基于LabVIEW软件而设计温度采集器的实验.doc

虚 拟 仪 器 实 验 报 告（基于LabVIEW软件而设计温度采集器的实验） 学院：信息工程学院 班级：09自动化2班 学号：0967106232姓名：杨顺景基于LabVIEW软件而设计温度采集器的实验 一实验目的1、了解虚拟仪器技术的基本概念，学会使用虚拟仪器来模仿现实实验；2、熟悉并掌握LabView8.5软件的开发环境及基本使用方法；3、学习编写基于USB接口的虚拟数据采集器的方法。二仪器设备所需仪器设备1.计算机1台（运行Windows操作系统，并已安装了LabView7.1软件）2.NIUSB6008多通道 数据采集器1只3.便携式数字万用表1只4.示波器1台5.函数信号发生器1台6. 1只1.5V电池7.钟表用一字螺丝批1把8.导线若干三设计原理概述虚拟仪器设备可以由使用者自己定义，这意味着可以自由地组合计算机平台，硬件（包括传统仪器），软件，以及各种实现应用所需要的附件。这种灵活性在由供应商定义，功能固定，独立的传统仪器上是很难达到的。常用的数字万用表，示波器，信号发生器，数据记录仪，以及温度和压力监控仪器就是这种传统仪器的代表。从传统仪器设备向虚拟仪器设备的转变，为现代实验带来了更多实际的利益，同时也促进着实验手段不断更新。测控仪器已经经历了模拟（指针）式仪器、数字式仪器、智能化仪器等三个阶段，现在 的重要发展方向是虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）技术。为了便于与VI区分，我们 称前三种仪器为传统仪器。目前实验室中使用的各种能脱离计算机“独立”使用的仪器， 如数字万用表、函数信号发生器、示波器等都属于传统仪器。此类仪器在使用过程存在几个明显的缺点：（1）一台传统仪器只能实现较单一的功能，扩展性、互换性、升级性较差。如数字万用表不能作为函数信号发生器使用，数字电桥不能作为示波器使用一样。科研工作者和工程师在实际工作过程中若要完成某种稍微复杂一些的测试任务，往往需要购买示波器、 数字万用表、频谱分析仪、函数信号发生器、多通道数据采集器等多种设备，成本高昂。而 且这些仪器还相对独立，绝大多数无法升级。随着测量任务的改变，往往需要购买性能更 强的同类仪器，甚至是其它种类的仪器。（2）在需要自动测量和控制的情况下，特别是需要自行开发专用的测控系统时，通常都需要编制控制程序。在虚拟仪器技术出现以前，这些工作大部分是用汇编、C或BASIC 等顺序执行的文本编程语言来完成的。对于一些涉及多台仪器的较大型测试系统，或是 功能越来越复杂的数字化、智能化仪器，其控制程序少则数千行，多则数万行甚至更多， 开发过程非常困难，费时费力。随着个人计算机的出现，将计算机与测控仪器紧密结合在一起的虚拟仪器技术很好 地克服了传统仪器的上述缺陷。计算机和仪器的结合是目前仪器发展的一个重要方向， 这种结合大概有两种方式。一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的 仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各 种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。四.实验内容1、LabVIEW 虚拟仪器入门（1）启动LabVIEW启动LabVIEW 时将出现启动窗口。在这个窗口中可创建新VI、选择最近打开的LabVIEW文件、查找范例以及打开LabVIEW帮助。（2）基于模板中打开一个新VI在启动窗口中单击新建或基于模板的VI链接，以显示新建对话框。 在新建列表中选择VI 基于模板使用指南（入门）生成和显示。该VI 模板可生成并显示信号。单击确定按钮即可基于模板创建一个VI。选择窗口显示程序框图可查看VI 的程序框图。单击前面板工具栏上的运行按钮，也可以按 键来运行VI。（3）在前面板中添加输入控件控件选板未在前面板上显示时，可选择查看控件选板。对于LabVIEW 的新用户，将默认的显示控件选板的Express 子选板。如Express 子选板未显示，可单击控件选板上的Express，以显示Express 子选板。在Express 子选板上移动光标，定位在数值输入控件选板上，单击数值输入控件以显示数值输入控件选板。单击数值输入控件子选板上的旋钮控件，使其依附于光标，然后将旋钮放置在前面板上波形图的左边。选择文件 保存，将VI 命名为采集信号.vi，并保存在易于访问的位置。（4）更改信号类型按 键或单击程序框图以显示程序框图。右键单击仿真信号Express VI并从快捷菜单中选择属性，即可显示配置仿真信号对话框。从信号类型下拉菜单中选择锯齿波。单击确定按钮以保存当前配置并关闭配置仿真信号对话框。将光标移到仿真信号Express VI底部的下拉箭头处。拖动下拉箭头将Express VI的边框扩展开，可显示隐藏的输入和输出端。单击并拖动双箭头可扩展Express VI的边框，显示出下面两行。释放鼠标，可看到幅值输入端。此时便可在程序框图上对锯齿波的幅值进行配置。（5）连接程序框图对象在程序框图上，将光标移至旋钮的接线端，使用定位工具选择旋钮接线端，将其置于仿真信号Express VI 的左边、循环结构的灰色边框内部，单击程序框图中的空白处便可取消选定旋钮接线端。如要使用其它对象工具，则必须先取消定择对象，再切换工具。将光标移至旋钮接线端的箭头上，当连线工具出现时，单击旋钮接线端处的箭头，然后再单击仿真信号Express VI上的幅值输入端的箭头，即可连接两个对象。（6）运行VI按 键或单击前面板以显示前面板，单击运行按钮或按键以运行VI，将光标移至旋钮控件上，使用操作工具来转动旋钮以调节锯齿波的幅值。（7）调整信号在程序框图上，用定位工具双击连接仿真信号Express VI和波形图接线端之间的连线，按 键删除该连线。未显示函数选板，可选择查看函数选板即可显示。打开函数选板时默认显示Express 子选板。，在算术与比较选板上选择公式Express VI，然后将其至于循环内的仿真信号Express VI和波形图接线端之间。可将波形图接线端适当右移，以使Express VI与接线端之间有更多空间。单击配置公式对话框右下角的帮助按钮，可打开LabVIEW帮助，查看关于该Express VI的帮助主题。在公式主题中有一个对话框选项，描述输入公式的变量，最小化LabVIEW帮助窗口，返回配置幅值和电平测量对话框。将对话框选项的标签文本框中的文本X1改为锯齿波，用以指示公式Express VI的输入值。在字符串文本框中的锯齿波之后输入*10，指定缩放因子的值。单击确定按钮以保存当前配置，并关闭配置公式对话框。将光标移至仿真信号Express VI的锯齿波输出端的箭头处。当连线工具出现时，单击锯齿波输出端的箭头，然后再单击公式Express VI的锯齿波输入端的箭头，即可将两个对象连接起来。（8）在图形上显示两个信号在程序框图上，将光标移至仿真信号Express VI的锯齿波输出端的箭头处。用连线工具连接锯齿波输出端和波形图接线端。按 键或选择文件保存以保存VI，返回到前面板，运行VI，然后转动旋钮控件，单击停止按钮以停止VI的运行。（9）自定义旋钮控件在前面板上，右键单击旋钮并从快捷菜单中选择属性，显示旋钮属性对话框。在外观选项卡上的标签处，删除文本框中的标签旋钮，输入幅值。单击标尺选项卡，在标尺样式部分选中显示颜色梯度控件复选框。前面板上的旋钮将会做相应更新。单击确定按钮以保存当前配置并关闭旋钮属性对话框。重新打开旋钮属性对话框，尝试一下旋钮的其它属性。单击取消按钮可避免应用在尝试过程中所作的任何修改。如想保存所作的修改，可单击确定按钮。（10）自定义波形图在前面板上，将光标移至波形图图例的顶端。当双箭头出现时，单击并拖动图例边框，使图例显示出第二条曲线。释放鼠标后，第二条曲线的名称将显现。右键单击波形图并从快捷菜单中选择属性，显示波形图属性对话框。在曲线选项卡，从下拉菜单中选择锯齿波。在颜色区域，单击线条颜色框，显示颜色选择器。选择一个新的线条颜色。从下拉菜单中选择锯齿波（公式结果）。勾选不要将波形图名作为曲线名复选框。在名称文本框中，删除当前标签，并将曲线名称更改为缩放锯齿波。单击确定按钮以保存当前配置，并关闭波形图属性对话框。重新打开波形图属性对话框，尝试一下图形的其它属性。例如，在标尺选项卡上，可尝试禁用“自动调整标尺”，并改变Y轴标尺的最大值“和”最小值。单击取消按钮可避免应用在尝试过程中所作的任何修改。如想保存所作的修改，可单击确定按钮。保存并关闭VI。2 温度采集系统设计本系统采用STC公司生产STC89C52单片机作为温度数据采集和传输的主控芯片，温度传感器采用单总线方式的集成数字温度传感器DS18B20。采集得到的数据利用单片机经串口通信的方式传输至计算机的串口。计算机上位机软件采用数据处理能力超强的LabV IEW软件编写,利用其所带的V ISA驱动进行串口的数据采集和处理,实现了基于V ISA的串口温度采集。2-1温度采集系统的硬件设计系统硬件结构 虚拟仪器系统的硬件主要是由个人计算机或者工作站和硬件接口模块组成。其中计算机是主体，主要用来提供实时高效的数据处理性能。硬件接口模块包括仪器硬件和各种通用接口总线，主要用来采集，传输信号。仪器硬件如各种传感器，插入式数据采集卡（DAQ），信号调理器等，通用接口总线用来把独立的仪器连接到计算机上。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统，GPIB一起控制系统，VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。本系统利用半导体来调节温度的大小，利用温度传感器来对温度进行数据采集，利用LabVIEW编程来实现半导体与PC机之间的串行通讯以及虚拟面板的设计，最后由PC机显示测量的溶液温度。对温度的测量而言，温度传感器的选择是整个系统的第一步，也直接影响系统性能的重要因素之一。金属铂的纯度可达99.89%，热性能稳定，线性较好，电阻温度系数分散性小，因此在这里我们选择铂电阻作为温度传感器。图1给出了数据采集系统结构框图，其中信号调节的主要作用是将传感器输出的信号与A/D转换器相匹配。例如A/D转换的输入电平是05V，而传感器输出信号通常很小，这时必须采取放大措施减小量化误差，相对误差也就减小了。如果传感器在输出信号和传输过程中混入虚假成分，就需要进行滤波。2-2温度采集系统的软件设计2-2.1 标度变换对于同一物理量，用不同的传感器测量得到的不同的电压信号，或者是对于不同的物理量，不同的传感器测量得到的相同的电压信号，为了显示正确的物理量，就需要进行标度转换。 因为被测对象的各种数据的量纲与A/D转换的输入值是不一样的。2-2.2 数据采集子程序（SubVI）设计LabVIEW图形编程语言中的基本编程单元是VI（Virtual Intrument，虚拟仪器），VI包括三个部分：前面板（Front Panel），框图程序（Blcok Diagram）以及图标（Icon）/连接器（Connector）。前面板既接受来自框图程序的指令，又是用户与程序代码发生联系的窗口。这个窗口模拟真实仪表的前面板，用于设置输入和观察输出，输入量称为控件（Controls），输出量称为指示器（Indicators）。当把一个控件或指示器放到前面板上时，框图上相应地放置一个端子（Terminals），这个端子不能随意被删除。用户可以使用多个图标，如旋钮，开换，按钮，图表，文本框，图形等等。虚拟温度测量仪前面板（Thermometer VI），该面板通过对一个模拟温度计实时显示温度的大小，并接入一个布尔量开关（OFF/ON）可以对采集过程，加以控制。旁边绿色的为一个预警信号，当温度超过某个预设的温度值时，该警示灯变亮。计算机虚拟温度的示意图 温度传感器的信号通过A/D转换输入计算机，计算机内进行给定的函数运算，输出形式可以由使用者选定，要么选定为温度计，要么选定为指针式仪表，指针的刻度可以任选。运行时，显示器上就会出现一个指针式温度计，它的指针就会随着传感器上检测到的温度而变化。这个温度计并不存在，用计算机模拟的这个温度计仅是虚拟仪器的一种。数据的采集离不开数据采集卡（DAQ）。DAQ的基本任务是对产生的物理信号进行提取和测量。但是要使计算机系统能够测量物理信号，必须要使用传感器把物理信号转换成电信号，例如热敏电阻，热电偶，光电管等。由于由传感器输出的电信号通常很弱，并且可能包含大量的噪声信号，所以要有信号调节装置，将信号进行一定的处理。总之，数据采集是借助软件来控制整个DAQ系统，包括采集原始数据，分析数据，给出结果等。本文我们要采用到的DAQ程序包括模拟输入，模拟输出，计数器操作或者数字输入/输出等，如图4，在框图程序窗口下选择Data Acquisition,在此子模板下，可以看到：Analog Input （模拟输入），Analog Output(模拟输出)，DigitalI/O，（数字I/O）和Signal Conditioning（信号调理）等6个子模板。2-2.3 系统的闭环控制实现过程我们将预先设计，编译和调试通过的控制模块程序下载到FP-2000中去，并通过FP-110模块对被测系统的温度能够进行定期的数据采集，由控制程序对采集到的温度数据进行处理和优化，同时根据温度要求，使用PID算法和相应的其它算法计算出控制量在，对控制模块再次进行D/A转换后，输出控制信号电压触发，调节可控硅执行器的导通角，驱动半导体加热器对系统进行加热，以实现系统的闭环控制。控制模块中的PID调节，根据设定值和实际测的当前温度值。LabVIEW中Control toolkit中包括很多种PID算法以及改进型PID算法，我们通过调用对其中合适的算法，可以轻而易举地实现核心的控制功能，而不用深入研究烦琐的数值差分运算。监控模块中温度控制程序的显示和存储，利用所提供的chart模块，控制程序可以把采集到的数据显示在计算机上，从而可以直观的看出温度的变化过程。基于虚拟仪器的温度检测系统采用的就是LabVIEW在测试与测量方面的应用，它已经成为测试与测量领域的工业标准，通过VXI，GPIB，串行设备和插卡式数据采集卡可以构成实际的数据采集系统，本实验用到的是阿尔泰科技公司USB2013数据采集卡，USB2013采用的是PCI总线技术，单16/双8路，采样率为100K，硬件增益为1500倍。2-2.4 温度检测系统VI程序设计设计一个仪器，首先要考虑确定其功能，然后根据其功能确定需要设计前面板框图。在虚拟仪器中“仪器”的面板需要显示在计算机屏幕上，根据需要可以随时进行修改，因此称为软面板。我们把前面板上的温度程序作为一个子程序用在当前新建程序里，先进行对温度的采集，然后把当前的程序运用到显示温度曲线，并在前面板上设定。以下是实验时的部分截图： 由以上图可以看出，这是一个不断给温度传感器加