虚拟仪器课程设计报告

目录第一章虚拟仪器课程设计的意义及任务.................................11.1课程设计的意义...............................................11.2课程设计任务说明.............................................1第二章虚拟电子秤的设计.............................................22.1虚拟电子秤的设计思想.........................................22.2硬件设计.....................................................22.2.1全桥测量电路...........................................32.2.2三运放电路.............................................42.2.3数据采集卡.............................................52.3软件设计.....................................................62.3.1标定...................................................72.3.2称重...................................................82.3.3查看历史记录...........................................92.4系统运行调试................................................10第三章液位控制系统的设计——基于虚拟网络控制器....................123.1系统总体设计方案...........................................123.2硬件设计....................................................133.2.1虚拟网络控制器........................................133.2.2CFP-AIO-610模拟量输入输出模块.........................133.2.3液位控制对象..........................................143.3软件设计....................................................153.3.1系统监控界面..........................................163.3.2控制算法设计..........................................173.4系统调试....................................................21第四章收获与体会..................................................23参考文献...........................................................241第一章虚拟仪器课程设计的意义及任务1.1课程设计的意义虚拟仪器技术在国外已经比较熟了，由于其很强的灵活性，使得该技术非常适用于现代复杂的测试测量系统中。近几年，虚拟仪器技术在国内的发展势也越来越受到重视。成熟的虚拟仪器技术由三大部分组成：高效的软件编程环境、模块化仪器和一个支持模块化I/O集成的开放的硬件构架，该课程设计的目的就是，通过一些功能简单的仪表系统的设计，要在这三个方面上有更深一步的了解。1.2课程设计任务说明本课程设计分为两部分，其一为一个虚拟电子秤的设计，其二为液位控制系统的设计。这两部分的具体要求如下：一、电子秤在LabVIEW8.5的软件环境下，应用NI数据采集卡、压力传感器和一些运放电路设计一个电子秤，其功能要求如下：1）可以现场标定2）可以连续称量物品，并对称量结果进行记录，以便以后查看3）物品超重时可以报警二、液位控制系统在LabVIEW8.5的软件环境下,应用网络虚拟控制器CFP-2120、液位控制对象和以太网设计一个液位实时监控系统，可实现以下功能:1）可实现手动、自动控制2）至少应有3种PID控制算法并可实现PID参数在线整定3）有监控界面可实时显示液位控制曲线2第二章虚拟电子秤的设计2.1虚拟电子秤的设计思想电子秤的称重原理是，重物放在称重托盘上，压力传感器将重物的压力信号转换秤电压信号，电压信号经过前端放大器、滤波器之后，通过NI数据采集卡采集并转换成数字信号输入到计算机里，称重VI子程序对采集到的信号进行处理，完成电压——重量的量程变换，最终在显示控件上将实际重量值显示出来。电压——重量的变换关系可用下式表示：baxy其中y表示物品重量，x表示采集到的压力信号关系式中的a和b可通过标定VI子程序确定，其方法是将采集到的压力信号值和相应的实际重量值通过线性拟合，求出a、b。2.2硬件设计电子秤的硬件结构包括测量传感器电路、数据采集和数据处理三部分。图2-1为电子秤的硬件结构图。图2-1电子秤硬件结构图下面分别介绍图2-1中各个部分32.2.1全桥测量电路在测量电路中使用了电阻应变式传感器，它是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。由电阻应变片和测量线路两部分组成。常用的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片，本设计中采用的是电阻丝应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时我们一定要注意，其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：（1）电阻丝温度系数引起的。（2）电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uout＝KEε。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。全桥测量电路图如下所示。图2-2全桥测量电路图4常规的电阻应变片K值很小，约为2，机械应变度约为0.000001—0.001，所以，电阻应变片的电阻变化范围为0.0005—0.1欧姆。所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另一个对角线为输出电压Uo。其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节，我们在制作的过程中应尽量选择好元件，调整好测量的范围的精确度，以避免减小测量数据的误差。2.2.2三运放电路本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三运放大电路，主要的元件就是三运放大器。在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。三运放电路图如下。图2-3三运放电路图52.2.3数据采集卡PCI－6024E数据采集卡是一块基于32位PCI总线的多功能数据采集控制卡，支持DMA方式和双缓冲区模式，保证了实时信号的不间断采集和存储。它支持8路单极和4路差动模拟输入，信号为0～10V和-10～10V；2路独立的D/A输出通道；16线TTL数字I/O；3各16位的定时计数器等多种功能。将PCI－6024E数据采集卡插到计算机主板上的一个空闲PCI插槽中，接好各种附件，包括一条50芯的数据线和一个转接板。PCI－6024E卡同NI公司的绝大部分数据采集卡一样是即插即用型的设备，硬件正确安装后，如果机器安装了LabVIEW和NI－DAQ，就会出现在Measurement&AutomationExplorer的ConfigurationMysystemDevicesandInterfaces列表中。在设备名PCI-6024E上单击右键，弹出对话框，选择NIPCI－6024E：“DEV1”，然后进行Properties对话框配置、自我配置、TestPanels、AO测试、DI/O测试、CounterI/O测试、复位设备、创建任务。在使用DAQ设备的模拟I/O或数字I/O功能时，必须首先配置设备的通道。在Measurement&AutomationExplorer中配置通道步骤如下：①右键单击DataNeighbourhood图标，选择弹出菜单中的Insert，系统会弹出InsertNew对话框。单击Finish。②在弹出的CreateNewChannel对话框中将通道类型设置为AnalogInput，单击下一步。③在EnterChannelNameandDescription对话框中，将通道名称设置为ScropA，并甜上适当的通道描述，单击下一步。④在ChannelWizard对话框中，选择传感器或测量信号类型，单击下一步。⑤设置单位为Volts，量程为－5V～5V，单击下一步。⑥设置缩放比例因子为NoScaling，单击下一步。⑦指定DAQ硬件为Dev1:PCI-6024E，通道编号为0；模拟输入方式为Differential,单击完成。62.3软件设计电子秤的软件程序在Labview8.5软件环境下，用图形化编程语言进行编辑，程序可以分为三个部分，即：标定、称重和查看历史称重记录。程序总体流程图如下所示：图2-4电子秤软件流程图下面将介绍各部分程序72.3.1标定标定程序的主要任务是求出物品重量与测量电路输出电压的关系，即求出等式baxy中的系数a和b，并将物品重量与测量电路输出电压的关系用图形表示出来，实现这部分功能的程序如下图所示。图2-5标定采集样本图2-6标定线性拟合图2-7标定前面板82.3.2称重称重部分程序比较简单，就是将DAQ助手采集到的电压信号滤波、求平均值之后，根据等式baxy计算出实际重量值，并将重量值在仪表盘上显示出来。可以根据使用者的需要，将称重值和称重的时间作为一条记录存档，以便以后查看。如果有系统误差的话，还可以进行调零。该虚拟电子秤的最大量程为500g，当物品重量超过500g时，程序会弹出对话框提示物品超重。其程序如下图。图2-8称重程序图图2-9称重前面板92.3.3查看历史记录查看历史记录程序就是将之前称重时记录下来的称重记录读出来以列表的形式显示出来，供使用者查看。其程序如下图所示。图2-10查看历史记录程序图2-11查看历史记录前面板102.4系统运行调试系统运行结果有下图可以看出，运行情况良好图2-12标定开始图2-13标定完成图2-14实时称重11图2-15超重图2-16查看历史称重记录12第三章液位控制系统的