温度预警系统.doc

苏州市职业大学电子信息工程学院项目实训报告课程名称： 虚拟仪器应用 项目名称： 温度预警系统 班 级： 11电气1班 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 2013年10月22日 项目信息表项目名称温度预警系统项目学时6指导教师成绩目的1.了解常用温度传感器2.了解LabVIEW中的数据采集编程方式3.了解一个数据采集系统的完整组成4.了解实验平台nextboard、nextpad5.学习使用LabVIEW做数据采集的程序编写任务要求测试当前温度，根据设定的温度上限值及下限值，判定当前有无警报：高温警报/无警报/低温警报。每种警报，都有文字提示，有不同颜色的警报灯显示（如高温为红色，低温为蓝色，正常为绿色。）当前温度数值用多种方式显示，如数值形式、波形图、温度计。设备材料硬件：PC机、nextboard实验平台、NI PCI-6221数据采集卡、nextsense_01 （热电偶模块）说明：NI PCI-6221数据采集卡已经安装在电脑主机箱中，并且与nextboard实验平台连接。使用时，只需要把选定的模块安置在nextboard平台模相应的槽位上即可。注意：模块处于nextboard的槽位不同，所使用到的硬件通道是有差别的。Nextpad中会自动识别当前模块所在槽位，并判别小模块使用的通道名。可以将nextpad中的通道名称复制拷贝至LabVIEW程序中做为通道名称设置。软件平台：LabVIEW（2011以上版本）评语指导教师签名日期温度预警系统项目报告第1章 概述1.1CPU温度大家几乎每天都会接触的电脑，你关注过它的工作温度吗？CPU散热性能，是一台电脑质量好坏的重要的参考因素。CPU的正常温度，期望值是保证温度变化在20到30度的范围内。如，CPU的耐受温度为60度，按夏天最高35度来计算，CPU温度应该为55度，不能超过65度。按此类推，若环境温度是20度，CPU温度最好不要超过50度。不管超频到什么程度，都不要使CPU高过环境温度30度以上。 因为CPU长时间工作在高温度下，容易缩短使用时间，而且可能导致CPU损害。日常生活中，常使用的测温仪器是温度计，目测查看温度值。若设备具有过温保护功能，必然需要将温度变为电信号传送至电脑中，并作进一步的分析和响应。如何将温度信号转换为电信号传送至电脑呢？这个过程需要什么样的传感器、什么样的设备？在实验室中，如何实现温度测量、显示和记录？1.2 实验要求测试当前温度，根据设定的温度上限值及下限值，判定当前有无警报：高温警报/无警报/低温警报。每种警报，都有文字提示，有不同颜色的警报灯显示（如高温为红色，低温为蓝色，正常为绿色。）当前温度数值用多种方式显示，如数值形式、波形图、温度计。1.3 硬件要求PC机、nextboard实验平台、NI PCI-6221数据采集卡、nextsense_01 （热电偶模块）说明：NI PCI-6221数据采集卡已经安装在电脑主机箱中，并且与nextboard实验平台连接。使用时，只需要把选定的模块安置在nextboard平台模相应的槽位上即可。注意：模块处于nextboard的槽位不同，所使用到的硬件通道是有差别的。Nextpad中会自动识别当前模块所在槽位，并判别小模块使用的通道名。可以将nextpad中的通道名称复制拷贝至LabVIEW程序中做为通道名称设置。1.4 软件要求LabVIEW（2011以上版本）第二章 系统前面板设计2.1常见的温度传感器温度传感器（temperature transducer）是指能够感受温度并能将其转换为可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。1、热电偶热电偶（thermocouple）是温度测量中最常用的温度传感器。优点是宽温度范围和适应各种大气环境,且结实、价低，无需供电。热电偶由在一端连接的两条不同金属线(金属A和金属B)构成，当热电偶一端受热时，热电偶电路中就有电势差。可用测量的电势差来计算温度。不过，所测电压和温度间是非线性关系，因此需要为参考温度(Tref)作第二次测量，并利用测试设备软件或硬件在仪器内部处理电压-温度变换，以最终获得热偶温度(Tx)。常见的热电偶种类有：T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型2、热电阻热电阻（thermal resistor）是中低温区最常用的一种温度检测器。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。其主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。金属热电阻常用的感温材料种类较多，最常用的是铂丝。工业测量用金属热电阻材料除铂丝外，还有铜、镍、铁、铁镍等。本实验中，使用的是J型、K型两种热电偶。使用时，请注意不同阻值的热电阻使用不一样的备选电阻搭建电路。3、红外温度传感器在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在,就会不断地向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0.75100m 的红外线，红外温度传感器就是利用这一原理制作而成的。热传感器是利用辐射热效应，使探测器件接收辐射能后引起温度升高，进而使传感器中一栏与温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过赛贝克效应来探测辐射的，当器件接收辐射后，引起一非电量的物理变化，也可通过适当变化变为电量后进行测量。2.2数据采集数据采集（DAQ）是使用计算机测量电压、电流、温度、压力或声音等电子、物理现象的过程。一个数据采集系统由传感器、数据采集测量硬件和带有可编程软件的计算机组成。与传统的测量系统相比，基于PC的数据采集系统利用行业标准计算机的处理、生产、显示和连通能力，提供更强大、灵活且具有成本效益的测量解决方案。传感器将自然界中的物理量转换为可测量的电信号；数据采集设备中的模数转换器ADC将模拟信号转换为计算机可接受处理的数字信号（模拟信号数字化）；计算机处理、显示、保存所得到的信号数据。数据采集设备用于测量信号的三个主要组成部分：信号调理电路、模数转换器 (ADC)与计算机总线。很多数据采集设备还拥有实现测量系统和过程自动化的其他功能。例如，数模转换器(DAC)输出模拟信号，数字I/O线输入和输出数字信号，计数器/定时器计量并生成数字脉冲。采样定律采样是用指定采样率量化模拟信号以得到的一系列离散点。采样越快，采样信号越接近实际信号。时域采样定理：频带为F的连续信号 f(t)可用一系列离散的采样值f(t1)，f(t1t)，f(t12t)，.来表示，只要这些采样点的时间间隔t1/2F，便可根据各采样值完全恢复原来的信号f(t)。换一种说法来解释上述理论，在做信号采集时，设置的采样率的频率最小值为待采信号频率的两倍。通常，推荐设置的采样率大小为待采信号频率的10倍左右。如果采样不够快，恢复采样信号将会产生混叠问题。在信号频谱上可称作叠频；在影像上可称作叠影，主要来自于对连续时间信号作采样以数字化时，采样频率低于两倍奈奎斯特频率。更多信息可以查看书籍或网络信息）。2.3 LabVIEW中的模拟信号采集本教程中，程序开发都是基于LabVIEW软件开发环境，（包括大家使用的nextpad平台，也是基于LabVIEW软件平台开发的。）后续教程中，不再重复提及LabVIEW软件，编写程序，即指LabVIEW程序编写。LabVIEW软件是NI公司的明星产品，NI公司的硬件产品，都提供基于LabVIEW的软件驱动。Nextboard硬件平台即提供专用的LabVIEW驱动，也可以直接使用数据采集驱动DAQmx来编程。在前面的基础实验中，编程全部基于DAQmx驱动。综合实验中，会讲解如何使用nextboard的驱动编写程序。（学习中要重点掌握DAQmx的编程方式，在未来的科研或是工作中，DAQmx的编程模式更加通用，Nextboard驱动也是基于DAQmx驱动完成的。）本实验系统中使用数据采集设备采集模拟信号。故重点描述模拟信号采集线程。1、信号采集函数选板（DAQmx）如下图所示，为信号采集函数选板。左下角为DAQ助手，该助手可以非常便捷的配置数据采集程序，对于初学者而言，可以迅速搭建实验软件平台。若编写系统或是大型项目，不推荐使用该VI。推荐使用选板上面两排VI做程序编写。可以有效提供程序的运行效率。（VI全称Virtual Instrument，在LabVIEW软件环境中，特指使用LabVIEW编写的程序，一个程序称为一个VI。）图 2-1信号采集函数选板中的DAQ助手2、模拟信号采集线程LabVIEW中编写信号采集线程，主要有如下几大部分：配置资源 时钟设定 - 开始采集 - 读/写操作 - 关闭资源。如下图所示，包含了上述五个步骤，若是连续信号采集，则将“读/写操作”这个步骤放置于while循环结构中。图 2-2 模拟信号连续采集在配置硬件资源时，需要设定硬件连接信号的物理通道是哪一个AI通道，需要设定采集信号的信号电压范围（电压最大值和最小值。最大值应小于等于10V，最小值应大于等于10V），需要设定信号的采样模式，本系统中使用的是差分模式。选用该模式，是因为nextboard上的实验模块，硬件资源已经内部路由好，使用的采集模式为差分方式（differential）。使用差分模式，每路信号用两个AI通道做信号连接，信号正负两端分别和AI（n）和AI（n+8）相连接。例如使用AI0通道做信号连接，实际的使用端口为：AI0(信号正端)和AI8（信号负端）。使用差分模式可以抑制共模电压和共模噪声。时钟设定VI（sample clock），用来设定采样率和采样方式（连续采样）。采样方式设定为连续采样后，需要将读写函数放置于while循环中。读操作的VI为多态VI，其下拉选项中有多种选项可以配置。如单通道单采样，多通道N采样，等等。可更加实际的应用需求，设定读写的通道数和每通道的读写点数。释放资源，这是优质线程不可或缺的部分，在读写操作完成后，将线程中使用到的硬件资源全部释放。便于资源的重复利用，提高效率。3、While循环在程序框图中，右击空白处，函数选板-结构-while循环。在程序框图上拖放出所需的面积大小。一个while循环包含：外框、计数接线端（i）、条件接线端（右下角）。计数端（i）从0开始计数，即第一次循环结束，i=0，依次累加。条件端，当接入布尔量为真，循环停止。如下图（左）所示。While循环的执行次数是不确定的，其何时停止操作，有条件接线端接受的布尔量是否为真决定。 图2-3 while循环及隧道可以看到，while循环是可以有数据的输入和输出的。数据连线在while循环上留有隧道，通过隧道将数据传递出去。 图2-4循环停止条件设定4、错误簇若查看LabVIEW范例查找器中的程序，可能会看到如下的接线方式：可将VI右下角的错误簇连线连接至while循环的条件接线端；使用“按名称解除捆绑”函数将错误簇中的布尔分量与前面板的停止按钮做“或”运算，将布尔运算值连接至while循环的条件接线端。如下图两种接线方式，都可以作为while循环的停止过方式，右边的方式更常用。选取错误簇：在LabVIEW的程序前面板上，右击空白处，控件选板 - 数组、矩阵与簇 错误输入3D。选中“错误输入3D”，并拖放在前面板上。观察图2-9，错误簇（无论输入或输出）包含有三个元素：状态（state）：值为TRUE（叉）时表示在节点运行前已发生错误，值为FALSE（勾）时表示警告或无错误。默认值为FALSE。 代码（code）：表示错误或警告代码。默认为0。如状态为TRUE，代码为错误代码。如状态的值为FALSE，代码为0或警告代码。 源（source）：表示错误或警告的源，大多数情况下表示出现错误或警告的节点名称。默认值为空字符串。大多数LabVIEW程序框图上的节点（如子VI、运算函数、DAQmx驱动VI等）都包含错误簇的输入和输出端口。编写程序时，合理使用错误簇，程序可带有错误处理机制。如错误在节点运行前发生，节点将把错误输入的值传递至错误输出。如节点运行之前没有错误发生，该节点将正常运行。如在节点运行时发生错误，节点运行结束后在错误输出中设置其错误状态。错误输入和错误输出簇用于在VI中传递错误信息。在多数情况下，源中标识了错误发生的位置。 如错误输入中发现了错误，VI将在错误输出中返回错误信息，并停止运行。默认状态下，LabVIEW将通过挂起执行、高亮显示出现错误的子VI或函数并且显示错误对话框的方式来自动错误每个错误。 图2-5 错误簇5、等待函数（wait）选取等待函数：程序框图 函数选板 定时 等待（ms）。为了控制结构（如循环结构）的执行时长（或执行频率），可以使用定时函数来框定结构执行一次的时间长度。通常定时时长 结构中功能代码的执行时长，否则定时形同虚设，结构的执行时长由执行时间更长的那一部分决定。比如循环中的执行内容很简单，1ms就可执行完成，可是程序逻辑需要循环的执行频率为100ms执行一次，此时就需要放置等待函数，“等待时间”输入端口填写数值100。常用的等待函数有两个，如图2-6所示，“等待(ms)”和“等待下一个整数倍毫秒”。等待函数的计时精度由系统确定，依据使用的平台，精度可能低于1毫秒。使用“等待下一个整数倍毫秒”可提高精度。另外，循环内部的等待函数可使VI在某段时间内处于休眠状态，故CPU可处理LabVIEW程序以外的其他windows的任务。图2-6定时函数选板 第三章 系统功能实现3.1前面板设计在控件选板中选择新式容器选项卡控件，放置在前面板上，如图2-7所示。在选项卡控件上右击，在显示项中去掉标签选项。把“选项卡1”修改为“系统描述”、“选项卡2”修改为“温度监控”。在选项卡控件上右击，选择“在后面添加选项卡”选项，并把该选项修改为“硬件资源”。图2-7放置选项卡控件在“系统描述”选项卡中，对系统进行简单的描述；“温度监控”选项卡中，放置该系统所需要的输入和显示控件，以及记录历史曲线的波形图表，在VI运行中，该选项卡界面是人机交互界面；“硬件资源”选项卡显示硬件配置情况，如图2-9所示。 图2-8系统前面板 图2-9 硬件资源信息3.2 温度采集按照LabVIEW使用DAQmx驱动编写模拟信号采集的基本编程步骤：配置资源 时钟设定开始采集读/写操作关闭资源。温度信号为模拟信号，模拟信号采集程序框图如图2-10所示。在图2-10中，While循环左侧为AI2通道资源设置，配置E（T0）AI2通道、采集范围（05V）、差分模式；配置E（T，T0）AI0通道、采集范围（010V）、差分模式。While循环内每100ms读取一个点。温度采集的采样频率无需很高，每秒2个点的采集足矣，且无需很高精度的采样时钟，采样率设为500，并使用软件定时的方式，规定循环每100ms执行一次。每个采样点采集250次，取平均值，作为该点的测量值。While循环右侧，为停止任务VI、清空任务VI以及简易错误处理VI。使用这三个VI，是良好编程习惯的体现。在任何时候，无论打开的是硬件资源或是文件IO资源，都需要在执行结束后，放置清空任务（或停止任务的VI）以释放所占用的计算机资源。在得到温度原始的电压数值后，根据使用的传感器类型，根据电压和温度间的数值转换关系，计算得到温度值。使用相应的计算转换VI，可得到当前温度值。图2-10双通道模拟信号连续采集并计算平均值电压温度转换的VI是LabVIEW自带的转换算法，如图2-11所示，程序框图函数选板数值 缩放转换热电偶读数。可以看到，热电偶和热电阻也有对应的转换VI，使用其他两类温度传感器，也可以在此选板中，选择转换函数。温度信号转换程序框图如图2-12所示。 图2-11 数据缩放（scaling）函数选板 图2-12 温度信号转换3.3 温度分析（子VI）得到温度数值后，需要分析当前温度是否超过警戒线，超过后，文本格式、警报灯格式的报警。这些算法，可以直接放置在while循环中，为了提高程序的可阅读性，通常会将比较多的算法放置于子VI中。这里的数值分析子VI要实现如下功能：1）根据温度的上下限，判定当前的温度值是否超过警戒线，给出文本方式的警报提示；2）根据警报类型，设定警示灯是否闪烁、颜色改变。上限报警为红灯闪烁、下限报警为蓝灯闪烁、无报警为暗绿色不闪烁。警报灯的属性修改，使用了属性节点。子VI需要配置其连线板（数据端口）。在VI的前面板上，单击前面板上所需连接的控件，即可将控件和连线板相关联。把编写好的子VI直接从保存路径拖放至主VI，即可使用。子VI程序框图如图2.14所示。图中：（选择）：选择该函数，程序框图 -比较 -选择。依据s（布尔）的值，返回连线至T输入或T输入的值。s为TRUE时，函数返回连线至T的值。s为FALSE时，函数返回连线至T的值。（引用句柄）：是一个打开对象的临时指针，因此它仅在对象打开期间有效。（属性节点）：属性节点可自动调整为用户所引用的对象的类。属性节点可打开或返回引用某对象，使用关闭引用函数结束该引用可使用一个节点读取或写入多个属性。但是，有的属性只能读不能写，有的属性只能写不能读。右键单击属性，在快捷菜单中选择转换为读取或转换为写入，可进行改变属性的操作。节点按从上到下的顺序执行。