基于虚拟仪器的温湿度监控系统-精品

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基于虚拟仪器的温湿度监控系统

摘 要

温湿度监控就是对周围环境的温湿度进行检测，进而调节影响温湿度的因素，使之向人们所希望的方向变化。实现温湿度监控有很多种方法：基于单片机的温湿度监控系统；基于虚拟仪器的温湿度监控系统；基于MatLab（即矩阵实验室Matrix Laboratory）的温湿度监控系统；基于GSM（即Global System for Mobile Communications的缩写，中文为全球移动通讯系统）远程分布式温湿度监控系统。

本文提出了一种基于虚拟仪器的、针对农业温室温湿度的温湿度监控系统，即利用LabVIEW实现对农业温室的温湿度监控，该系统可以实现对传感器采集的数据进行简单处理，存储和显示，以及越限报警等功能。

具体的，当采集到的温湿度，高于或者低于设置的（适合农作物生长的）温湿度时，系统报警，操作人员可以通过通风、灌溉等相应的措施调节，达到保持最适农作物生长温湿度的目的。

与其它两种方法比较，基于虚拟仪器的温湿度监控系统更具优势，由于有NI公司生产的配套产品——DAQ数据采集卡（本次设计采用的采集卡是PCI-6221）的配合使用，使整个系统结构更简单，功能更强大。

关键词：虚拟仪器；温湿度传感器；数据采集；虚拟控制系统；数据采集卡

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Virtual instrument based on temperature and humidity control

Abstract

Temperature and humidity monitoring is on the surrounding environment to detect the temperature and humidity, which affect the temperature and humidity adjustment factors, so that people want to change direction. Monitor temperature and humidity to achieve there are many ways: single-chip based on the temperature and humidity control system; virtual instrument based on the temperature and humidity control system; based on MatLab (Matrix Laboratory that Matrix Laboratory) of the temperature and humidity control system; based on the GSM (or Global System acronym for Mobile Communications, Chinese for the Global System for Mobile Communications) long-range distributed temperature and humidity monitoring system.

This paper presents a virtual instrument based on, for agricultural greenhouse temperature and humidity of the temperature and humidity control system, namely the use of LabVIEW to achieve greenhouse agriculture monitoring the temperature and humidity, the system can be achieved on the sensor data collected by simple handling, storage and display, as well as more features such as alarm threshold.

Specific, when the collection of temperature and humidity, above or below the set (suitable for crop growth) temperature and humidity, the system alarm, the operator can ventilation, irrigation and other appropriate measures to adjust to maintain optimum crop growth temperature The purpose of humidity.

And the other two methods, based on virtual instrument temperature and humidity monitoring system is superior, because of the supporting NI products company - DAQ data acquisition

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card (in this design is the acquisition card PCI-6221) with the use, the structure of the whole system simpler and more powerful.

Keywords: Virtual instrument; temperature and humidity sensors; data acquisition; virtual control system; data acquisition card

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目 录

摘 要 ......................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II 第一章 引 言 ............................................................................................................................ 1

1.1 研究背景 ..................................................................................................................... 1

1.1.1 温湿度监控系统的意义 .................................................................................. 1 1.1.2 虚拟仪器的概况 .............................................................................................. 2 1.1.3 虚拟仪器的发展前景 ...................................................................................... 4 1.2 LabVIEW简介 ............................................................................................................ 5

1.2.1 LabVIEW的功能与特点 ................................................................................. 5 1.2.2 LabVIEW程序构成与模块简介 ..................................................................... 6

第二章 硬件介绍 ...................................................................................................................... 9

2.1 数据采集卡介绍 ......................................................................................................... 9 2.2 传感器简介 ............................................................................................................... 11 第三章

基于虚拟仪器的数据采集与控制 ......................................................................... 14

3.1基于LabVIEW的数据采集 ..................................................................................... 14

3.1.1数据采集的基础 ............................................................................................. 14 3.1.2基于LabVIEW的数据采集及存储 .............................................................. 18 3.2 基于虚拟仪器的控制系统 ....................................................................................... 20

3.2.1虚拟仪器与LabVIEW在控制中的应用 ...................................................... 20 3.2.2基于虚拟仪器的控制系统的结构 ................................................................. 22

第四章

基于虚拟仪器温湿度监控系统的方案设计 ......................................................... 23

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4.1 基于虚拟仪器温湿度监控系统 ............................................................................... 23

4.1.1系统前面板 ..................................................................................................... 24 4.1.2程序子模块 ..................................................................................................... 25 4.2系统程序总图 ............................................................................................................ 29 第五章

程序运行和调试 ..................................................................................................... 31

5.1 程序的运行 ............................................................................................................... 31 5.2程序调试技术 ............................................................................................................ 31 5.3系统的运行 ................................................................................................................ 32 总结 .......................................................................................................................................... 34 参考文献 .................................................................................................................................. 35 附录A系统前面板 ................................................................................................................. 36 附录B程序总图 ..................................................................................................................... 37 致谢 .......................................................................................................................................... 38

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第一章 引 言

1.1 研究背景

传统的温湿度检测往往使用普通的仪表，温度计就是最常见的测温工具，通过人工读数、记录、整理数据，绘制曲线和编写实验报告，为了使结果准确，需要选取较多测试点，造成人员工作量大，数据记录时间长，数据处理和分析复杂。利用较先进的技术实现温湿度监控系统的方法也有很多种，如：基于单片机的温湿度监控系统；基于GSM的温湿度监控系统；基于虚拟仪器的温湿度监控系统等。

利用单片机实现温湿度的监控，需要较高的编程水平及严谨的逻辑思维，使用汇编语言或C语言进行程序的编辑。

基于GSM的温湿度的监控系统，是利用DSM短信业务，将待发消息加上地址发送到短信中心，再由短信中心转发到最终目的地。

本设计是以DAQ采集卡为硬件平台，以LabVIEW为软件平台，实现对环境温湿度的检测。基于虚拟仪器的温湿度监控系统结构、原理较简单，但功能较强，可以对周围环境的温湿度进行采集、存储、前面板的显示、上下限的报警以及报警历史的清除等。 1.1.1 温湿度监控系统的意义

日常生活中的很多方面都与温湿度有关，例如：农业上，农作物生长需要合适的温湿度；图书馆贵重书籍的存放，跟温湿度密切相关；军事上，弹药库中的弹药既不能受潮，也不能太干燥，受潮后影响弹药质量，太干燥，则可能引发爆炸，造成严重的后果。

随着生活质量的提高，人们越来越追求健康舒适的生活，而实现这些目标跟周围环境的温湿度有很大的关系。因此，对温湿度的监测是十分必要的。

传统的人工温湿度采集方法已经不能满足人们的要求。计算机温湿度自动采集不但能够增加数据的可信度和准确度，而且实时性明显得到提高，同时还减轻了劳动强度，

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提高了效率，排除了由技术水平，劳动态度等人为因素对采集带来的影响。如果用人工采集，可能需要多个工人在闷热，潮湿，高噪声等不同恶劣的环境中工作，而计算机采集完全可以避免这些问题，而且可以同时实现存储、显示、制表、绘制曲线、报警等多种功能。

1.1.2 虚拟仪器的概况

随着科学技术的发展，人们在监控与监测生产过程、居住环境、生活质量等过程中，制造了各种各样科学仪器。这些仪器种类繁多、功能千差万别，而其发展历程大致可以分为四个阶段。

第一阶段的仪器是模拟式仪器仪表。它的主要结构是基于电磁机械式机构，其测量结果是依靠指针显示，也称为模拟指针仪表。

第二阶段是数字化仪表。它们将模拟信号转换为数字信号，以数字形式输出并显示出结果。

第三阶段是智能仪器。这种仪器内部有微处理器，可以进行自动检测，具有一定的数据处理能力，但是由于功能模块是硬件预固化的软件，对开发和应用仍不灵活。

以上三代仪器，对于用户来说是一个封闭的系统，仪器的面板、旋钮、开关和显示方式，内部电路及仪器所能提供的功能都是固定的，与其他设备的连接也受限制。开发这类仪器需要专门的技术和高成本的元部件，这造成了这类仪器更新周期长（约5~6年），价格高的特点。人们一般把这类仪器称为传统仪器。

随着计算机硬件技术、软件技术的不断发展与成熟，全新概念的第四代仪器——虚拟仪器出现了。

1986年美国国家仪器公司（NI）首先提出了虚拟仪器的概念，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

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推出了LabVIEW2.0以前的版本。目前LabVIEW的最新版本为LabVIEW8.6，LabVIEW 8.6为多线程功能添加了更多特性，这种特性在1998年的版本5中被初次引入。

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1.1所示：

显示器人机接口信号分析及处理各类接口A/D转换器数据发生器信号输入信号调理器信号调理器D/A转换器信号调理器信号输出

图1.1 虚拟仪器的构成

NI提出的“软件即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的模式，利用虚拟仪器，用户可以很方便地组建自己的自动检测系统。

显然，与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下特点：

1.融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。

2. 利用计算机丰富的软件资源，实现了部分硬件的软件化，增加了系统的灵活性。通过软件技术和相应数值算法，可以实时、有效地对测试数据进行各种分析与处理。同时，利用图形用户界面技术使得人机交互方便。

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3.基于计算机总线和模块化仪器总线，硬件实现了模块化、系列化，提高了系统的可靠性，改变了系统的易维护性。

4.基于计算机网络技术和接口技术，具有方便、灵活的互联能力，广泛支持各种工业总线的标准。因此，利用VI技术可方便地构建自动测试系统，实现测量、控制过程的智能化、网络化。

5.基于计算机开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬件、软件都具有开放性、互换性及可重复使用等特点。用户可根据自己的需要，选择不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活，效率更高，系统组建的时间更短。 1.1.3 虚拟仪器的发展前景

自从虚拟仪器的概念提出后，虚拟仪器技术迅速得到了发展，在科研、开发、测量、计量、测控等领域得到了广泛的应用。它的发展大致可分为四个阶段。

第一阶段称为初级虚拟仪器。初级虚拟仪器是利用计算机来增强传统仪器的功能。随着GPIB总线标准的确立，人们把传统仪器通过GPIB和RS-232C同计算机连接，从而可以用计算机来控制仪器。

第二阶段称为开放式虚拟仪器。插入式数据处理卡的出现，如基于台式计算机PCI总线的数据采集卡（DAQ），基于笔记本计算机PCMCIA总线的数据采集卡，使得虚拟仪器进入了开放式时代。

第三阶段称为虚拟仪器框架。由我国自主提出的“框架协议”开发系统，利用面向对象技术封装出虚拟仪器的功能库、控件库、开发系统、帮助模块等，用户利用这一系统几乎可以“零编程”地开发出虚拟仪器。

第四阶段称为网络化虚拟仪器。随着远程、复杂、大范围的测控任务的需求越来越大，网络化虚拟仪器就应运而生了，这就是所谓的“仪器流技术”。以PC机和工作站为基础，通过Internet网进行远程控制，不仅可以充分利用仪器资源、降低检测成本，也

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可以提高测控系统的功能，拓展其应用范围。

目前，虚拟仪器已经形成了一个很庞大的产业市场，国外生产虚拟仪器的厂家有NI公司、HP公司、Tektronix公司等。我国目前有许多科研机构和高校均在进行虚拟仪器技术研究，虽然我国在虚拟仪器领域起步较晚，但与发达国家差距并不太大。我们应

该抓住机会，通过学习先进国家的技术，努力提高我国虚拟仪器的技术水平。

1.2 LabVIEW简介

当前，在使用比较广泛的虚拟仪器软件开发平台中，NI公司的LabVIEW是最具代表性的图形化虚拟仪器开发平台。 1.2.1 LabVIEW的功能与特点

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（VI），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，有一个可以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。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。

由于虚拟仪器的延伸和发展，使得LabVIEW 的应用变得越来越广泛；反过来，也是因为LabVIEW的成功，才使得虚拟仪器在学术界和工程界被广泛接受。

作为一种软件工具语言，具有以下这些特点：

1.图形化编程环境。LabVIEW采用专为工程师和科学家而设计的直观的图形化编程语言。它尽可能利用了技术人员所熟悉的术语、图标和概念。在测试系统的开发过程中设计人员基本上不写程序代码，取而代之的是图形化符号。因此，可以方便迅速的建立

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自己的虚拟仪器系统。

2.功能强大的函数库。LabVIEW提供了用于输入/输出、控制、分析和数据显示的数百个内置函数。这些函数可以直接调用，从而可以大大提高工作效率。

3.灵活的程序调试手段。可通过设置断点、单步运行、高亮执行及设置探针等程序调试手段来检查程序设计中的错误。

4.开放式的开发平台。用户在使用LabVIEW的时候，可以调用其他软件开发编译模块。

5.支持多种操作系统。LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh等多种版本，并且在不同平台上开发应用程序时，可直接进行移植。

6.强大的Internet功能。支持常用网络协议，易于构建基于计算机网络的测试系统。 1.2.2 LabVIEW程序构成与模块简介

LabVIEW的核心是VI（G语言编写的程序）。该环节包含三个部分：程序前面板(Front Panel)、程序框图(Block Diagram)和图标/连接端口（Icon/Connector）。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控件(Controls)，模拟了仪器的输入装置，并把数据提供给VI的方框图；输出量被称为指示器(Indicators)，模拟了仪器的输出装置，并显示由方框图获得或产生的数据。控件和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使得前面板直观易懂。

LabVIEW中有两种类型的数据端口，其中一类是控制端口和指示端口；另一类是节点端口。控制端口和指示端口用于前面板对象，当VI程序运行时，控制输入的数据通过控制端传递到框图程序，供其中的程序使用，产生的输出数据再通过指示端口传输到前面板对应的指示中显示。每个节点端口都有一个或数个数据端口用于输入或输出。

用LabVIEW编制出的图形化VI是分层次和模块化的，可以将它用于顶层(Top level)

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程序，也可用作其它程序或子程序的子程序。一个虚拟仪器的图标被放置在另一个虚拟仪器的流程图中时，它成了个子仪器(SubVI)。SubVI在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的。LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念，用户可以把一个应用题目分解为一系列的子任务，每个子任务还可以进一步分解成许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的题目分解为许多子任务的组合，

首先设计SubVI完成每个子任务，然后将之逐步组合成能够解决最终问题的VI。 1.前面板 （Front Panel）

前面板是程序与用户交流的窗口，用于设置各种输入控制参数和观察输出量。前面板的作用相当于传统仪器的面板，在它上面有用户输入和显示输出两类对象。具体表现为开关、旋钮、拨盘等用户输入的控制对象和图形、图表等显示对象。

如图1.2所示的是一个正弦函数产生和显示VI的前面板，上面有一个显示对象，图形显示控件，以曲线的方式显示了一个正弦波。有两个控件对象，即旋钮和停止键，旋钮用于调节产生的正弦波的幅值，停止/启动按钮用于启动和停止程序的运行。

图1.2正弦波产生和现实

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2.程序框图（Block Diagram）

每个前面板都有相应的程序框图与之对应。程序框图是VI的图像化源代码，是实现程序的核心，可以把它想象为传统仪器机箱中用来实现功能的零部件，它可以控制和操纵定义在前面板的输入和输出功能。程序框图由节点、端口和连线等要素组成。图1.3所示的是一个正弦函数产生和显示VI的程序图（与图1.2相对应）。

图1.3正弦波产生和显示的程序框图

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第二章 硬件介绍

硬件是任何一个系统不可缺少的部分。本次设计中涉及到的主要硬件有：PC机、传感器、DAQ数据采集卡及其I/O端口。

2.1 数据采集卡介绍

一个典型的数据采集卡的功能应有模拟输入、模拟输出、数字输入/输出端口、计数器/计时器等，而这些功能分别由相应的电路来实现。

模拟输入是采集最基本的功能。它一般由放大器、采样保持电路以及A/D来实现，通过这些部分，一个模拟信号就可以转化为数字信号。A/D的性能和参数直接影响着模拟输入的质量，要根据实际需要的精度来选择合适的A/D。

模拟输出通常是为采集系统提供激励。输出信号受数模转换器（D/A）的建立时间、转换率、分辨率等因素影响。建立时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。建立时间短、转换率高的D/A可以提供一个较高频率的信号。如果用D/A的输出信号去驱动一个加热器，就不需要使用速度很快的D/A，因为加热器本身就不能很快地跟踪电压变化。应该根据实际需要选择D/A的参数指标。

数字输入/输出通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。它的重要参数包括：数字口路数（line）、接收 (发送 )率、驱动能力等。如果输出去驱动电机、灯、开关型加热器等用电器，就不必用较高的数据转换率。路数要能同控制对象配合，而且需要的电流要小于采集卡所能提供的驱动电流，但如果加上合适的数字信号调理设备，仍可以用采集卡输出的低电流的TTL电平信号去监控高电压、大电流的工业设备。数字I/O常见的应用是在计算机和外设如打印机、数据记录仪等之间传送数据。

计数器包括三个重要信号：门限信号、计数信号、输出。门限信号实际上是触发信号——使计数器工作或不工作；计数信号即信号源，它提供了计数器操作的时间基准；

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输出是在输出线上产生脉冲或方波。计数器最重要的参数是分辨率和时钟频率，高分辨率意味着计数器可以记载更多的数，时钟频率决定了计数的快慢，频率越高，计数速度就越快。

采集卡在数据的采集与处理中应满足下面的条件: 1.采样精度高，数据准确。

2.采样范围宽，能实现不同频率下的采样。 3.自动处理分析数据，得出分析结果。 4.操作简单方便，易于控制。

本次设计采用的是M系列PCI-6221型数据采集卡，这是一个基于PCI的同步数据采集卡，它可以充分利用计算机的资源增加测试系统的灵活性和扩展性，且用户可以通过LabVIEW应用程序给驱动发送诸如采集、显示和分析等指令，为用户节省了编写底层函数的时间和麻烦。它有16路模拟量输入通道，24个数字输入/输出端口，2个16位模拟输出通道，两个32位计数器，6个DMA通道，且每个功能都有独立的DMA控制器。而且，M系列的新技术能提供更高的性能和更多的端口，具有更高的价值。NI-STC2是专门为M系列DAQ设备设计的特定用途集成电路(ASIC )，提高了设备的输入/输出端口通道数，数据吞吐率增强了12倍。NI-MCaI技术提供线性化和校准引擎，很大程度地提高了整个输入范围内精度。

DAQmx是NI公司开发的测量服务软件，我们可以把测量服务软件看作是输入/输出驱动软件层，然而它不仅仅是一个驱动，这个软件连通了虚拟仪器软件和硬件，用以产生信号帮助测试程序的正确性。

此外，DAQmx支持NI公司的高性能新硬件产品，包括M系列插入式DAQ设备，一些最新的USBDAQ设备，以及数以百计的传统NI-DAQ所支持的DAQ设备。以DAQmx为兼容对象的产品将是采集硬件发展的方向，NI公司M系列的产品以及以后

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rz0t.html