基于LabVIEW的电子_秤的设计研究毕业设计.docx

毕业设计基于LabVIEW的电子秤的设计研究摘 要随着科学技术的进步，对测量技术的要求越来越高。电子测量技术在各个领域得到了越来越广泛的应用。传统的电子测量仪器由于其功能单一，体积庞大，己经很难满足实际测量工作中多样性、多功能的需要。以虚拟仪器为代表的新型测量仪器改变了传统仪器的思想，它们充分利用计算机强大的软硬件功能，把计算机技术和测量技术紧密结合起来，是融合了电子测量、计算机和网络技术的新型测量技术。特别是基于计算机平台的各种测量仪器由于成本低、使用方便等优点得到了更广泛的应用。本设计是结合传感器技术、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。关键词： 电子秤；虚拟仪器；LabVIEW Design of the intelligent electronic steelyard based on LabVIEWAbstractWith the development of science and technology,the requirement on measurement technology is getting more and more important.The application of electronic measurement technology has extended to more fields than before.Due to limited functions and big size,traditional electronic measuring equipments are no longer suitable to common purposes.The rapid development of integrated circuit and computer technology gives birth to a new kind of instrument,Virtual Instrument(VI).As a result,the testing cost increases by a wide margin.In recently years,a new measure technology that combines the technology of electron,technology of computer,technology of network,is developed and this new technology is named VI.Especially various measuring instruments based on computer,they are more widely used because of their excellence such as:lower cost,easily used,etc.The design of sensor technology, data acquisition technology and instrument technology development and design a LabVIEW-based electronic steelyard, the system used for ordinary PC-host, the use of graphic visual test software for LabVIEW software development platform, the weight will be tested Conversion processing of data acquisition, real-time processing that.Keyword: Electronics steelyard;Virtual instrument;LabVIEW目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言31.1 研究背景31.1.1 称重技术和衡器的发展错误！未定义书签。1.1.2 电子秤的发展状况31.2 本章小结错误！未定义书签。第二章 电子秤的功能、分类及现状32.1 电子秤的系统构成及其使用功能32.2 电子秤的分类错误！未定义书签。2.3 电子秤的现状错误！未定义书签。2.4 本章小结错误！未定义书签。第三章 虚拟仪器和LabVIEW简介33.1 虚拟仪器33.1.1虚拟仪器的发展史错误！未定义书签。3.1.2虚拟仪器的主要特点错误！未定义书签。3.1.3虚拟仪器的现状错误！未定义书签。3.1.4虚拟仪器的发展方向错误！未定义书签。3.2 LabVIEW语言33.2.1 LabVIEW使用的优势错误！未定义书签。3.2.2 LabVIEW的图形化程序设计错误！未定义书签。3.2.3图形化的程序设计的步骤错误！未定义书签。3.3 本章小结错误！未定义书签。第四章 基于LabVIEW的电子秤设计34.1 电子秤的硬件设计34.1.1 传感器34.1.2 信号调理电路错误！未定义书签。4.1.3 数据采集34.1.4 PCI-6221数据采集卡34.2 电子秤的软件设计34.2.1 前面板界面设计34.2.2 程序框图设计34.3 本章小结错误！未定义书签。第五章 设计总结3参考文献3致 谢错误！未定义书签。第一章 引 言1.1 研究背景质量是测量领域中的一个重要参数，称重技术自古以来就被人们所重视。公元前，人们为了对货物交换量进行估计，起初采用木材或陶土制作的容器对交换货物进行计量。以后，又采用简单的秤来测定质量。据考证，世界上最古老的计量器具出土于中东和埃及，最古老的衡器和砝码出自于埃及。秤是最普遍、最普及的计量设备，电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。低成本、高智能化的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。本章简述称重技术和衡器的发展过程，论述提出新型电子秤的意义，关键技术及工作重点等。随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。1.2 电子秤的发展状况电子秤是各行业对物料进行计量或工矿企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,智能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秤,成为测重领域的主流产品。 电子秤不仅要向高精度、高可靠方向发展， 而且更需向多种功能的方向发展。据悉，目前电子秤的附加功能主要有以下几种：（1）电子秤附加了处理机构计算机信息补偿装置, 可以进行自诊断、自校正和多种补偿计算和处理。（2）具有皮重、净重显示等特种功能。电子秤有些已具备了自动称量模式, 即通过进行算术平均、积分处理和自动调零等方法, 消除上述的误差。（3）附加特殊的数据处理功能。目前的电子秤有附加多种计算和数据处理功能，以满足多种使用的要求。今后， 随着电子高科技的飞速发展， 电子秤技术的发展定将日新月异。同时, 功能更加齐全的高精度的先进电子秤将会不断问世，其应用范围也会更加拓宽。1.3 知识点应用作品主要应用状态机、while循环、顺序结构、条件结构、波形显示、自定义控件、移位寄存器、数组、簇、子VI、公示节点、数据采集等知识点。第二章 电子秤的功能2.1 电子秤的系统构成及其使用功能电子秤的系统由由压力传感器、信号调理电路、数据采集卡和计算机组成。其工作的流程如图2.1所示。使用功能：电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，才能满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动”称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。图2.1 电子秤系统的流程图第三章 虚拟仪器和LabVIEW简介虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。 LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。 与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。3.1 虚拟仪器虚拟仪器（virtual instrumention）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，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。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。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。3.2 LabVIEW语言LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。 图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。 利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本准仪器。第四章 基于LabVIEW的电子秤设计结合传感器技术、数据采集技术和虚拟仪器技术开发设计了一种基于LabVIEW的智能电子秤,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。因为LabVIEW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。在一定环境下的测量重量的问题，在现实的生活中的各个方面得到广泛的应用，而传统的测量仪器不仅仪器本身存在较大的误差，而且其显示的结果主要靠人眼用目侧的方法读出，精度低，采集到的信息还必须通过操作员加以整理、计算，费时费力，因而结果往往与理论只有较大范围的出入。对比于传统仪器，用虚拟仪器测量有许多无法比拟的优点，比如进行远程采集、自动分析数据、网络共享、其他功能扩充等。本系统通过传感器得到反映重量信息的模拟电压信号后，经过调理电路滤波放大处理后，经VI采集卡送入电脑处理显示并保存。理论上，传感器上产生的信号不可避免的有一些干扰信号，而且采集卡采集数据时也有一定误差，因此采集的数据与真实的数据多少会有一定的出入。采用多次测量求平均值的方法能够更好的接近真实值，可把它作为真实值。但实际应用中，尤其是在精度要求不高的情况下，没有必要进行这种大规模的资源的浪费，因为现在的测量技术已经相当先进，误差完全能够控制在人们可以接受的范围内，也就是说采集一个数据就足够了。因此在本设计中，共采集量组数据：一组为数组，处理后取平均值作为真实值；另一组则为一个数据，当作测量值处理，然后再对其求误差。4.1 电子秤的硬件设计本系统主要由压力传感器、信号调理电路、数据采集卡和计算机组成,原理框图如图4.1所示图4.1 电子秤系统原理框图4.1.1 传感器传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常有敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。一般讲传感器由敏感原件和转换元件组成。但是由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体或与敏感元件一起集成在同一芯片上。因此，信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器组成的一部分。力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器等。电阻应变片压力传感器是国内外应用较为广泛的一种，它具有精度高、测量范围广、频响特性好等优点。本系统采用的压力传感器是电阻应变式传感器。1电阻应变式传感器电阻应变式传感器具有悠久的历史，是应用最广泛的传感器之一。将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，的构成测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。电阻应变式传感器是一种利用电阻应变式将应变或应力转换为电阻的传感器，可以用于测量应变、力、压力、位移、加速度、力矩等参数。具有动态响应快、测量精度高、使用简便等优点。根据敏感元件的材料形状的不同，电阻应变式传感器的应变片可分为金属应变片和半导体应变片两种。金属应变式有金属丝式、金属箔式和金属薄膜式；半导体应变片有扩散型、体型、和薄膜型。电阻应变式传感器主要由电阻应变片和测量电路两部分组成。当电阻应变式传感器在外力作用下产生机械形变时，其电阻值也相应发生变化，其电阻变化与应变的关系为 R/R=K0， 其中K0为灵敏系数由金属材料决定；为应变，当压力F在一定范围内时，以一个常数正比于F,应变由物体质量产生的荷重而形成,因此可得： m=F+b(a,b为常数)。4.1.2 数据采集在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。数据采集系统的基本任务是物理信号的产生与测量，要使计算机能够测量物理信号，首先需要把被测物理信号通过专用的传感器转换为电压或电流等电信号。通常被测物理信号不能够直接接到数据采集卡上，还需要利用所谓的信号调理电路转换为标准的电压信号或电流信号。信号调理模块具有滤波、放大、同步采样等功能。如采样频率、滤波，假设现在对一个模拟信号x(t)每隔t时间采样一次。时间间隔t被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数1/t被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t=O，t，2t，3t等等，x(t)的数值就被称为采样值。所有x(0)，x(t)，x(2t)都是采样值。这样信号x(t)可以用一组分散的采样值来表示: x(0)，x(t)，x(2t)，x(3t)，x(kt)，如果对信号x(t)采集N个采样点，那么x(t)就可以用下面这个数列表示:X=x0，xl，x2，x3，xN-l这个数列被称为信号x(t)的数字化显示或者采样显示。注意这个数列中仅仅用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率(或t)的信息。所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号x(t)的频率。根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠。出现的混频偏差是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。采样的结果将会是低于奈奎斯特频率(fs/2=50Hz)的信号可以被正确采样。为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集(A/D)之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。采样频率应当怎样设置呢?也许可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率。但是，较长时间使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数据太慢。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，实际上工程中选用5-10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。4.1.3 PCI-6221数据采集卡本设计所用的是PCI-6221数据采集卡，通过它来实现数据采集。图4.2 PCI-6221引脚图下面是对PCI-6221性能的一些介绍：输入通道：16路模拟输入分辨率：16位分辨率采样率:250ks/s采样速率模拟输出：2路模拟输出更新速率：833ks/s数字I/O:24路数字I/O计数器/定时器:2个32位的计数器/定时器触发方式：数字触发输入范围：0.2 V至10V4.2 电子秤的软件设计软件设计是系统的核心，在LabVIEW平台下，一个虚拟仪器由两部分组成：前面板和框图程序。前面板的功能等效于传统测试仪器的面板，框图程序的功能等效于传统仪器内部的各硬件电路模块。本系统主要通过LabVIEW编程来实现电子秤的功能，设计分为前面板设计和程序框图设计两部分。4.2.1 前面板界面设计前面板界面设计是虚拟仪器