基于虚拟仪器的温湿度监控系统

1、基于虚拟仪器的温湿度监控系统摘要：虚拟仪器具有强大的数据处理能力，并且具备多种仪器设备功能于一体，能够从分享用计算机所有资源，实现普通仪器所不能实现的功能。而且拥有良好的人机设计界面，简单易学，设备集成度高，灵活多变。单片机温度采集系统成本低廉，结构简单，易用性高，通过与LABVIEW 软件结合，变成了一套完善的具备数据采集，数据处理，数据存储电子仪器。具备多功能于一体，小型化，功耗低的特点。关键词：温度传感器；单片机；LabVIEW ；温度采集Abstract: virtual instrument has strong data processing ability, and have m

2、anydifferent instruments from integrates functional, can use computer all share resources,realizing ordinary instrument can realize functions. And have a good human-machinedesign interface, easy to operate, equipment, flexible high level of integration.Single-chip microcomputer temperature acquisiti

3、on system of simple structure, low cost,high, through with usability LABVIEW software combination, into a complete set of perfecthave data acquisition, data processing, data storage electronic instrument. Havemuti_function at an organic whole, miniaturization, low power consumptioncharacteristics.Ke

4、ywords: temperature sensors; SCM; The LabVIEW; Temperature gathering引言随着科学技术的发展，人们在监控与监测生产过程、居住环境、生活质量等过程中，制造了各种各样科学仪器。而传统仪器如模拟式仪器仪表、数字化仪表、内部有微处理器的智能仪器等，其对于用户来说是一个封闭的系统，仪器的面板、旋钮、开关和显示方式，内部电路及仪器所能提供的功能都是固定的，与其他设备的连接也受限制。随着计算机硬件技术、软件技术的不断发展与成熟，全新概念的第四代仪器虚拟仪器出现了。美国国家仪器公司（NI ）已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2

5、.0以前的版本。目前LabVIEW 的最新版本为LabVIEW8.6，LabVIEW 8.6为多线程功能添加了更多特性。虚拟仪器作为一种基于计算机的自动化检测仪器系统，是现代计算机技术和仪器技术完美结合的产物，也是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。它利用加在计算机上的一组软件与仪器模块相连接，以计算机为核心、充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力提供对测量数据的分析和显示。虚拟仪器的构成，如图1.1所示： 所有的图都标注成图1 图2 。而不是图1.1 图2.1 图1.1 虚拟仪器的构成NI 提出的“软件即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的模式，利用虚拟仪

6、器，用户可以很方便地组建自己的自动检测系统。显然，与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下特点：1. 融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。2. 利用计算机丰富的软件资源，实现了部分硬件的软件化，增加了系统的灵活性。通过软件技术和相应数值算法，可以实时、有效地对测试数据进行各种分析与处理。同时，利用图形用户界面技术使得人机交互方便。3. 基于计算机网络技术和接口技术，具有方便、灵活的互联能力，广泛支持各种工业总线的标准。因此，利用VI 技术可方便地构建自动测试系统，实现测量、控制过程的智能化、网络化。1.2 LabVIEW 程序构成与模

7、块简介LabVIEW 的核心是VI （G 语言编写的程序）。该环节包含三个部分：程序前面板(Front Panel、程序框图(Block Diagram和图标/连接端口（Icon/Connector）。1. 前面板 （Front Panel）前面板是程序与用户交流的窗口，用于设置各种输入控制参数和观察输出量。前面板的作用相当于传统仪器的面板，在它上面有用户输入和显示输出两类对象。具体表现为开关、旋钮、拨盘等用户输入的控制对象和图形、图表等显示对象。如图1.2所示的是一个正弦函数产生和显示VI 的前面板，上面有一个显示对象，图形显示控件，以曲线的方式显示了一个正弦波。有两个控件对象，即旋钮和停止

8、键，旋钮用于调节产生的正弦波的幅值，停止/启动按钮用于启动和停止程序的运行。 图1.2正弦波产生和现实2. 程序框图（Block Diagram）每个前面板都有相应的程序框图与之对应。程序框图是VI 的图像化源代码，是实现程序的核心，可以把它想象为传统仪器机箱中用来实现功能的零部件，它可以控制和操纵定义在前面板的输入和输出功能。程序框图由节点、端口和连线等要素组成。图1.3所示的是一个正弦函数产生和显示VI 的程序图（与图1.2相对应）。 图1.3正弦波产生和显示第二章 基于虚拟仪器的数据采集与控制请不要标准成第二章、第三章这种写法2.1基于LabVIEW 的数据采集及存储LabVIEW （L

9、aboratory Virtual Instrument Engineering）是一种开放型的通用程序开发系统，具有强大的数据采集、数据处理、数据分析和仪器控制功能。而数据采集的硬件部分的核心是 ( Data Acquisition-DAQ卡，它和LabVIEW 有很好的接口程序，用LabVIEW 实现数据采集，就是在LabVIEW 中控制各种DAQ 卡(或设备 完成特定的功能，这都离不开DAQ 驱动程序的支持。可以确定初步的设计思路：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、隔离等预处理；数据采集卡采集信号调理电路的电压信号，转换成计算机能处理的数字

10、信号；通过数据采集卡驱动程序，将数字信号读入计算机，计算机对信号进行处理，以达到预期的目的。其中，模块是连接硬件电路与计算机的核心模块，可以将硬件电路的信号采集到计算机。基于虚拟仪器的数据采集程序框图，如图1.1所示： 图1.1 数据采集及储存首先利用DAQ Assistant将信号从硬件采集到软件程序中，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。 图1.2 数据存储数据自动存储模块如图1.2所示。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

11、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。本采集系统与同类的存储系统相比，自动生成保存文件是它的优点，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。2.2 基于虚拟仪器的控制系统2.2.1虚拟仪器与LabVIEW 在控制中的应用虚拟仪器所具有的诸多特点使其早已突破测试领域的范围，在控制领域也得到越来越广泛的

12、使用。随着计算机技术的快速发展，自动控制系统中的控制器功能越来越多的通过计算机来实现，这就组成了典型的计算机控制系统。计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：1. 实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。2. 实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，决定下一步的控制过程。3. 实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。2.2.2基于虚拟仪器的控制系统的结构计算机控制系统的控制过程可分为三个步骤：实时数据采集、实时决策和实时控制，其系统结构可用下图2.1表示。 给定量y图2.1计算机控制结构图基于虚拟仪器的控制系统实际上就是一种计算机控制系统

13、，它以计算机及软件为中心，结合模块化的数据采集及输出硬件，完成控制过程的三个步骤。其中的自动化软件可以是LabVIEW 、Windows 、CVI 等虚拟仪器开发平台。第三章 基于虚拟仪器温湿度监控系统的方案设计本次设计是利用虚拟仪器技术设计了一个适用于农业温室的温湿度测控系统，使用LabVIEW 和数据采集卡相互配合采集温湿度信号并输出控制信号。由于LabVIEW 本身的图形化编程平台，使得本系统的设计较为简单，实现的结果更形象、直观，操作也方便，并且还可以较容易地实现功能增减。3.1 基于虚拟仪器温湿度监控系统. 该设计的设计思想是：由温湿度传感器检测信号，信号被DAQ 采集卡采集，进入计

14、算机虚拟仪器程序，对采集到的温湿度进行判断，当温度不适于农作物生长时，系统报警，可以通过空调、电风扇等工具降温；当湿度不适于农作物生长时，系统报警，通过灌溉或者增加光照等措施，调节湿度。还需对采集到的实时数据进行显示、存储、报警历史记录等功能。如图1.1 所示。 图不清楚，重画图1.1 基于虚拟仪器温湿度监控系统流程框图本系统的组成和其他基于虚拟仪器的系统组成一样，都由系统前面板及与之相对应的程序框图两大部分构成。3.1.1系统前面板前面板由两部分组成：登录界面、实时采集界面。登陆界面可以阻止非操作人员操作系统，只有规定的操作人员可进行相关的操作，这样不仅可以保证系统的安全，同时大大减少由于操

15、作人员的误操作导致的不良后果。登陆界面如图1.2登陆界面所示。 图1.2登陆界面在“用户名”一栏输入与设置相同的内容，在“密码”输入与设置相同的密码，点击“确定”，就可以登陆系统，进行下一步的操作。实时采集部分可以实现采集数据的显示、温湿度上下限的报警、报警历史的记录及清除、热电偶类型的选择等功能。如图1.3所示。 图1.3 实时采集前面板3.1.2程序子模块根据系统预期的目标来分析，可以把系统分成五个模块，如图1.4所示： 图不清楚，重画图1.4 系统组成结构与前面板登陆界面（图1.2）相对应的程序框图（图1.5登陆口程序框图）具体的工作过程是：当操作人员输入用户名与已设定的值相等时，程序向

16、下执行，进入第二个while 结构，输入的密码值与设定值再次相等时，点击确认登陆，系统登陆成功，否则，系统不能登陆。而选项卡使登陆界面与实时采集界面有序的组成一个完整的系统，换句话说，不执行登陆界面的程序，将无法执行实时采集的程序，这大大增加了该系统的安全性、保密性。 图1.5登陆界面程序框图数据采集部分，如框图1.6，可以实现数据采集、显示、存储等功能。由传感器传来的信号由DAQmx 采集卡采集并送到PC 机上，通过示波器可以显示波形，拆分信号模块将信号分成两路，即温度与湿度信号。选择其中一支，再进行拆分，将其中一路信号转换成其他VI 和函数配合使用的数据，波形等进行存储，另一路送往热电偶读

17、数模块，将采集到的信号转换成摄氏度，在前面板显示，最后一路送到比较器，进行上下限的设置。从DAQms 出来的另一路信号（即湿度信号），与温度信号处理的方法相似，唯一不同的是，由于没有转换湿度传感器读数的模块，所以选择比较线性的湿度传感器，在最后转换的时候，将采集到的信号进行简单的数学运算。该部分还有一个重要的功能数据存储。 图1.6数据采集部分实现报警历史记录与删除功能的程序框图，如图1.7所示。本块程序主要是对报警信号的记录，方便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清除。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

18、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。 图1.7 报警记录前面板 图1.8历史报警记录与清除报警清除前面板如图1.7所示，与之相对应的程序框图如图3.8所示。3.2系统程序总图基于虚拟仪器的温湿度控制可以看作是登录模块、采集模块、数据存储模块、报警历史重现模块、报警历史清除模块的有机结合。也就是说，该系统可以实现这些模块所能实现的所有功能，必将这些功能组合在了一起。在熟悉前几章的准备工作后，就可以着手设计该系统。首先，先将登陆口模块放在顺序循环结构

19、中，同时利用选项卡功能使登陆口功能和实现采集相互转换，然后就是核心程序，利用DAQ 实现数据的采集，将数据自动储存到 模块，再利用实现报警历史的清除。最后实现全部功能的程序框图如图2.1所示。图2.1基于虚拟仪器温湿度监控系统的总程序图该系统集合了登录模块、采集模块、数据存储模块、 报警历史重现模块及报警历史清除模块五个模块的所有功能，可以实现系统保密、温湿度采集、报警等监控系统所有的功能。第四章 程序运行和调试4.1 程序的运行当编写完成一个虚拟仪器VI 程序后，若想检验程序是否正确，在前面板和 程序框图工具条上找到运行按钮运行后该按钮变成 ，单击该按钮运行，使程序运行一次，程序 ，程 形状

20、。如果想让程序连续运行，单击连续运行按钮序即可连续运行。停止按钮用于在程序运行中非正常的停止程序运行，在程 用于在程序运行时让程序暂停，单击该序运行后该按钮由暗变亮。暂停按钮按钮，程序暂停，停止当前执行到的地方，停止单击，程序继续运行。4.2程序调试技术1. 找出语法错误若一个VI 程序不能执行，运行按钮会变成一个折断的箭头，这表示该VI 存在错误。单击该折断的箭头或使用菜单命令Windows-Show Error List ，则LabVIEW 弹出错误清单窗口，双击其中任何一个列出的错误，则出错的对象或端口都就会变成高亮。2. 设置程序高亮度运行 单击程序框图工具条上的高亮执行按钮 ，则它变

21、成高亮的形式，单机运行按钮，VI 程序就以较慢的速度运行，并在程序运行中用气泡显示数据沿着连线从一个节点流向另一个节点的情况。这样就可以根据数据的流动状态跟踪程序的执行，再次按下高亮执行按钮，程序回复正常运行。3. 单步执行为查找程序中的逻辑错误，可以让程序框图一个节点一个节点地执行，这就是单步执行。单击工具条的单步执行按钮或，激活单步执行，闪烁的节点 称作单步进入，按钮乘坐单表示该节点准备执行。激活单步执行后，按钮 步跨越。再次按下单步执行按钮，闪烁的节点被执行，下一个将要执行节点变为闪烁。单击4. 断点 断点工具用于使程序在某处暂停执行，以便使用探针或单步方式观察中按钮，结束正在执行的节点

22、。 间结果。用该工具单击希望设置或清除断点的地方，则断点被设置或清除。断点的显示对于节点或者图框表示为红框，对于连线表示为红点。当VI 程序运行到断点处，程序被暂停在将要执行的节点处，以闪烁表示。按下单步按钮，进入单步状态。5. 探针 探针工具用于程序执行时显示流经某一连接线的数据值。用该工具单击希望放置探针的连接线，这时会弹出一个探针显示窗口。通过该窗口，观察流过数据的详细信息。探针结合高亮执行、单步执行和断点等工具可以使程序调试相当迅速、有效。4.3系统的运行1. 硬件设置采用DAQmx 采集卡。双击，打开My System 下拉菜单，右击Date Neighborhood ，选creat

23、e new 指令，选取NI-DAQmx tast ，点击NEXT ，再选取Generate signals的下拉菜单中Analog output的命令，之后选择V oltage ，选择通道，选好后就可以进行设置：系统自动把设备号Device=1;模拟输入AI ：范围-1010V输入图形：Input configuration=res（单端输入）采样率：rate=1000HZ采样点：samples to read=1002. 程序运行由于实验室条件限制，只利用模拟信号调试。首先通过登陆口登陆，进入实时采集部分，系统开始采集数据后，可以在系统前面板设置温湿度的上下限（也可以在系统运行前，进行设置）。按照上面的步骤，进行温湿度监测系统的调试，最终的调试结果如图4.1所示： 图4.1 运行结果结束语本次设计用PCI 6221数据采集卡、PC 机及其I/O接口、热电偶等连接硬件电路，利用LabVIEW 软件实现对温湿度的监控，实现了该系统预计的功能，数据的实时采集、存储、温湿度越限的声光报警及报警历史记录及清除等。经过几个月的学习与实验，本文设计的监控系统基本实现了预期设计的所有功能，但结合当前的技术分析，本监测系统还可以进一步完善。如可以对采集到的信号进行噪声过滤，还可以对采集到的信号进行PID 运算处理，输