儀表在試驗室控制體系預(yù)設(shè)踐行中的運用
1系統(tǒng)概述
1.1系統(tǒng)功能劃分
本系統(tǒng)結(jié)合LabVIEW以及相應(yīng)的硬件，實現(xiàn)對溫濕度的測量、顯示和控制。系統(tǒng)的功能可以劃分為：
（1）溫度測量與顯示。通過溫度傳感器將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化為連續(xù)的電壓信號，經(jīng)調(diào)理后由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)送入計算機(jī)，交由儀器功能軟件處理并顯示。
（2）濕度測量與顯示。其實現(xiàn)同溫度測量基本相同，但在調(diào)理電路中要利用溫度信號進(jìn)行補償。
?。?）數(shù)據(jù)存儲。將經(jīng)過儀器功能軟件處理的溫濕度數(shù)據(jù)存儲到一個的電子表格文件中。
?。?）溫濕度控制。在用戶輸入溫濕度設(shè)定值后，儀器功能軟件將其與當(dāng)前量進(jìn)行比較，然后產(chǎn)生相應(yīng)的控制量輸出。功能組成如1所示。
1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)的測試環(huán)境是一個60cm×50cm×40cm的封閉玻璃箱。系統(tǒng)由軟件和硬件兩大部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如2所示。
系統(tǒng)的硬件部分將溫濕度信號轉(zhuǎn)換成電信號，并進(jìn)行調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳入計算機(jī)，同時按照儀器功能軟件的指令對溫濕度進(jìn)行控制，它由溫濕度傳感器、調(diào)理電路、DAQ卡（數(shù)據(jù)采集卡）、控制電路、風(fēng)扇、電吹風(fēng)、加濕器組成。其中風(fēng)扇用來排氣，可以降低實驗環(huán)境的溫濕度，超聲波加濕器用來增加實驗環(huán)境的濕度，電吹風(fēng)用于提高實驗環(huán)境的溫度。
軟件部分負(fù)責(zé)將從DAQ卡輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使其變換成相應(yīng)的溫濕度值，然后在顯示器上顯示相應(yīng)的圖線，并存入硬盤，同時接收用戶輸入的溫濕度設(shè)定值，生成控制信號。
2硬件模塊設(shè)計
2.1溫濕度信號的捕獲
溫度信號捕獲采用硅單晶溫度傳感器和相應(yīng)的電路，將溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號。其組成框圖如3所示。
濕度信號捕獲采用UD208濕度傳感器和相應(yīng)的電路將濕度轉(zhuǎn)換成電壓信號。其組成框圖如4所示。
2.2控制電路設(shè)計
控制電路的工作原理是從DAQ卡的數(shù)字輸出端口接收控制信號，然后控制繼電器的動作，使電吹風(fēng)、風(fēng)扇和加濕器工作在相應(yīng)的狀態(tài)下。
風(fēng)扇的工作電壓是12VDC，用普通繼電器對它進(jìn)行控制；電吹風(fēng)和超聲波加濕器工作在220VAC電壓下，用兩個固態(tài)繼電器分別對它們進(jìn)行控制。
本系統(tǒng)采用的是美國NI公司生產(chǎn)的PCI26251DAQ卡。它是一款通用的DAQ卡，可以直接插入微機(jī)的PCI總線接口。
為確保DAQ卡數(shù)字I/O通道的安全，使用三級管來驅(qū)動繼電器，如5所示。
Port接DAQ卡的數(shù)字I/O通道中相應(yīng)的位，R0和R2將流經(jīng)Port的電流限制在3mA以下，R1的大小為200Ω，它將普通繼電器的輸入端電壓限制在5V以下。
3軟件設(shè)計
3.1軟件工作原理描述
針對以軟件即儀器的虛擬儀器技術(shù)，系統(tǒng)的軟件模塊設(shè)計是系統(tǒng)的核心。儀器功能軟件是利用Lab2VIEW圖形編程軟件創(chuàng)建的。
本系統(tǒng)軟件設(shè)計思想是：系統(tǒng)從DAQ卡的通道中讀取數(shù)據(jù)，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后將其存儲并在前面板上顯示，同時生成控制信號送入輸出通道。
其間各個節(jié)點的執(zhí)行由數(shù)據(jù)流驅(qū)動的，也就是說每個節(jié)點只有當(dāng)在它之前的所有節(jié)點將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸過來后才能執(zhí)行。
因此，可以根據(jù)要實現(xiàn)的功能，將系統(tǒng)分成幾個模塊，分別創(chuàng)建虛擬儀器，然后將它們作為子VI，在一個新建的VI中調(diào)用它們組成完整的系統(tǒng)。
3.2濾波設(shè)計
由于在溫濕度原始信號采集的過程中，容易受到脈沖干擾的影響，所以程序中要對輸入的溫濕度信號進(jìn)行判斷，若為干擾則將其按一定算法將其濾掉，否則將輸入信號直接輸出。
脈沖干擾來源于爆炸、放電等原因。本系統(tǒng)中產(chǎn)生脈沖干擾可能是因為電路接觸不良，或是A/D轉(zhuǎn)換過程中由于軟件或硬件的不完善產(chǎn)生的采樣壞值。其表現(xiàn)為時域波形中突然出現(xiàn)的窄脈沖。
本系統(tǒng)采用以下的判斷脈沖干擾的方法：先根據(jù)實驗確定一閾值M，當(dāng)前輸入的信號值X同前一個采樣點的值Y的差的值小于M，則將X直接輸出，否則便認(rèn)為X為脈沖干擾。
處理脈沖干擾有多種方法，如根據(jù)本系統(tǒng)中溫濕度是連續(xù)變化的，而且變化率不大，所以可以將干擾值X用前一個采樣點的值代替，這樣可以很好地消除脈沖干擾的影響，但這種方法也有不足。如所示，設(shè)閾值為2，假設(shè)圖中左起第3點（實際值為22）受到幅度為-3的脈沖干擾，取值變?yōu)?9，因其與前一點值21的差值不大于閾值，將被保留，但第4個點的值23與第3點的值相差大于閾值，因此會被當(dāng)作干擾而被第3點的值19所代替，依此類推會使結(jié)果發(fā)生很大偏差。
針對上述方法中的缺點進(jìn)行改進(jìn)，可將脈沖干擾值X與前一點的值Y進(jìn)行加權(quán)平均后輸出。例如，zui為簡單的加權(quán)可以取兩者的平均，即權(quán)值均為0.5，也可以根據(jù)實際改變兩者的比例。改進(jìn)的方法可以有效抑制脈沖干擾。
3.3控制設(shè)計
控制子VI是將當(dāng)前溫濕度值與設(shè)定值進(jìn)行比較后生成控制字，再調(diào)用LabVIEW自帶的子儀器WritetoDigitalPort.vi，將控制字通過的數(shù)字I/O通道輸出。
主要算法思想是（以溫度為例）：當(dāng)溫度大于設(shè)定的溫度時，向數(shù)字I/O通道相應(yīng)位寫入‘1’，繼電器接通，風(fēng)扇啟動，使溫度降低，反之亦然。同時，當(dāng)設(shè)定溫度與當(dāng)前溫度之差的值小于某一設(shè)定值時，向數(shù)字I/O通道相應(yīng)位寫入‘0’，繼電器關(guān)閉，風(fēng)扇（電吹風(fēng)）停止，使溫度值穩(wěn)定在設(shè)定值左右的一定范圍內(nèi)。
該設(shè)定值的作用，就是避免繼電器反復(fù)工作，以確保控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定。濕度的控制思想與溫度的一樣。
設(shè)x、m分別為溫度和濕度值，y、n分別為溫度和濕度設(shè)定值，Tt、Wt分別表示溫度和濕度調(diào)節(jié)的容限。
1顯示了在各種情況下控制子VI輸出的控制字，其中T代表True，F(xiàn)代表False，控制字完成對風(fēng)扇或電吹風(fēng)動作的控制。
3.4數(shù)據(jù)存儲設(shè)計
數(shù)據(jù)存儲則是調(diào)用LabVIEW中WriteCharactersToFile.vi將經(jīng)過處理的溫濕度值存入一個電子表格文件中。數(shù)據(jù)存儲子程序如7所示，該子程序通過.1fs.1fs對存儲數(shù)據(jù)格式進(jìn)行了設(shè)置，而測試數(shù)據(jù)的存儲或讀取則通過設(shè)置存儲控件類型T或F來實現(xiàn)。
7中，路徑輸入用于選擇數(shù)據(jù)存儲的路徑，路徑輸出則是用于選擇數(shù)據(jù)讀取的路徑，通過DBL進(jìn)行溫度值和濕度值的設(shè)定。
4實驗結(jié)果
本設(shè)計使用LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)溫濕度測控的虛擬儀器系統(tǒng)，替換了老的實驗設(shè)備，并進(jìn)行了實驗。8、9分別顯示了采用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計的系統(tǒng)的輸出情況。
8顯示了zui終的溫濕度曲線。圖中的曲線是在將加濕器關(guān)閉后調(diào)節(jié)溫度獲得的，溫度的設(shè)置值依次為35、45、60、40（℃）。由圖中可以看出：在濕度不變情況下，相對濕度隨溫度的增加而降低。
顯示了未經(jīng)軟件處理的溫濕度電壓曲線。本圖的時間軸坐標(biāo)區(qū)間比小，這樣可以更清楚地觀察溫濕度信號的變化情況，判斷溫濕度信號是否已達(dá)到平衡狀態(tài)，便于校準(zhǔn)和比較。本圖顯示了溫度從60℃變化到40℃時，溫濕度電壓信號的變化情況。
T1、H1為系統(tǒng)所測的溫濕度值，T2、H2為校準(zhǔn)表所示溫濕度值。2顯示了系統(tǒng)所測的穩(wěn)態(tài)下的溫濕度值與校準(zhǔn)表的示值間的關(guān)系。
由2可以看出，本系統(tǒng)的溫濕度調(diào)節(jié)溫差分別小于2℃和2.2RH.
5結(jié)語
虛擬儀器技術(shù)利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合靈活的軟件來完成各種測試、控制和自動化的應(yīng)用。
靈活的軟件能創(chuàng)建*自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供的系統(tǒng)集成。該系統(tǒng)的研制過程充分展現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)性能高、開發(fā)時間短的優(yōu)勢，并為今后系統(tǒng)的擴(kuò)展提供了*的途徑。
*產(chǎn)品：壓力轉(zhuǎn)換接頭廠家，V錐流量計廠家，氧化鋯氧量分析儀，金屬管轉(zhuǎn)子流量計，金屬管浮子流量計廠家，熱式氣體流量計，一體化孔板流量計，LWGY渦輪流量計，LUGB渦街流量計，壓力表校驗器，瀝青流量計，氧氣流量計，天然氣流量計，重錘式料位計
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