《基于虚拟仪器的温室温度控制系统实验设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于虚拟仪器的温室温度控制系统实验设计.doc（25页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于虚拟仪器的温室温度控制系统村民建房委员会应建立村级农房建设质量安全监督制度和巡查制度，选聘有责任心和具有一定施工技术常识的村民作为义务巡查监督员，开展经常性的巡查和督查。目录一、绪论 1.1选题的背景1.2温室环境控制1.3我国农业环境现状1.4虚拟仪器 (Virtual Instrumentation)概述二、设计方案与思路2.1执行器的选择2.2分析控制器的选择2.3数据采集系统的选择2.4软件系统的选择2.5系统框图三、硬件设计3.1硬件设计的基本原则3.2传感器的选择3.3信号调理电路3.4电机控制电路四、软件设计4.1 软件设计的基本原则4.2软件功能实现4.3程序流程图 4.4
2、 LabVIEW具体编程4.4.1前面板设计4.4.2程序框图（后面板）设计4.5程序运行结果与分析五、硬件调试与分析5.1温室大棚实地考查5.2第一次实验记录5.3第二次实验记录5.3第三次实验记录5.4第四五六次实验记录5.5第七次实验记录六、结论七、参考文献附录一：硬件参数表附录二：基于LabVIEW的程序设计详细步骤附录三：组员分工一、绪论1.1选题的背景 随着我国国民经济的发展，人民的生活水平日益提高，冬季大棚蔬菜的市场日渐扩大，尤其是北方地区在寒冷的冬季用塑料大棚栽培蔬菜，更体现出经济价值。仅靠南菜北调长途运输，一是成本高，二是运到目的地，蔬菜已经不新鲜了。所以，依靠农业科技，大力
3、推广温室大棚种植蔬菜能更好地满足人民生活需要. 由于我国人口众多，土地、水资源及各种能源短缺，在人民生活水平不断提高，对农副产品的需求不断增加的今天，只靠增加耕地面积是不可能实现的，因此我们要另辟蹊径，想办法来提高单位亩产量。1.2温室环境控制 即根据植物生长发育的需要，自动调节温室内环境条件的总称。现代化温室，通过传感器技术、微型计算机及单片机技术和人工智能技术，能自动调控温室的环境，其中包括温度、湿度、光照、Co2浓度、水分等，使作物在不适宜生长发育的反季节中，获得比室外生长更优的环境条件，达到早熟、优质、高产的目的。 冬季大栅蔬菜最重要的一个管理因素是温度的控制。温度太低，会发生蔬菜冻死
4、或者停止生长，所以要将温度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。1.3我国农业环境现状 我国的温室农业环境调控技术主要存在的问题有:温室农业生产高新技术集成度不够、温室农业高新技术产业化缓慢以及温室农业生产管理现代化程度不高等。实现智能化调控目标的基础是先进测试仪器技术的应用。我国传统的温室农业测试技术对测控对象分析精度低、成本高、操作复杂，而且对从事农业科学的人员专业性要求很强，难于实现普及。跟踪研究国内外的测试技术发展状况发现:虚拟仪器可缩短农业技术开发周期，降低成本，其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，虚拟仪器的可操作性直观简洁，具有与传统仪器相似的操作
5、界面，限制性小，是目前流行的仪器测试方案，因此决定了它在农业工程领域特别是温室农业生产中具有广阔的发展前景。1.4虚拟仪器 (Virtual Instrumentation)概述 虚拟仪器是对传统仪器概念的重大突破，与传统仪器相比，它利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，使用户可以更方便地对其进行维护、扩展、升级。美国 NI(National Instruments)公司在80年代中期便提出虚拟仪器的概念。到目前为止，美国的HP公司、NI公司及Racal公司等相继研制和推出了多种总线式系统的虚拟仪器。虚拟仪器的出现加速了人们对传统仪器的改造，同时使得仪器测试系统的集成度越来越高。虚拟仪器技
6、术充分利用计算机将传统仪器的功能和控件面板软件化，构成充分利用计算机智能化功能的全新仪器系统。在实际测试系统中应用虚拟仪器技术，不仅可以减少系统开发时间和维护费用，而且开发出的系统还能具有更强的功能、更可靠的质量。 因此，本论文结合温室环境监测的实际需求，建立了基于labview的温度控制系统。虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术综合集成的产物，代表了现代测试技术和仪器技术的发展方向。 所谓虚拟仪器 (VirtualInstrument，简称Vl)，就是用户在通用计算机平台上，根据需求来定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作计算机时，就像是在操作一台自己设计的测试仪器一样。虚拟仪器技术使得测
7、控领域的设计更加科学有效，随着虚拟仪器技术的发展，其对实际测试的帮助优势越来越大。在测试系统和仪器设计中尽量用软件代替硬件，“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单，也是最本质的表述。虚拟仪器特点可以归纳概括为以下5个方面:丰富和增强了传统仪器的功能;突出“软件就是仪器”的新概念;仪器由用户自己定义;开放的标准;便于构成复杂的测试系统，经济性好。虚拟仪器与传统仪器的具体区别见表1.1。二、设计方案与思路我们的目的是设计这样一个系统，由数据采集系统、分析控制器、执行器组成，传感器将采集到的温度信息经过调理传输到分析控制器中，然后产生输出信号到执行器中。我们实验有着其自身的特殊性质，和大量参考论文中实
8、验环境所不同的是，本实验的性质是为了将测控系统的各个模块组合起来，起到一个将过去的知识串联起来的这样一个学习目的。如果完全按正常论文的思路来，想要选定一个探索总结性的选题的话就太过好高骛远了，我们没有充足的时间与物质条件去搭建理想的检测控制系统。因此我们设计时更多考虑的是在物质匮乏的条件下如何搭建一个完整的基于虚拟仪器的温度测控系统，并将实验重点放在检测上面，淡化控制执行这一块。但同时也为以后可能的系统升级与发展留下余地。这就是我们的实验思路，同时可以在硬件的设计方案中看见它对我们传感器的选择的影响。2.1执行器的选择 在对于数据采集系统、分析控制器、执行器这三者进行选择和组合时，基于已经确定
9、的实验重点。本实验的控制执行仅仅就由风扇和贴片热电阻完成，通过控制电机的转速来控制风的大小。2.2分析控制器的选择因为课题是基于虚拟仪器的温度控制系统，所以我们小组将分析控制器选为PC机，这不仅体现了虚拟仪器的通用性，也使得我们在研究设计过程中不必局限于实验室中。更重要的是硬件调试结果最后需要在实验室中的PC机中完成2.3数据采集系统的选择数据采集系统是我们实验在简化了控制之后的最重要部分，如何精确地将温度采集送入PC中处理决定了实验的成败。数据采集技术是计算机应用技术的重要分支。外部对象通过接口和计算机交换信息，在现实对象中，信息变现为不同的形式并有明确的物理意义，输入到计算机内部后部变成二
10、进制数，统称为数据。数据经过计算机的加工处理再作用到现实对象，又变成具体的物理信号。 在本实验中，由于NI公司的仪器较贵（4000起步），因此我们只能使用学校实验室就有的DAQ采集卡PCI6014以及调理面包板SC2075。实验室里的PCI-6014板卡是National Measurement公司生产的一款高速数据采集卡，最大采样频率可达200kS/s，有32路16位模拟输入（AI）通道（可用作16路差分输入），有2路16位模拟输出（AO）通道，有8条数字I/O线（5VTTL/CMOS）还有2路24位定时/计数器（内部时钟可达20MHz），有4组不同的模拟输入范围，可由数字触发。由于PCI-
11、6014是装在主机箱内，所以需使用配套的SC-2075调理板，两者通过数据线连接，SC-2075调理板自带面包板，可以在上面接调理电路，用于信号的放大、整流，便于数据采集处理。板子上有CHO-,CHO+的差分模拟输入端，有直流电源输出端口，以及板子左偏中的一竖列接口，与PCI-6014的连接通道一一对应。2.4软件系统的选择虚拟仪器系统的软件由通用I/O接口软件、驱动软件、开发软件、管理软件即应用软件构成。开发软件是编写应用软件的软件工具。在编制虚拟仪器软件中可采用两种编程方法。一种是采用面向对象的可视化的高级编程语言，如VC+、VB和Delphi等编写虚拟仪器的软件，这种方法实现的系统灵活性
12、高，易于扩充和升级维护。另一种是采用图形化编程方法，如LabVIEW，HPVEE，采用图形化编程的优势是软件开发周期短、编程较简单，特别适合工程技术人员使用。 我们采用Labview（Laboratory Virtual Instrument Engineering）进行编程，它具有强大的数据采集、数据处理、数据分析和仪器控制功能，是一种开放型的通用程序开发系统。数据采集硬件部分的核心是 （ DataAcquisition-DAQ）卡，它和 Labview 有很好的接口程序，用 Labview实现数据采集，就是在 Labview 中控制各种 DAQ 卡（或设备），完成特定的功能，这都离不开 D
13、AQ 驱动程序的支持。 由于PCI-6014板卡支持DAQmx驱动程序，所以本设计是直接使用DAQmx-DataAcquisition开发的，在这部分中，主要是采集参数的设置，其中包括物理通道的选择，采样模式、采样率、每通道采样数、输入方式的配置，采样最大最小值的设置。 至此我们可以确定初步的设计思路：传感器把被测量的物理量转换为电信号；SC2075信号调理电路对传感器转换后的电信号进行放大、滤波等预处理，PCI6014将采集到信号调理电路的电压信号，转换成计算机能处理的数字信号；通过数据采集卡驱动程序，将数字信号读入计算机，计算机对信号进行处理，以达到预期的目的。2.5系统框图控制对象（温度
14、）温度传感器信号调理SC-2075接线端子板PCI-6014多功能数据采集卡执行器计算机（LabVIEW程序开发）图1 系统框图三、硬件设计3.1硬件设计的基本原则（1）经济合理系统硬件设计中，一定要注意在满足性能指标的前提下，尽可能地降低硬件价格，以便得到高的性价比，这是硬件设计中优先考虑的一个重要因素。（2）安全可靠选取设备要考虑环境的温度、湿度、压力、震动、粉尘等要求，以保证在规定的工作环境下，系统性能稳定、可靠。要有超量程和过载保护，保证输入、输出通道正常工作。要注意对交流市电及电火花等的隔离。要保证连接件的接触可靠。（3）足够的抗干扰能力有完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常和
15、不产生错误的必要条件。3.2传感器的选择在经过对论文的大量阅读后，我们初步选定DS18B20和AD590中的一款传感器，并考虑了4种方案：分布式DS18B20测温、分布式AD590测温、单点式DS18B20测温、单点式AD590测温。实际使用中要监测温室大棚的温度，肯定是要设置多个点的温度传感器，这种情况下DS18B20比AD590更占据优势，因为它是单线就能达到信号的传输，而AD590是双线工作的，因此，在固定的接口下，DS18B20比AD590就能够提供更多的测量组数。同时也无需AD590这般较复杂的硬件调理电路。但我们向NI工程师咨询后得知，DS18B20由于是单线传输，就会有个输入与输出的时序性问题。受到我们使用的数据采集卡PCI6014数字信号端口的限制，信号的传递无法在486us中完成以达到精确的时序匹配，因此必须在PCI6014和传感器间插入单片机来进行控
