基于虚拟仪器的温湿度测控系统设计毕业论文.doc

学号：2010040211083 密级: 武汉东湖学院本科毕业论文基于虚拟仪器的温湿度测控系统设计 院（系）名称：机电工程学院 专业名称：电气工程及其自动化 学生姓名： 指导老师：二O一四年五月BACHELORS DEGREE THESIS OF DONG HU COLLEGE OF WUHAN UNIVERSITYTEMPERATURE AND HUMIDITY MEASUREMENT AND CONTROL SYSTEM DESIGN BASED ON VIRTUAL INSTRUMENT College : Mechanical and electrical engineering collegeSubject : Electrical Engineering And AutomationName : Directed by: May 2014郑 重 声 明本人呈交的学位论文是由本人在导师的精心指导下，独立学习、研究、设计出来的成果，论文中的所有文字、数据、图片资料、表格真实可靠，都由本人亲自撰写。据本人所知，论文中除文中已经注明引用的内容外，不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，都已经在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。 本人签名： 日 期： 摘要随着计算机技术快速发展和普及，现代测控技术水平也逐步提高中，为了满足不同领域的测控要求，传统的温湿度测控仪器早已不能完全胜任现代温湿度测控领域的技术要求，因此对温湿度测控技术的迫切提升也是现今温湿度测控技术领域中的一大新课题。在现代温湿度测控领域中，基于虚拟仪器的温湿度测控技术是目前最为流行、应用最为广泛的一项基于计算机的技术发展而来的测控技术。基于虚拟仪器的温湿度测控系统通过用户自己定义来设计满足自己需要的产品，从而应用广泛，更为突出的是，虚拟仪器的温湿度测控技术可以突破传统温湿度测量仪器的数据分析、处理、表达、传递和存储等方面的限制，从而具备传统温湿度测量仪器无法具备的功能。鉴于虚拟仪器这门技术编程容易、可操作性强、易于实现等优点，设计一个基于虚拟仪器的温湿度测控系统，用来实现对农业大棚、培养箱等模拟环境中的温度值和湿度值的实时测量，并还能实现对测控对象的中的温湿度实时曲线显示，还能实现温湿度超限报警指示和采集的温湿度的最大值、最小值、平均值的统计。关键词:温湿度的测量;温湿度的报警;虚拟仪器ABSTRACTAlong with the computer technology rapid development and popularization, the modern measurement and control technology has also improved, in order to meet the requirements of different areas of measurement and control, the traditional temperature and humidity measurement and control instruments already qualified in the field of temperature and humidity measurement and control technology cannot be completely, so urgent promotion of temperature and humidity measurement and control technology is nowadays a new topic in the field of temperature and humidity measurement and control technology.In the modern field of temperature and humidity measurement and control, temperature and humidity measurement and control based on virtual instrument technology is currently the most popular, the most widely used a computer-based technology development of measurement and control technology.Temperature and humidity measurement and control system based on virtual instrument by the users own definition to design products to satisfy his needs, which is more outstanding, widely used for temperature and humidity measurement and control technology of virtual instrument can break through the traditional temperature and humidity measuring instrument of data analysis, processing, expression, transfer and storage, etc, which have the function of the traditional temperature and humidity measuring instrument.In view of the virtual instrument technology programming easily, strong operability, the advantages of easy to implement, to design a temperature and humidity measurement and control system based on virtual instrument, used to implement the simulation environment, such as agricultural greenhouses, incubator temperature and humidity in the value of real time measurement, and also can realize real time curve display object for measurement and control of temperature and humidity, temperature and humidity can also realize transfinite alarm indicator and the temperature and humidity of the acquisition of maximum, minimum, average statistics.Keywords：Temperature and humidity, virtual instrumentI目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1选题的背景与意义11.1.1选题的背景11.1.2选题的意义11.2国内外的研究现状与发展趋势11.2.1国内外的研究现状11.2.2发展趋势11.3选题的目的21.4本设计的研究内容3第2章虚拟仪器LABVIEW42.1虚拟仪器的概念42.2虚拟仪器的构成与特点42.2.1虚拟仪器的构成42.2.2虚拟仪器的特点52.3 LabVIEW概述5第3章测控系统的总体设计63.1测控系统的技术指标63.1.1温度测量63.2.1湿度测量63.2测控系统的设计原理63.3测控系统的功能63.4测控系统的总体结构框架图7第4章测控系统的硬件设计84.1温度传感器的选择84.2湿度传感器的选择94.3信号调理电路94.4数据采集卡104.5系统硬件原理图10第5章测控系统的软件设计115.1前面板设计115.2 程序图设计12第6章测控系统的调试146.1温、湿度测量值的读取及其相应曲线的绘制146.2温、湿度最大值、最小值、平均值的统计146.3温、湿度的超限报警及上、下限值的设置15结论19参考文献20致谢21第1章 绪论1.1选题的背景与意义1.1.1选题的背景 伴随着现代检测技术的发展，以虚拟仪器软件LabVIEW为平台的测控技术也在检测技术领域中占有重要的地位。因此基于虚拟仪器的温湿度测控系统成为了测控系统的一大新课题。以前的测控系统的实现大都是采用仪器仪表来实现的，将软件应用到测试领域中还不是很多，并且所用到的软件大部分是固化的，一般由厂家来定义、设置，其功能和功能用户是无法更改的，所以早已不能满足有些检测技术领域的要求。然而基于虚拟仪器的测控系统不但满足传统仪器所不能达到的要求外，还能在检测方面提高了效率与精确度，不仅易于实现，还便于硬件维修、功能扩展、软件升级。1.1.2选题的意义日常生活中的很多方面都与湿度和温度息息相关。农业领域中，农作物的生长需要适宜的温度与湿度；贵重书籍的存放不但需要适宜的温度，还也不能处于一定的湿度之中；烟花鞭炮仓库中的成品既不能受潮，也不能太干燥，受潮后影响产品的质量，太干燥则会引发爆炸，造成严重的后果；科研领域中的培养箱也离不开温度与湿度这些参数。温度和湿度在社会的方方面面中都是不可或缺的技术参数。因此，对温湿度的测控显得十分重要。1.2国内外的研究现状与发展趋势1.2.1国内外的研究现状基于虚拟仪器的测控技术最早来源于国外，因此国外对这门技术的研究早已成熟。该技术最早形成于20世纪70年代，原先测量采用的是模拟式的组合仪表，利用收集到的现场信息来实现指示、记录、控制。后来随着技术的发展，在这基础上出现了由计算机技术与多种基础学科紧密结合的现代仪器仪表技术，这些技术冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用更是发生了质的变化，正是在这种背景下美国国家仪器公司提出了虚拟仪器这一名词。美国作为虚拟仪器的诞生国家，也是全球最大的虚拟仪器制造国，在国际市场上竞争优势是十分明显的，其生产研发的虚拟仪器设备种类丰富，技术上达到前所未有的水平。随着社会发展的需要，这种技术在全球也跟着得以发展，并逐渐达到成熟，形成一种新的产业。我国虚拟仪器技术是从外国引进，在这方面的研究稍微晚些，通过多年的学习与研究，我国的虚拟仪器技术也逐渐成熟，开始形成了我们自己国家特色的产品，随着社会经济的发展以及科学技术的提高，虚拟仪器技术也正朝着满足社会需要的方向发展，开始形成具备多种测控功能的测控技术。伴随着计算机技术的应用与发展，虚拟仪器也正快步发展着，逐渐进入广大人们的视眼中，在人们的生产生活着扮演着重要角色。我国的虚拟仪器技术还有很大的研发潜力与广阔的市场空间。1.2.2发展趋势 温湿度测控系统主要用于检测和监督相应测控环境的的温度和湿度。对于温度传感器，早期的温度检测主要采用仪器仪表来实现检测功能，传统的仪器仪表检测装置仅满足于相应的检测对象，测控范围不是很广泛，大部分是以温度计、接触器控制仪表等形式出现，其测量误差大，测控效果不是很理想，随着计算机技术以及工业技术的不断发展，开始出现PID控制、模糊控制等先进的温度测控方式，打破了传统测量装置的低精确度、低速度的缺陷；对于湿度传感器，初期的测量仅限满足于工作的需要，出现了诸如毛发湿度计，干湿球湿度计等测量仪表，随着高空探测技术的发展以及生产和科研对湿度测量要求的提高，特别是微型电子计算机在各种自动控制系统中的广泛应用，湿度的测量也逐渐实现了自动化和智能化。目前基于虚拟仪器的温湿度测控方面的发展是十分迅速的，在国内外也已得到广泛应用，基本技术也已经成熟，逐渐替换传统的测量技术。伴随着工业技术的不断发展，基于虚拟仪器的温湿度测控系统也会越来越受行业的欢迎，在测量领域中占有重要的一席之地。1.3选题的目的 随着网络技术和计算机技术的发展与普及，科学和工业生产等领域也开始对测控系统的技术要求越来越高，基于虚拟仪器的测试系统在实现系统自动化以及网络化方面与传统的测控系统相比有着突出的优势。温湿度测量、控制、监测、分析已经成为比较普遍的技术要求，温度、湿度是现代生活、农业研究等领域中的十分重要的参数。由于传统测量仪器在测量方面有着不足与缺陷，为了更好的实现对所测系统的温度、湿度的准确测定与控制，故以目前先进的测控技术-虚拟仪器技术，开发一套温湿度测控系统，实现利用计算机实时与远程测量与控制所测系统的温度与湿度，实现智能化。1.4本设计的研究内容本论文以选择合适的传感器进行温度和湿度参数的检测，进行传感器相关电路的设计，并将检测到的信号送到计算机，在计算机上将此信号进行显示，通过参数整定使其正确反映所测温度值和湿度值，利用LABVIEW软件在PC上设计温湿度采集的监控界面, 能实现对农业大棚、粮食仓库、培养箱等模型环境中的温度湿度参数进行测量和控制。第2章 虚拟仪器LabVIEW2.1虚拟仪器的概念 虚拟仪器这一名词最早出现在美国，是美国的国家仪器公司于1986年率先提出，这标志着虚拟仪器这门技术开始进入人们的应用中，人们开始接触虚拟仪器这门技术，应用虚拟仪器技术设计产品从此开始迈入人们的视眼中。 由于虚拟仪器的历程不是很久，人们对虚拟仪器这门技术有着不同的见识，从而导致了虚拟仪器技术至今还得不到完整的一个定义。在虚拟仪器这门技术中，操作人员通过虚拟仪器的软件将计算机中的微处理器、内存、显示器等相关硬件部分与仪器硬件资源相结合起来，从而实现在计算机中通过虚拟仪器中的软件平台编辑语言控制系统对仪器的运行进行控制，达到对被测量对象的采集、分析、判断、显示、存储以及数据生成等目的。2.2虚拟仪器系统的构成与特点2.2.1虚拟仪器系统的构成 虚拟仪器系统一般由被测对象、传感器、硬件接口、计算机、网络这五点构成。其基本框图如下所示： 总 线 仪 器网络网络 接 口 仪 器GPIB总线仪器GPIB电缆GPIB接口卡VXI总线仪器VXI电缆VXI接口卡PXI总线仪器PXI电缆PXI接口卡被测量对象被测对象传感器传感器计算机及其软件信号调理数据采集卡图2.1 虚拟仪器系统的构成2.2.2虚拟仪器的特点 虚拟仪器由于使用图形化的编辑语言，所以其操作简单，用户可以根据自己的需要来设计产品。由于采用的是软件来实现测量功能，故其技术更新的周期较短，开发维护费用较低，系统升级比较方便。两者的区别如下图所示：表2.1 虚拟仪器与传统仪器的特点传统仪器虚拟仪器仪器功能由厂商定义仪器功能由用户定义硬件是核心软件是核心开发以及维护的费用高开发以及维护的费用低封闭、发展滞后开放、灵活，发展迅速技术更新的周期长技术更新的周期短（1到2年）功能有限功能不受限制价格昂贵价格便宜，可复用，可重配置性强2.3 LabVIEW概述 虚拟仪器LabVIEW是虚拟仪器技术中的一款设计软件，在虚拟仪器技术中，测控系统的设计都是在这款软件中完成。在虚拟仪器提供的环境中，设计者可以设计自己想要的产品。由于虚拟仪器中的LabVIEW采用的是图形化编程语言，用户可以根据自己的需要选择相应的图形化程序，再结合一定的函数、输入控件、显示控件来实现组建测控系统的目的。LabVIEW的编程由前面板、程序图组成。前面板是图形化的设计界面，类似传统仪器的仪器面板，与传统仪器的面板的功能相同，传统仪器的面板通过上面的按钮来实现测量功能，LabVIEW设计的前面板通过键盘、鼠标来实现测量功能。程序框图是虚拟仪器设计的核心部分，在这程序图中，测控功能的设计都是在这上面完成，选择好相应的程序后，通过连线将这些不同的程序连接起来，完成测控系统的软件设计，程序图上的有些部分不在前面板上显示，只能在程序图中来进行选择与设计。第3章 测控系统的总体设计3.1测控系统技术指标3.1.1温度的测量1、有两个以上的温度检测点；2、检测误差为正负0.5摄氏度；3、温度超限报警范围：-10摄氏度至70摄氏度；4、超限报警指示；5、程序运行中设置超限报警上、下限值；6、温度信息的实时采集和温度的实时、远程控制；7、对所采集的温度值进行测量和实时显示；8、对温度值进行连续读取以及绘制温度实时变化曲线；9、统计3个温度采集点的温度的最大值、最小值、平均值。3.1.2湿度的测量1、有两个以上的湿度检测点；2、检测误差为正负3%RH；3、湿度超限报警范围：5%RH至98%RH；4、具备湿度超限报警指示功能；5、能在程序运行中设置湿度超限报警上、下限值；6、湿度信息采集以及实时、远程控制；7、能对所采集的湿度进行实时测量显示；8、对湿度值连续读取以及绘制湿度实时变化曲线；9、对3个湿度检测点的湿度的最大值、最小值、平均值进行统计。3.2测控系统的设计原理 温湿度传感器将测控系统的物理信号转换为相应的电信号，电信号则传送给信号调理电路，信号调理电路对信号进行放大、调理等处理，经过处理的信号则通过数据采集卡，数据采集卡对接收到的的数据进行采集，通过相应的总线与计算机相联系，在计算机上面的图形温湿度监控界面上，实现对温湿度数据的测量显示以及温湿度实时曲线的绘制，计算机与单片机系统相联系，发出相应的指令传送给单片机系统，单片机系统则执行相应的指令功能，实现温湿度超限报警指示以及外部存储等功能。3.3测控系统功能 温度传感器：在测控系统中，对环境中的温度信号进行接收，将其物理转换为电信号的形式输出。湿度传感器：在测控系统中，对环境中的湿度信号进行接收，将其物理信号转换为电信号的形式输出。信号调理电路：对传感器传来的电信号进行放大、斩波等处理，使其信号适用于数据采集卡的数据采集，便于实现测控系统的数据采集。数据采集卡：通过LabVIEW软件，在计算机上安装相应的DAQ硬件驱动，实现计算机通过数据采集卡实现对测量环境中的温度、湿度的数据采集。计算机（LabVIEW）软件：在LabVIEW软件开发的平台下，设计温湿度采集监控界面，实现对农业大棚、培养箱等模拟环境中的温度参数和湿度参数的测量与控制。3.4测控系统的总体结构框架图本测控系统的组成如图3.2所示。测控对象中的温度传感器、湿度传感器接收被测对象中的温度、湿度信号，将接收到的信号通过信号调理电路处理，处理后的信号则通过数据采集卡实现数据的采集，传送给计算机，计算机通过虚拟仪器软件实现温、湿度的数据读取以及显示，显示相应的温湿度曲线，从而具备数据处理、存储、报表打印的功能，通过网络来实现远程控制。数据采集卡接收计算机的相关指令，通过执行机构实现温、湿度的控制，从而实现启动相应的设备。远程控制 信号 调理 电路温度传感器计算机及软件算机数据采集卡报表打印数据处理和存储 执行机构湿度传感器数据显示 湿度控制 温度控制加热度设备去湿度设备加湿度设备降温度设备图3.2 测控系统的总体框架图第4章 测控系统的硬件设计4.1温度传感器的选择在目前的温度传感器中，热电阻传感器有着准度高、测量范围大、稳定性好等优点，但是价格昂贵；有着体积小、灵敏度高、线性好等优点的PN结温度传感器，但是一致性差；集成温度传感器有着体积小、成本低、一致性好、线性好等优点，虽然响应速度稍微慢，测控范围有限，但是对于本测控系统的技术要求还是可以达到的。 本测控系统采用集成温度传感器中的AD590这一款，AD590是电流型集成电路温度传感器，工作电压范围为5V至30V,输出电流的大小与温度成正比，线性好，测量范围在-55摄氏度至150摄氏度之间，灵敏度为1微安每K,抗干扰能力强，精确度高，动态电阻大，响应速度快，线性好，使用很方便。AD590以热力学温度K定标，要显示摄氏温标，可通过以下式子转换：I=T+237.15，以237摄氏度为基准值，每上升1摄氏度，输出电流就增加1微安。测量电路图中的AD524、AD580传感器在其中起着辅助电路中的信号转换作用。整个测量电路图见下图所示：图4.1 温度传感器的测量电路图4.2湿度传感器的选择目前的湿度传感器中，氯化锂湿度传感器有着高精确度、结构简单、价格低廉等优点，但是测量湿度的范围比较窄；湿度传感器中的碳湿敏元件响应速度快、灵敏度高，但线性度、互换性差；湿度传感器中的氧化铝湿度计的体积小，灵敏度高，响应速度快，但使用范围和使用条件受限制；陶瓷湿度传感器具备高灵敏度、宽测控范围、线性好等优点，由于本测控系统的湿度检测误差为正负3%RH，故选择该类型传感器中的MgCr2O4-TiO2系列来进行湿度测量。测量电路如下图：图4.2 湿度传感器的测量电路4.3信号调理电路温度传感器中的AD590输出为电流的形式，通过转换为电压来实现放大，根据欧姆定律，在回路中串电阻，通过电阻上的电压大小反映电流的大小，从而实现温度的测量，其信号调理电路如下所示：图4.3 温度传感器的信号调理电路4.4数据采集卡基于本测控系统采用的设计平台为虚拟仪器技术的LabVIEW软件，这一软件提供了数据采集功能，只需要在计算机上安装相应的DAQ硬件驱动，通过计算机软件平台来实现数据采集。DAQ技术是LabVIEW的核心技术，该技术通过数据采集设备从传感器中获得物理信号，并将其转换为数字信号。为了实现这一目的，本设计采用具备DAQ驱动程序的多通道采集卡PCI-6251来实现数据采集。PCI-6251采集卡有着16路模拟输入，16位的分辨率，采样率可达1.25Mbps,输入范围为正负0.1V至正负10V，具有2路模拟输出、24路数字I/O线、32位计算器4.5系统硬件原理图测量信号湿度显示及存储计算机LabVIEW软件）DA数据采集卡信号调理电路温度传感器温度显示及存储实时、远程控制湿度传感器温湿度报警显示图4.4 测控系统的硬件原理图第5章 测控系统的软件设计测控系统的软件设计主要是前面板的设计和程序图的设计。前面板的设计实现测量与显示功能，因此主要由图形显示控件、数值显示控件、数值输入控件、布尔显示控件构成。程序图的设计实现测控系统的测量程序设计，主要由结构函数、比较函数、定时函数构成。5.1前面板设计前面板由6个波形图显示控件、4个布尔显示控件、4个数字输入控件、12个数字显示控件、1个停止输入控件组成。图中的6个波形图分别为3个温度波形图与3个湿度波形图，上排的为3个检测点的温度波形图，实现3个检测点的温度曲线显示，下排的3个波形图为湿度波形图，用于对3个湿度检测点的湿度曲线显示；每个波形图上方的六个数字显示控件为实时测量的温度值和湿度值；前面板中的4个布尔显示控件为超限报警显示，左上方的两个布尔控件代表温度上限报警指示、温度下限报警指示，左中方的两个布尔控件代表着湿度上限报警指示、湿度下限报警指示；每一个报警显示旁边的数字输入控件为系统设定报警上、下限值；左下方的6个数字显示控件为温度和湿度的最大值、平均值、最小值，最下方的为停止输入控件。设计图如下所示：图5.1 前面板设计图5.2程序图设计测控系统的程序设计内容主要：选择相应的程序框图、函数、显示控件来实现自动连续采集并读取温度、湿度的测量值，绘制温度和湿度的实时变化曲线；实现所采集的温度、湿度的平均值、最大值、最小值的统计；最后是实现温度和湿度的超限报警指示，在程序运行中对温度、湿度的上、下限值设定。程序图主要由一个while循环、4个条件结构、1个时间等待函数、1个停止函数、温度系统程序、湿度系统程序组成。系统的程序图如下图所示：图5.2 程序设计图（温度部分）图5.3 程序设计图（湿度部分）程序图的设计中，按钮“停止”来实现测控系统的停止功能。设计中的3个温度检测点的信号采用正弦仿真信号，3个湿度检测点的信号采用三角波仿真信号。定时函数用来起到每隔1000ms来读取一个数据的作用。程序设计中，自动连续读取并显示温度和湿度测量值的功能通过在模拟仿真信号后面创建数字显示控件来实现，绘制温度和湿度实时变化曲线通过在仿真信号后面创建图形显示控件来达到目的。程序设计中的统计采集的温度和湿度的平均值利用3个数字显示控件通过相加函数相加，最后在相加之后除以3来实现平均值；最大值和最小值的实现则通过比较函数，三者中的任意两个先做比较，选择其中的最大值，再与第三个数相比较，假如这个数大于第三个数，那么这个数就是最大值，假如小于第三个数，那么第三个数为最大值，通过这样的方式实现最大值的选取；最小值的方法与这类似。温度和湿度的上、下限报警指示则通过在while循环条件中添加条件循环来完成。通过设定数字输入控件来输入相应的上下限值，仿真信号的值与设定的值通过在条件结构中判断来执行相应的命令，条件结构有真与假两种形式，当仿真的值大于设定的值，则执行报警指令；当仿真的值处于设定值范围之中则不发生报警指示。第6章 测控系统的调试测控系统的调试结果包括以下三点：1、自动连续读取并显示温度和湿度测量值，绘制测量温度和湿度实时变化曲线；2、对检测点采集的温度、湿度的平均值、最大值、最小值进行统计；3、实现温度、湿度的超上、下限报警指示，并能在程序运行中对温度、湿度的上、下限值进行设置。6.1温、湿度测量值的连续读取及其曲线绘制程序图设计好后，运行程序，调试结果如下图所示：图6.1 温、湿度的测量值读取及其曲线绘制上图为3个温度检测点、3个湿度检测点的仿真信号曲线图，温度检测点的信号采用了正弦波，幅值分别为50、55、58，可知测量值为：9.3382、10.272、10.8323，温度曲线见上图第一行所示；湿度检测点的信号采用三角波作为仿真信号输入，幅值分别为0.8、0.88、0.90，可知测量值分别为：0.09568、0.105248、0.10764，湿度曲线图见上图第二行。6.2统计采集的温、湿度的最大值、最小值、平均值运行程序，可以看到前面板的数字显示控件的温度的最大值、最小值、平均值和湿度的最大值、最小值、平均值。运行结果见下图所示:图6.2 采集的温、湿度最大值、最小值、平均值统计6.3温、湿度超限报警指示及程序运行中的上、下限值设置图6.3 温度的超上限报警指示图6.4 温度的超下限报警指示如上图所示，设定的温度上限报警值为70摄氏度，仿真信号的幅值分别为70、71、72（单位:摄氏度），从上图可知，检测点1的测量值为69.8591，检测点2的测量值为70.8571，检测点3的测量值为71.8551，故2、3检测点值超上限，温度上限报警指示发生。同理，报警下限值设为-10，报警下限指示见图6.4。程序运行中，通过在温度上、下限输入里面输入一定的数值，运行程序，即可看到结果。调试结果如下图所示：图6.5 温度上限报警值改为60时的报警指示图6.6 温度下限报警值改为10时的报警指示程序运行中，通过输入控件中的湿度上限和湿度下限输入一定的值，当信号值大于、小于设定的上、下限值时，湿度报警指示发生，反之则不发生。调试结果如下图所示：图6.7 湿度的超上限报警指示图6.8 湿度的超下限报警指示图6.9 湿度上限报警值改