基于LabVIEW的水温检测系统设计

-基于LabVIEW的水温检测系统设计【摘要】：本文主要讨论了虚拟仪器的概念、特点，数据采集的相关理论，运用labview软件设计出水温检测系统，该系统可以对水温进行实时监测，并将水温数据用折线形式显示在软件界面上并相应记录在表格内，以及当水温与设定温度不符时有报警的功能。该系统的基本原理是通过采集卡采集输入的信号，然后传输到计算机，由计算机中的软件系统对信号进行处理。在此次设计中用到的采集卡是NI软件中虚拟添加的采集卡。【关键词】：labview、数据采集、水温检测。-i-Abstract:Thispapermainlydiscussestheconceptandcharacteristicsofvirtualinstrument,dataacquisitionofrelatedtheory,usinglabviewsoftwaredesignofatemperaturedetectionsystem,thesystemcanbereal-timemonitoringofwatertemperature,andwatertemperaturedataintheformofalineshowonthesoftwareandcorrespondingrecordsinthetable,andwhenthewatertemperatureandsettemperaturediscrepancyalarmfunction.Thebasicprincipleofthesystemisthroughacquisitioncardcollectionofinputsignal,andthentransmittedtothecomputer,thesignalprocessingbycomputersoftwareinthesystem.UsedinthedesignoftheacquisitioncardisaddedvirtualintheNIsoftwareacquisitioncard.Keywords:labview,.Dataacquisition,temperaturedetection.-ii-目录前言.2第1章绪论.3第1.1节课题研究的主要内容.3第1.2节课题研究的意义与目的.3第1.3节虚拟仪器在数据采集中的应用价值.3第2章虚拟仪器的介绍.5第2.1节虚拟仪器的发展史.5第2.2节虚拟仪器的主要特点.5第2.3节虚拟仪器I/O接口设备.6第2.4节虚拟仪器的结构.6第2.5节LabVIEW简介.7第3章数据采集及设计方案.8第3.1节基于LabVIEW的数据采集及存储.8第3.2节数据采集系统的基本组成.8第3.3节基于虚拟仪器的控制系统.9第3.4节基于labview的水温检测系统.9第4章程序运行和调试.10第4.1节程序的运行.10第4.2节程序的调试方法.10第4.3节系统的运行.11结论.21参考文献.22致谢.23第0页前言随着计算机、微电子技术和网络技术的迅速发展，传统仪器已经不能满足现代测控系统的要求，美国国家仪器公司首先提出“虚拟仪器”的概念，它彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式，使得用户可以自己定义仪器，灵活的设计仪器系统，以满足多样化的需求，从而使电子测量仪器和自动控制领域发生了一场巨大的变革。虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器，也就是在计算机上加一组软件或硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像在操作一台他自己设计的专用传统电子仪器。其实质是将计算机技术和仪器技术相结合，把传统仪器的三大功能，全部放在计算机上来完成。利用计算机屏幕形象、方便地模拟各种仪器控制面板，以各种形式表达输出检测结果；用计算机软件实现各种信号分析、处理及存储，完成多种多样的测试功能；用键盘或鼠标代替传统仪器的面板按键与按钮，人手不再触及仪器本身，实现硬件软件画的结果。虚拟仪器充分利用最新的计算机技术来实现和空战仪器的功能，进而逐步代替传统仪器完成某些功能，如数据的采集、分析、显示和存储等，最终达到取代传统电子仪器的目的。第1页第1章绪论第1.1节课题研究的主要内容课题是基于labview开发环境的水温检测，利用传感器检测信号，通过采集卡采集数据，最终在PC上显示为实时温度曲线，已经报警和数据记录。第1.2节课题研究的意义与目的温度是产业和科学研究中的一个非常重要的参数，物体的很多物理现象和本质都与温度有关，大多数生产过程都是在固定温度范围内进行的，需要检测温度的地方非常的多。当下的温度衡量体系大多数运用的都是传统仪器，传统仪器的功能都是通过硬件或者固有软件来实现的。这样的框架结构表明它只能由仪器厂家来定义、设计、生产，而且它的规格和功能通常都是固定的，用户有自己的想法，却不能改变它的功能和它的结构。随着科学技术的进步，计算机技术的发展日新月异，传统仪器已经不能满足现代监测系统的要求，美国国家仪器公司（简称NI）率先提出虚拟仪器（VirtualInstrumentation）的概念，它打破了仪器由生产厂家制造的概念，用户无法改变的模式，给测控仪器的生产带来了翻天覆地的变化。20世界90年代初在我国开始了虚拟仪器的开发和应用，未来市场潜力巨大。虚拟仪器就是将来仪器技术发展的标兵，它将作为衡量仪器是否先进的标准。虚拟仪器是应用于通用计算机与功能模块的硬件组合在一个新的测量仪器仪表系统。用户对着显示器的图形界面操作计算机，实现对被测量的数据收集、分析、处理、显示、保存等整套测试工作，就好像是用户自己为自己设计的指定功能的仪器。本设计利用LabVIEW软件在计算机设计出一个虚拟的水温采集系统,通过温度传感器检测信号，然后信号被DAQ采集卡采集，再将采集到的数据送入计算机程序，对采集到的温度进行记录并显示在计算机上。第1.3节虚拟仪器在数据采集中的应用价值从数据采集仪器从产生到现在，经历了这样几个阶段：模拟仪器阶段，数字化仪器阶段，单台仪器阶段，层叠式仪器系统阶段，从20世界80年代进入了虚拟仪器系统阶段。虚拟仪器是现代通讯技术与计算机技术结合的产物，是现代计算机辅助测试领域的一项核心技术。虚拟仪器是一种基于计算机的，与相应测试功能的硬件作为信号输入/输出的借口，完成信号的采集，测量与调理，最终完成各种测试功能的系统。虚拟仪器通过软件将计算机资源和仪器硬件资源有机的连接起来，从而把计算机强大的计算机处理第2页能了和仪器的硬件测试，控制能力结合在一起，有效的节约了仪器硬件成本并减小了仪器的体积，并通过软件实现对数据的显示，存储以及分析处理。软件此时就成为了虚拟仪器的关键。“软件就是仪器”这就是对虚拟仪器最好的定义。LabVIEW是一个完善功能的强大的仿真工具，常用于外部数据源获取数据，具有很多能实现相关功能的专用VI。之后再把数据采集卡连入计算机中，这台计算机就拥有了传统仪器的全部模块一。虚拟仪器的采集过程如图1-1所示。被测对象信号调理多功能数据采集卡数据分析数据处理数据存储虚拟仪器面板数据显示图1-1数据采集过程第3页第2章虚拟仪器的介绍第2.1节虚拟仪器的发展史虚拟仪器是现代实验的基本组成部分，虚拟仪器的发展主要经历了五个重要的时代，下边将各个时代的主要仪器代表作出简单介绍。1、第一模拟时代以电磁感应基本原理为基础的指针式仪器，如电流电压表，万用表等。2、第二代分立元件式仪器20世纪50年代出现电子管、60年代出现晶体管，从此测试仪器就进入了电子晶体管时代。3、第三代数字化仪器20世纪70年代，随着集成电路的出现，出现了以集成芯片为基础的第三代仪器，代表有数字万用表、数字频率仪等。4、第四代智能仪器微电子技术的微处理器的出现，使虚拟仪器进入了以微处理器为基础的时代。5、虚拟仪器虚拟仪器出现在上世纪90年代，它是一种新型仪器，它具有超越性，它将以前由硬件完成的信号处理工作交由计算机软件进行处理完成，从而使仪器的硬件功能的软件化，给测试带来了巨大的改进，可以说，虚拟仪器的诞生是对传统仪器概念的重大突破，是仪器领域的一次新的改革。因此，虚拟仪器代表了当前测试仪器发展的方向，使人类的测试技术进入了一个新时代。第2.2节虚拟仪器的主要特点虚拟仪器是一种把计算机技术和仪器相结合所形成的一种全新的富有生命力的技术类型。与传统仪器相比，虚拟仪器拥有以下几个特点：1、以“软件就是仪器”的新概念替换“硬件为主体”的旧传统仪器的概念。由软件取代硬件甚至整机在仪器中实现功能成，软件作为虚拟仪器的核心部分，而硬件只是为了解决信号的输入、输出，这是虚拟仪器相比较与传统仪器在概念上做出的重大突破。软件决定仪器的处理能力和智能化的程度，凭借用户自己的需求，将先进的处理算法、人工智能或者专家系统应用于仪器的设计与集成，这大大提高了仪器的水平，此外，虚拟仪器充分利用了计算机丰富的图形用户界面资源，建立图形化软面板，真正做到界面友好、人机交互。2、用户可以自己定义虚拟仪器的功能，虚拟仪器的功能可在用户个人的计算机上产第4页生，从而使得硬件再也不能完全决定仪器得功能，彻底改变了传统仪器一旦设计完成、生产成功后，就不能再改变的情况，打破了传统仪器的单一性和封闭性。当要完成不同功能是，用户只要用软件编程设定新的功能，再也不用掏钱去买一款新的指定功能的仪器，也就是只需要一台虚拟仪器就能够完成多种仪器才能实现的功能，大大提高了一起功能的灵活性。3、易于构建网络化的测量仪器，虚拟仪器基于计算机网络技术和接口技术，具有灵活、方便的互联性，能与网络及其他周边设备互联。4、虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，而且采用了模块结构，系统具有良好的开放性和扩展性。第2.3节虚拟仪器I/O接口设备I/O接口设备主要功能是对被测输入信号进行一些处理，可以根据不同的实际情况采用不同的硬件设备，如USB、数据采集卡/板(DAQ)、串口仪器、VXI总线仪器、GPIB总线仪器等，这里主要讨论数据采集卡。数据采集(DAQ)，指的是从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析，处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCIExpress、火线(1394)、PCMCIA、ISA、CompactFlash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。其中USB是最新技术的数据采集卡，具有精度高，可携性好等优点，它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性；利用DAQ卡可方便快速地构建虚拟仪器系统。在性能上，随着A/D转换技术，滤波技术和信号调理技术的发展，DAQ卡的采样速率快，精度高，通道数高，并具有数字I/O，模拟I/O和计数器/定时器等通道。第2.4节虚拟仪器的结构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2-1所示。第5页显示器人机接口信号处理和分析各类接口A/D转换器数据发生器信号调理器信号调理器D/A转换器信号调理器图2-1虚拟仪器的构成第2.5节LabVIEW简介LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是LabVIEW的程序模块。LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在LabVIEW中被称为前面板。创建完前面板之后，只要使用图形化的函数添加源代码来控制前面板上的对象。在程序框图上添加图形化代码，即G代码或程序框图代码。因此又被称作程序框图代码。所有的labVIEW应用程序都是由前面板、流程图以及图框三部分组成4。（1）前面板：是图形用户界面，用户输入控制和输出显示来构成。控制是用户输入数据到程序的接口，而显示是输出程序产生的数据接口。控制和显示是用各种图形形式显示在前面板，具体表现为：旋钮、开关、图形图标以及其他控件和显示的对象等，这使用户界面更加直接观察和理解。（2）程序框图：由节点、端点、图框和连接线四种元素构成。labVIEW有两种节点类型，函数节点和子VI节点。labVIEW以编译好的机器代码供用户使用，而子VI节点是以图形语言形式提供给用户，用户可访问和修改任一子VI的节点代码，但无法对函数节点进行修改。第6页第3章数据采集及设计方案第3.1节基于LabVIEW的数据采集及存储LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineering）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(DataAcquisition-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中各种数据采集的控制完成特定的功能，它不能没有DAQ驱动支持。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，数据采集模块是核心模块，它将硬件电路与计算机连接起来，然后把硬件电路的信号采集到计算机。首先使用DAQ助手采集信号，从硬件送入软件中，然后通过示波器在前面板上显示的信号变化，与此同时使用信号拆分模块把送进来的信号分离出来，以便对温湿度不同的信号做不同的处理，从而实现对温度的数据采集，数据自动存储、显示以及报警。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MicrosoftExcel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。第3.2节数据采集系统的基本组成一般的，数据采集系统通常由原始信号、信号调理设备、数据采集设备和计算机四个部分组成。但是很多自然界中的原始物理信号我们无法直接测量，所以，我们可以使用传感器把这些无法直接测量的信号转换为数据采集设备可以识别的电压或电流信号。使用信号调理设备的原因是有一些电信号也是不能直接测量的，所以就要使用信号调理设备对不能直接测量的信号进行一些处理将它变为可测量信号，这样数据采集设备就能更加方便的对该信号进行准确的测量。数据采集设备的作用是将模拟的电信号转换为数字信号送给计算机进行处理，或将计算机编辑好的数字信号转换为模拟信号输出。计算机上安装了驱动和应用软件，使我们能够方便的访问硬件，完成采集任务，并对采集到第7页的数据进行后续分析和处理。对于数据采集应用来说，我们使用的软件主要分为三类。首先是驱动。NI的数据采集硬件设备对应的驱动软件是DAQmx，它提供了一系列API函数供我们编写数据采集程序时调用。并且，DAQmx不光提供支持NI的应用软件LabVIEW，LabWindows/CVI2的API函数，它对于VC、VB、.NET也同样支持，斱便将您的数据采集程序与其它应用程序整合在一起。第3.3节基于虚拟仪器的控制系统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。第3.4节基于labview的水温检测系统改设计的思想是：当水温信号传来，信号被DAQ采集卡采集，进入计算机虚拟仪器程序，对采集到的温度进行判断，当温度高于或者低于设定温度上下限时，系统报警，并且系统将对采集到的实时数据进行显示和存储。如图3-1所示。信号输入DAQ采集计算机温度上下限报警温度显示温度记录图3-1系统流程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。第8页第4章程序运行和调试第4.1节程序的运行编写完虚拟仪器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，程序便会开始运行，观察系统是否运行即可。当我们想要停止系统运行时只要按下停止按钮。暂停按钮用于在程序运行时让程序暂停，单击该按钮，程序暂停第4.2节程序的调试方法1.找出语法错误当程序无法运行时。运行按钮会变成，也就是说程序存在错误，单击该折断的箭头或使用菜单命令Windows-ShowErrorList，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打开程序框图，找到按钮，点击它之后会变成，然后单机运行按钮，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，闪烁的节点表示该节点准备执行。激活单步执行后，按钮称作单步进入，按钮乘坐单步跨越。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。单击按钮，结束正在执行的节点。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。第9页探针结合高亮执行、单步执行和断点等工具可以使程序调试相当迅速、有效。第4.3节系统的运行4.3.1.硬件配置采用DAQmx采集卡，桌面打开NIMAX软件，打开我的系统下拉菜单，右击数据和邻居，选新建指令，选取NI-DAQmx任务，点击下一步，再选取生成信号的下拉菜单中模拟输出的命令，之后选择电压，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：Inputconfiguration=res（单端输入）采样率：rate=1000HZ采样点：samplestoread=100步骤如图4-1到图4-4所示。图4-1数据邻居第10页图4-2新建DAQ任务图4-3选择电压第11页图4-4通道选择4.3.2.程序运行由于条件限制，我们使用模拟信号调试，需要先添加一张虚拟采集卡，添加方法如下：打开NIMAX软件，左击左上角我的系统，打开下拉菜单，找到设备与接口，右击选择新建，如图4-5所示。图4-5新建设备第12页然后我们选择仿真NI-DAQmx设备或模块化仪器图4-6新建模块等待片刻，便跳出新的窗口，然后我们找到M系列，选则NIPCI-6221，点击确定，便成功了。图4-7仿真器选择关于添加的虚拟采集卡，我们现在可以在设备里面找到它图4-8NIPCI采集卡第13页右击它便可完成各种指令，如自检，重置，配置，测试面板等，我们也可以查看它的引脚图4-9引脚图配置好虚拟采集卡，我们的水温检测系统就可以运行了，用labview2012打开设计好的程序：首先我们看到的是前面板：图4-10界面前面板第14页我们看到前面板上的很多内容，左半边有模拟信号与实际信号的单项选择按钮，有采样率和采样数，以及温度上下限的设定和停止按钮，又半边是实时曲线以及温度的保存记录。然后我们需要看一下程序框图，方法是单击窗口菜单栏，选择显示程序框图，我们就进入程序框图界面。图4-11程序框图我们从左往右看，当我们选择实际信号时，首先最左边是一个单项选择按钮接一个case结构，里面是一个DAQ采集助手，这个是可以采集实际的信号。那么我们如何弹出这个DAQ采集助手呢，右击空白位置，选址测量I/O就可以找到这个DAQ采集助手。图4-12DAQ采集助手第15页然后我们选择采集信号，模拟输入，最后选择电压图4-13模拟信号选择最终左半边连线图如图4-14所示。图4-14实际信号框图而我们实际上运行的是模拟信号，那么模拟信号时的程序框图是怎么样的呢，如图4-15所示。第16页图4-15模拟信号框图这是通过一个数值加上一个随机数来模拟信号的，而数值呢是由用户自己去设置的。在框图的右半部分是两路温度的显示，在这里我们要做的是把温度连接到波形图表的显示块上，并且我们还需要对温度进行判断，看它是否高于或低于标准的温度，再通过一个布尔元器件进行警报，同时为了是报警更加明显我们添加了一个闪烁功能。图4-16温度检测及报警那么在程序框图的下面部分，是记录温度的表格。这里添加了一个系统时间的VI，然后将时间和温度都转换成字符串，输入到表格，在记录到表格之前，要进行初始化，最后由于表格要不断的记录我们使用了移位寄存器，程序外面加了while循环，程序会一直循环运行，但是运行一次后会延时500ms再运行。第17页图4-17写入表格图4-18初始化表格最后运行时我们运行时选择模拟信号，点击开始按钮后，系统开始运行，波形图表开始显示波形，表格同时开始记录温度，当温度正常时，报警灯不会显示，当温度超过会低于设定温度是，报警灯闪烁。显示如图4-19与图4-20。图4-19正常温度是的记录第18页图4-20温度不正常报警时的图表第19页结论本次设计运用虚拟采集卡代替实际采集卡，用模拟数据仿真实际数据，利用LabVIE