基于Labview的虚拟温湿度测控系统

摘要：虚拟温室度测控仪器具有强大的数据处理能力，并且具备多种仪器设备功能于一体，能够实时监测记录温湿度并对温湿度进行调整控制，实现普通温湿度计所不能实现的功能。而且拥有良好的人机界面，使用方便简单。单片机温度采集系统成本低廉，结构简单，易用性高，通过与LABVIEW软件结合，变成了一套完善的具备数据采集，数据处理，数据存储电子仪器。具备多功能于一体，小型化，功耗低的特点。关键词：温湿度传感器、LabView、温湿度测量引言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。而传统仪器如模拟式仪器仪表、数字化仪表、内部有微处理器的智能仪器等，其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。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。美国国家仪器公司（NI）已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。目前LabVIEW的最新版本为LabVIEW8.6，LabVIEW8.6为多线程功能添加了更多特性。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所示显示器信号分析及处理数据发生器A/D转换器D/A转换器信号调理器信号调理器信号调理器各类接口人机接口信号输入信号输出图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。3.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。一、课题分析：众所周知，温度与湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，时时刻刻在我们生活的周围出现。许多物品的存储都对温湿度有着严格的要求，例如红酒，同样一些养殖场对温室度有有着不一样的标准，所以合适的温湿度对物品的存储以及生产安全都至关重要。如何实时监测环境中的温湿度并对温湿度进行合理的控制与我们的日常生活生产息息相关。目前市场上所流行的温湿度计都是利用温度与湿度传感器采集环境电压并利用相应公式进行转换，得出环境中的温湿度值，并能实时更新。因此设计一个虚拟的温湿度测控系统应该从以下几个方面进行考虑：1、利用传感器采集温湿度电压，进入计算机虚拟仪器程序，输出到指定位置，实现温湿度的实时测量；2、对所测量到的温度进行判断，当环境中的温湿度超出合理范围则报警，并控制外部仪器如空调等对温湿度进行调整；3、温湿度是不断变化的，为提高可靠性，应采集多个数据取平均值来提高准确度；4、能否增加数据存储功能，记录温湿度历史和温湿度报警历史，方便后续工作的进行。流程图如下图所示温度传感器湿度传感器DAQ采集计算机湿度显示及存储温度显示及存储报警历史记录及清除温湿度上下限报警二、设计方案：1、登陆端：支持用户登录，需要输入用户名与密码，在BlockDiagram的设计中增添两个字符串的比较，使用“与”的关系，当用户名与密码同时满足要求时，则进入系统，即调用子VI，开始进行温湿度的电压采集，如不满足要求则显示用户名不存在或密码错误。如果需要修改系统的用户名与密码，则可以打开txt文档进行相应修改。在面板的左下位置增加了相应的说明，使虚拟程序操作与使用简明。2、传感器采集电压模块（由于没有硬件无法使用数据采集卡，所以利用随机数模拟）：经查阅资料，市场上的温湿度计大部分采用电压传感器采集电压，然后进行转换，这里利用随机数模拟传感器电压。通过上网查资料知道，温度传感器电压范围在2.9V~3.2V之间，而湿度电压一般在2.3V~3.0V之间。原始数据产生模块如图所示：3、数据处理模块：为了提高准确性，可以采取分时取6个温湿度值，去除最大最小值后求平均的方法。具体实现方法为：首先将采集到的随机数送入数组中，使用ArraySubset取子数组，每个中含有6个元素，利用for循环进行求和，同时将这6个数据送入ArrayMax&Min求最大与最小值后进行运算。，得到比较准确的温湿度电压初始数据。4、电压转换模块：将采集到的电压信号通过虚拟程序转换成温湿度数据，使用两个子VI进行转换，结构清楚易实现。如下图所示5、温湿度显示模块：将所得的温湿度数据输送到图表显示输出，增加可由用户自行更改的额温湿度上下限，当超出用户自定的范围时灯亮蜂鸣器响进行报警，同时设计了暂停继续功能，当需要观察数据或无需测量的时候可随时暂停和继续使用。如下图所示三、程序流程图：1、登录端：FrontPanelBlockDiagram拥有良好的人机界面，简洁明了，使用方便，操作简单。2、温度与湿度测量：FrontPanelBlockDiagram主程序界面，将测量得到的温湿度数据输出，形成波形图方便观察，能显示时间以及实时温湿度，并能让用户自定义温湿度上下限，当实时温湿度超出用户限定的上下限范围是，会灯亮报警。3、温度转换：FrontPanelBlockDiagram4、湿度转换：FrontPanelBlockDiagram温湿度转换程序，将所测量得到的电压值转换成所需要的温湿度数据，生成子VI，方便主程序调用。四：程序测试中遇到的问题及解决方案：a)因为硬件无法使用数据采集卡，所以最初的温湿度的电压值只好采用随机数的办法进行模拟，在查阅了大量的资料之后，得出其正常的范围，然后设计程序将其实现；b)随机数的产生会使温湿度的波动方位较大，不符合实际情况。故将多个值求平均值的方法来使所得到的温湿度尽量的精确；c)温湿度的测量完成之后设定了环境的安全值，在其输出的同时与标准的方位进行比较，如果不在设定的安全范围里面则进行报警，指示灯会亮；d)数据读取时只能使用一维数组的形式显示，通过使用存入文档；e)在查阅了一些资料之后，将所编写的程序生成了exe文件，能达到本次实验的要求。五：程序测试结果：六：实验小结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。而传统仪器如模拟式仪器仪表、数字化仪表、内部有微处理器的智能仪器等，其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。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。美国国家仪器公司（NI）已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。目前LabVIEW的最新版本为LabVIEW8.6，LabVIEW8.6为多线程功能添加了更多特性。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。这次为期两周的虚拟程序设计实验，为我们提供了一个平台接触虚拟仪器这个我们并不是很了解的领域，在这两周不到的实验周里，我们学到了许多新的东西，感觉有一扇新的门为我们打开了，正等着我们进去探索新的领域。由于上学期已经初步接触了Labview程序设计，在加上老师所提供的选题并不是十分的难，在经历了许多想象不到的困难之后，我们还是勉强完成了老师所布置的任务，完成了自己所选题目的设计。在这次的实验设计课程中，我所选择的课题名称为基于Labview的虚拟温湿度测控系统，众所周知，温度与湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，时时刻刻在我们生活的周围出现。许多物品的存储都对温湿度有着严格的要求，例如红酒，同样一些养殖场对温湿度也有着不一样的标准，所以合适的温湿度对物品的存储以及生产安全都至关重要。如何实时监测环境中的温湿度并对温湿度进行合理的控制与我们的日常生活生产息息相关。而我这次的选题正是要求设计一个基于Labview的虚拟温湿度测控系统达到能够对温湿度进行实时测量监控并根据用户自己的要求对温湿度进行调整，使温湿度始终保持在一个合适的范围，保证物品的存储生产的正常进行。温湿度测控系统，顾名思义，有测量和控制两部分，由于我们无法使用硬件，所以本次实验我们暂时忽略硬件部分的控制系统以及需要使用硬件的采集数据系统，我们这次采用随机数模拟产生温湿度，对随机产生的模拟温湿度，测量并判断是否超出了限定的范围，若超出了限定的范围则灯亮报警，显示实时温度，温湿度上下限能根据用户自己的要求来调整，采集间隔时间也能让用户自己来调整。能够暂定继续，方便用户进行其他的操作。人机界面友好可爱。在本次的实验过程中，我们遇到了很多问题，首先便是软件的软件的问题，我们所安装的软件都是英文版的，由于自身英语水平的限制，很多元件的名称以及功能都不是很清楚，所以我们就查阅了很多书和资料来将这些我们不明白的元件弄清楚搞明白。其次由于我们只是在电脑上编程，不设计到硬件的使用，所以我们对于外界的温湿度没有办法采集，后来我们在查阅了资料之后了解到目前市场上的温湿度计大部分都是采用典雅传感器采集电压，然后进行转换成为温湿度。我们又通过上网查资料知道，温度传感器电压范围在2.9V~3.2V之间，而湿度电压一般在2.3V~3.0V之间，所以我们经过研究后，决定采取随机数产生来生成模拟电压转换成模拟温湿度，由于随机数的产生跨度过大不符合温湿度的实际情况，我们又使用取多个随机数取其平均值的方法来达到最终的目的。接着我们便开始设计界面，先决定在界面上需要使用哪些元件，在将这些元件进行合理美观的布局之后，我们便开始进行编程中最重要的一步，连接这些元件，在将这些元件连接的时候，我们遇到了各种各样的问题，在同学和老师的帮助之下，我们最终顺利德解决了这些问题，还有的不懂得地方，我们也会通过上网图书馆等途径来了解掌握解决。在经过不断的调试运行之后，我们的程序最终成型，也将本次虚拟仪器设计实验中最重要的一环顺利完成了。在基于虚拟温湿度测控系统的设计中，我体会到应用Labview设计虚拟仪器有以下的优点：1.开发周期短，程序框图形象生动，使得程序编写的难度降低，便于理解。2.将传统测量仪器和一些价格昂贵的仪器用虚拟仪器来代替，降低实验成本，简化操作，大大增强了系统的功能与灵活性。3.便于网络使用，扩展了学生实验的时间和空间。在以计算机网络为主的信息时代，网络化的虚拟仪器系统是测试与仪器仪表领域发展的一个新的方向。对于高校的电子实验室来说，应用Labview中制作网络虚拟实验室，供学生练习和实验，相当于为学生提供了实验教学的新课堂。因此，虚拟仪器的开发和广泛使用具有非常深远的意义。这一次的为期两周的虚拟仪器实验周过得很充实，不仅更进一步地了解了Labview这个软件，对Labview这个软件的应用又有了新的认识，还增加了自己收集资料查阅资料团队合作的能力，感觉自己的在大学里所学到的东西有了用武之地。参考文献：1.童刚.虚拟仪器实用编程技术[M].机械工业出版社，20082.张毅等编著.虚拟仪器技术分析与应用[M].机械工业出版社，20043.林君，谢宣松等编著.虚拟仪器原理及应用[M].科学出版社,20064.周求湛编著.虚拟仪器与labview7程序设计