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1、泉 州 师 范 学 院毕业论文（设计）题 目 基于虚拟仪器控制的固体颗粒分装机设计物理与信息工程 学院 电子信息科学与技术 专业 07 级1 班学生姓名 学 号 指导教师 职 称 副教授 完成日期 2011-4-10 教务处 制 2基于虚拟仪器控制的固体颗粒分装机设计1物理与信息工程学院 电子信息科学与技术专业 指导教师 副教授【摘要】labVIEW是一种真正意义上的图形化编程语言，因其友好的界面，简便的操作系统和短暂的开发周期的特点而被广泛应用于各个行业的仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等各个方面。固体颗粒分装机因其方便性而早已被大家所熟悉。本设计放弃使用普通仪器所使用的单片机控
2、制固体分装机，改用虚拟仪器控制分装机进行定量分装，该系统主要包括硬件电路，虚拟控件控制、数据采集及处理的设计。【关键词】硬件电路 固体颗粒分装机 labVIEW 虚拟仪器 数据采集 DAQ助手 目 录引言51. 系统设计方案52. 控制系统分析62.1 硬件控制分析62.1.1 电源电路设计62.1.2 驱动电路82.1.3 信号放大设计92.1.4光电传感器设计102.1.5报警电路设计102.2虚拟仪器控制112.3数据采集控制分析132.3.1数据采集卡简介及NI6014的使用132.3.2数据采集及DAQ助手143. 系统软件设计153.1各个控件功能的软件编程153.1.1分装速度控
3、制163.1.2分装状态控制173.1.3数据存储及处理213.2 系统软件流程图224 总结235 结束语23参考文献：2324引言随着人们生活水平的提高，分装不仅使得物质受到更好的保护，在视觉上也更受人们的欢迎，分装在如今的社会逐渐成为一种潮流，分装机也以各种各样的身份出现在市场上，固体颗粒分装机即为其中比较常见的一种。虚拟仪器是一款将现有的计算机技术、设计软件技术和高性能模块化硬件结合在一起而建立的功能强大又灵活的仪器。LabVIEW语言使用数据流编程方法来描述程序的执行，采用图标和连线代替文本的形式编写程序，是一种非常优秀的图形化编程语言。与传统仪器通过设计具体的模拟或数字电路实现仪器
4、的测量测试及分析功能相比，虚拟仪器控制的固体颗粒分装机是利用软件程序及高性能的模块化硬件数据采集卡硬件模块来完成分装功能，灵活高效的软件能创建完全自定义的用户界面使得该分装机在实现本身固有的功能外控制界面不再单调划一，更不会因为使用频繁而造成硬件的损坏。1. 系统设计方案1. 方案选择：选择单片机：单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统，具有体积小、质量轻、价格便宜等优点为学习、应用和开发产品提供了便利条件。选择虚拟仪器
5、：虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的仪器。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。它是利用计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，以代替传统仪器完成对仪器的控制、数据分析和显示功能。虚拟仪器的输入输出由数据采集卡、GPIB卡等硬件模块完成，仪器的功能主要由软件构成。2.方案比较：单片机的局限性：现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。我们常见的多数单片机,价格便宜，种类较多，但抗干扰较差，适用于消费类产品。在应用领域，单片机针对客户的二次开发几乎没有可能，这是由它硬
6、件资源的局限性所决定的。所以单片机在纷繁复杂的应用领域，仅仅是一个补充的作用，在边缘应用中，拾遗补缺。比如简单小量的数据读取，传输，控制，显示等，或者实现一些特定功能等。如果要实现对图像处理或者大量的运算，此时的单片机运行的速度远远满足不了。虚拟仪器的优势：由于LabVIEW能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便，深受用户青睐。另外，虚拟仪器彻底改变了传统仪器由生产厂家定义功能的模式，而是在少量附加硬件的基础上，由用户定义仪器功能。因为它的运行主要依赖软件，所以修改或增加功能、改善性能都非
7、常灵活，也便于利用PC的软硬件资源和直接使用PC的外设和网络功能。虚拟仪器不但造价低，而且通过修改软件可增加它的适应性，进而延长它的生命周期，是一种具有很好发展前景的仪器。与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等明显优点编程语言方面，LabVIEW图形编程方式能够节省85以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率。使用虚拟仪器产品，用户可以根据实际生产需要重新构筑新的仪器系统。例如，用户可以将原有的带有RS232接口的仪器、VXI总线仪器以及GPIB仪器通过计算机，联接在一起，组成各种各样新的仪器系统，由计算机进行统一管理和操作。
8、 方案择取：鉴于单片机的局限性及其LabVIEW强大的扩展性、灵活性选取虚拟仪器作为本次毕业设计控制系统的方案。2. 控制系统分析系统设计包括硬件电路设计和软件设计，硬件电路是各功能控制的基础，软件则是控制的核心。硬件电路主要由电源电路、驱动电路、光电检测系统、报警系统、数据采集系统、机架等组成。软件则是由美国NI公司推出的虚拟仪器控制，labVIEW语言进行系统软件编程。电脑显示器做为显示屏幕，鼠标和键盘做为输入控件，NI-6014数据采集卡做为与外部通信的数据接口，压力传感器做为测量工具。键盘输入待分装质量，并通过鼠标确定分装机工作状态，当光电传感器检测外部条件具备，并且线圈振动使得压力传
9、感器测得质量与预定质量相符时，直流电机开始工作并送出预定质量的物品。本设计提供5种线圈振荡抖动用来控制速度大小，以提高分装精度。设置停止、清料、清零、开始4组按键控件用来控制分装机的工作状态，另外设置自动/手动开关使得仪器工作更为人性化。图1-1 系统结构框图2.1 硬件控制分析系统电路主要包括电源电路，驱动电路，信号放大，光电传感器，报警电路组成。2.1.1 电源电路分析由于直流电机、振动线圈以及各种器件耐压条件的不一致，因而要求电源电路能够提供各种符合要求的激励电源，因而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。因此本设计使用变压器对220V市电变压输出15V和7.5V的交流电压，再
10、经过整理电路输出20V和8V的直流电压2。通过LM7812CT稳压后输出12V稳定的直流电压供TLP521使用，5V电压供给放大器，蜂鸣器等外部器件使用。电源电路如图2-1所示：图2-1 电源电路LM7812CT电路简单，成本低，滤波电路简单。在输入电压14.5V27V的范围内输出11.412.5V电压，滤波电容可以消除输出电压中的高频噪声。最后输出的直流电压较小的受电网电压波动及负载变化的影响。LM7812CT原理图3如图2-2所示：MC78LXX4系列的正电压稳压器是一款便宜且容易使用的器件，具有内部电流限制和热开关的特征，这使得它们异常耐用。除了输出阻抗和静态电流非常小，另外具有宽范围的
11、输出电压，和无需外接元件等优点，这种三极管远远优于传统的电阻/齐纳二极管。在电流需要达到100MA的场合非常受欢迎,电感L1,L2的使用滤去输出电压的高频部分，进一步提高输出电压的稳定性。MC78LXX标准电路如图2-3所示，原理图如图2-4所示图2-2 LM7812CT内部电路图图2-3 78L05应用电路图图2-4 78L05原理图2.1.2 驱动电路直流电机和振动线圈工作需要较大的电流，通过TLP521与TIP137组成的驱动放大电路驱动直流电机及振动线圈工作。图2-5驱动直流电机与振动线圈电路2.1.3 信号放大设计压力传感器输出电压信号小，在数据采集卡采集前需要先经过放大器放大，以提
12、高信号的精确度。一般差分放大电路通过差分输入得到放大信号,但是这种放大电路精密度差，当因调整放大增益而改变差分两端的电阻时，将使得信号放大精度变得更加复杂。AD620仪表放大器克服上述缺点，对压力传感器输出的敏感电压信号进行精密放大，在很大程度上减小外部电路对传感器信号的干扰。AD620不仅精确度高、使用简单、低噪声，而且拥有高输入阻抗，高共模具斥比，低输入抵补电压，低输入偏移电流，低功耗电流和过电压保护功能的特点。这对要求高精度放大的压力传感器传来的微弱信号来说是款很好的搭配器件。放大电路如图2-5所示图2-5 放大电路该运放电路放大增益其中RG 为10K的电位器，通过调整电位器RG的阻值大
13、小改变电路的放大增益以达到放大所需信号的效果。2.1.4光电传感器设计光电传感器用来检测外部动作是否准备完毕，当外部动作（分装所需的容器）准备好后，红外接收管输出的高低电平控制三极管导通和截止，通过CD4013触发器锁存并传送到数据采集卡。CD4013是一款双D触发器5，由两个分别都带有数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q非输出等特性相同但相互独立的数据触发器构成，也可做移位寄存器和计算器使用。当时钟上升沿到来时，D端数据传送到Q端输出。光电传感器电路图如图2-6所示：图2-6 光电传感器电路图2.1.5报警电路设计报警电路是使分装机使用起来更加方便而不可缺少的一部分，它由一些简单的电阻、蜂鸣器
14、等电子元件组成，电路简单，费用低，可靠性强，用以达到提醒单次分装任务完成的作用。蜂鸣器驱动需要一定的电流，光电传感器TLP521是一款固态继电器保证了蜂鸣器驱动所要求的电流值。报警电路图如图2-7示图2-7 报警电路图2.2虚拟仪器控制虚拟仪器是以通用计算机为核心，根据用户对仪器设计的要求，用软件实现控制面板设计和测试功能的一种计算机仪器系统，用户可通过鼠标、键盘或触摸屏来操作虚拟面板。虚拟仪器一般由通用的硬件平台和应用软件组成。其中硬件平台由两大部分组成：微处理器和总线是硬件最重要的核心。硬件系统特别是I/O接口设备主要用于完成信号的采集、测量与调理。虚拟软件包括应用软件和I/O驱动软件，应
15、用软件包括虚拟面板功能的前面板软件程序和定义测试功能的控制系统软件程序，I/O设备驱动程序主要用于设定外部特定仪器设备的扩展、驱动和通信。虚拟仪器的通信原理如图2-6所示，图2-6 虚拟的通信原理 一般的测量测试控制系统可以分为采集、分析、表达三个部分，而labVIEW虚拟仪器在采集，分析，表达实际物理量方面具有独特的优越性。采集数据设备包括GPIB，串口，VXI接口仪器，数据采集卡，PXI仪器，图象采集卡，运动控制，PXI实时系列，PLC，PDA。拥有滤波、加窗、变换、峰值、谐波分析等数量众多的分析功能模块用来对采集到的数据进行分析。并通过图形，图表，表格，仪表，容器，控件，网络，企业图形工具等各种方式表达。虚拟仪器的特点6：虚拟仪器技术利用高性能的模块硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用，灵活高效的软件能创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。虚拟
