基于LabVIEW软件而设计温度采集器的实验

虚虚 拟拟 仪仪 器器 实实 验验 报报 告告 基于 LabVIEW 软件而设计温度采集器的实验 学院 信息工程学院学院 信息工程学院 班级 班级 0909 自动化自动化 2 2 班班 学号 学号 09671062320967106232 姓名 杨顺景姓名 杨顺景 基于基于 LabVIEWLabVIEW 软件而设计温度采集器的实验软件而设计温度采集器的实验 一 实验目的一 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 仪器设备二 仪器设备 三 设计原理概述三 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 所需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 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 四四 实验内容实验内容 1 1 LabVIEWLabVIEW 虚拟仪器入门虚拟仪器入门 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 2 温度采集系统设计温度采集系统设计 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 12 1 温度采集系统的硬件设计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 0 5V 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 22 2 温度采集系统的软件设计温度采集系统的软件设计 2 2 12 2 1 标度变换标度变换 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 22 2 2 数据采集子程序 数据采集子程序 SubVISubVI 设计 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 32 2 3 系统的闭环控制实现过程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 1 500 倍 2 2 42 2 4 温度检测系统温度检测系统 VIVI 程序设计程序设计 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 以下是实验时的部分截