出LabView 演示部分。数组的功能主要实现对数组内容的替换，将得到的电压值输出从而实现对数据的采集；校准标定模块-精选文库校准标定模块主要是对系统进行校准和标定模块如下：图中为 while循环结构， i 为循环变量，右下端则为条件端子；如上图用 0 克砝码，既无法码放入时，软件认定为0 克进行校准，即U0=0g;为分支结构图：Case, 其中？表示条件端子，False 表示子程序标识，当按下0 克砝码按钮时，子程序标识为Ture, 代表真说明校准成功；如上图用 20 克砝码来标定系统时程序进行前的条件端子，即U20=20g;为分支

19、结构图：Case, 其中？表示条件端子，False 表示子程序标识，当按下2O克砝码按钮时 , ，子程序表示为Ture ，代表真说明校准成功；：如上图为延时计时器，且延时时间为2 秒；-精选文库如上图校准是程序性进行前的条件端子；为 20 克；是的一个局部变量；是的一个局部变量；为 b 的输出值；为 a 的输出值。根据流程图和程序代码，我们对校准标定模块进行如下分析：将标定数值20 克除以两个局部变量的电压差即U20 减去 UO得到数值b, 表达式为20/（ 20-0 ）=1g;0 减去乘以 b 的值得到数值a, 表达式为0-U0* b=a;根据经验方程：m=b*f+a 得 a=145g数据处

20、理模块的功能主要对采集数据输出的电压值求取平均数；的局部变量；的局部变量数组实现的是元素的输出；和是数据采集输出的两种方式其实现功能是用所得平均值乘以变量b 值将得到的电压值加上变量a 值，从而实现数据的输出。 当按下时表示 while循环结束；把以上的各个加以模块综合就可以得到Labview 完整的电子称设计流程图如下：-精选文库5、电子称测试系统的调试5.1 硬件的安装调试在调试时， 我们用一台可调稳压电压源来模拟压力传感器的输出电压信号。把数据采集卡插到计算机主板上， 从采集卡端子盒的输入端子引出两根导线分别与稳压电源的正负电极相连接，再从采集卡端子盒的输出端子引出两根导线分别与继电器的

21、输入端正负极相连接，具体实验步骤如下：1）接线：将压力传感器经J2 连接至压力桥式测量电路，将实验板模拟口XS1与采集卡模拟口XS2连接。2）通过调节电位器RX4 来改变差动放大倍数，在U6D 输出端得到一级放大信号；通过调节电位器 RX5 来调节电路对称性，实现对干扰信号的抑制。3）最终结果是：在U8A 的输出端得到一个二级放大后的信号，该信号特点是：当压力增大时，该信号曲线显示增大的信息；当压力减小时，该信号曲线幅度也相应应减小。4）通过 LabView 编程来实现电子秤的功能，软件要求有“零”标定功能，即无砝码放入时, 软件认定为 0克，通过提供的两个20克的砝码来标定系统。阻值来观察继

22、电器的离合。在软件环境下编程实现数据的采集和测试。5.2 软件的调试认真的进行软件调试是软件设计至关重要的环节，正是在一次次的调试过程中不断的改进程序，是程序越来越完善。每次程序的调试过程一般可分为几个步骤进行。数据采集卡-精选文库U18模板是 USB总线兼容的数据采集板，可经USB电缆接入计算机，构成实验室、产品质量检验中心、特别是野外测控、医疗设备等领域的数据采集、波形分析和处理系统，也可构成工业生产过程控制监控系统。而且它具有体积小，即插即用等特点，因此是便携式系统用户的最佳选择。U18 板上设计有 12Bit 分辨率的 A/D转换器和 D/A转换器，提供了 16路单端或 8路双端的模拟

23、输入通道和 4路 D/A输出通道， A/D转换器输入信号范围 : ± 5V、± 10V、0 10V，D/A转换器输入信号范围 :0 5V、0 10V、± 5V、± 10V。16路开关量输入，16路开关量输出且均能上电清零。使用本卡时最好通过板卡上 EX_VCC插座接上外接电源。如本卡不能正常工作，必须接上外接电源。注：使用外接电源时，应先接外接电源，后接USB电缆。拔掉时先拔USB电缆，后拔外接电源。模拟信号输入部分：模拟通道输入数 : 16 路单端或 8 路双端输入；模拟输入阻抗 :100M；模拟输入电压范围：± 5V、± 10V、

24、0 10V；模拟输入共模电压范围： >±2V；放大器建立时间： 2Us ；放大器增益 G与电阻 RG的运算关系为： G 1 50K?/R G放大器增益与电阻RG的对应关系如下表所示：增益RG(? )最接近的阻值（1%的精度） RG(? )1空空250.00K49.9K512.50K12.4K105.556K5.62K202.632K2.61K501.02K1.02K100505.1511200251.3249500100.2100100050.0549.9200025.0124.9500010.009.88100005.0014.94-精选文库A/D 转换电路部分：A/D分辨率

25、： 12Bit(4096)非线性误差：±1LSB(最大 )转换时间： 10us 系统测量精度：0.1%D/A 转换电路部分：输出通道数： 4路；模拟输出电压范围：0 5V、 0 10V、± 5V、± 10V；D/A分辨率： 12Bit(4096)；非线性误差：±1LIB( 最大 ) ；D/A输出精度 ( 满量程 ) ：± 1LIB ；建立时间： 10S(0.01% 精度 ) ；输出阻抗： 0.2 ；开关量输入输出部分：16 路数字量输入、 16 路数字量输出经过 50 脚扁平电缆插座 XS2 引出。数字端口满足标准TTL电气特性：输入 TTL

26、电平，吸入电流小于0.5 毫安。输出 TTL 电平，最大下拉电流20mA,上拉电流 2.6 毫安。数字量输入最低的高电平：2V；数字量输入最高的低电平：0.8V数字量输出最低的高电平：3.4V ；数字量输入最高的低电平：0.5VA/D 采样率 ：A/D采样通过率：100KHzU18板主要由模 / 数转换 (A/D) 电路、数 / 模转换 (D/A) 电路、USB总线接口电路等部分电路的组合，力求满足用户各种用途的需求。主要元件位置图、信号输入插座和开关量管脚定义图为 U28板的主要跳线位置图，此位置图上跳线设置为出厂标准设置。设置为：单端输入方式，模拟输入范围± 5V，模拟输出范围&

27、#177;5V。XS1:模拟信号输入 / 输出引线插座XS2：开关量输入/ 输出及 8254接口引线插座-精选文库USB T： USB总线连接插座RP5： 4路 DA输出电压零点调整电位器RP1 ： DA0输出电压满度调整电位器RP2： DA1输出电压满度调整电位器RP3 ： DA2输出电压满度调整电位器RP4： DA3输出电压满度调整电位器RP8 ： A/D电路单极性零点调整电位器RP7： A/D电路双极性零点调整电位器RP6 ： A/D电路满度调整电位器XF1、 XF5：模拟电压输入单端、双端选择XF9 、 XF10：模拟电压输入量程选择XF7、 XF8：D/A 输出极性选择XF1 、 XF2、 XF3、 XF4：D/A 输出量程选择开启程序在开启程序前，先将各个设计好的子VI 与主程序放在同一个文件夹下，以方便程序调用。在这个软件系统中，我们设计了一个主程序与 3 个子 VI ， 3 个子 VI 分别为“校准”子 VI 、“数据采集”子 VI 、“数据输出”子 VI 。开启程序，我们可以直接双击主程序图标，这时，可以看到，它会把主程序所用到的各个