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1、河南师范大学本科毕业论文（设计） 目 录1 绪 论11.1 课题背景11.2 虚拟仪器简介21.3 图形化编程语言LabVIEW的简介31.4 本论文任务32 温度控制设计方案52.1 硬件及软件的选择52.1.1硬件的选择52.1.2软件的选择62.2 硬件及软件设计方案72.2.1硬件设计方案72.2.2软件设计方案73 LabVIEW 开发环境以及PID和模糊控制模块简介113.1 LabVIEW前台显示面板与后台控制面板113.1.1 LabVIEW前台显示面板113.1.2 LabVIEW后台控制面板113.2 LabVIEW程序执行流程113.3 LabVIEW中的仪器控制和驱动1
2、13.3.1常用的仪器通信方式123.3.2 LabVIEW支持的GPIB、VXI、标准串口I/O仪器的驱动123.3.3 VISA简介123.4 PID控制模块简介133.5 模糊控制模块简介154 以单片机为核心的下位机的设计174.1 下位机设计方案174.2下位机的硬件设计174.2.1主控部分174.2.2 DS18B20测温部分174.2.3通信部分184.2.4程序下载部分184.3 下位机的软件设计184.3.1DS18B20工作原理及应用194.3.2单片机串口通信部分204.3.3单片机PWM功率控制部分205 基于PC的上位机编程设计235.1 方案设计与选择235.2
3、上位机各模块设计235.2.1串口通信模块设计235.2.2数据处理部分设计235.2.3 PID控制部分设计246 总结25参考文献26谢 辞27附 录281 绪 论现代计算机技术和信息技术的迅猛发展，冲击着国民经济的各个领域，也引起了测量仪器和测试技术的巨大变革。人们曾为测量仪器从模拟化、数字化到智能化的进步而欣喜，也为自动测试技术的日新月异的发展所鼓舞，当今虚拟仪器技术的出现又使得测量仪器进步入了高科技的殿堂。 与传统的仪器不同，虚拟仪器（virtual instrument）是基于计算机和标准总线技术的模块化系统，通常它是由控制模块、仪器模块和软件组成，在虚拟仪器中软件是至关重要的，仪
4、器的功能都要通过它来实现，因此软件是虚拟仪器的核心，“软件就是仪器”，从本质上反映了虚拟仪器的特征。 从构成方式上讲，虚拟仪器可分为四大类：GPIB体系结构、PC-DAQ体系结构、VXI体系结构和PXI体系结构。 GPIB体系结构是通过GPIB总线将具有GPIB接口的计算机和仪器集成的测试系统。组建方便灵活、操作简单。 VXI体系结构综合了。pib和vem总线的优点，它集成的系统硬件集成度高、数据传输率快、便携性好，是当今倍受业界关注的体系结构。 PXI体系结构是以PCI总线为基础的体系结构，由于其总线吞吐率高、硬件的价格较低被业内人士认为是符合国情的一种体系结构。 虚拟仪器应用程序的开发环境
5、主要有两种。一种是基于传统的文本语言的软件开发环境，常用的有lab windows/cvi、.visual basidc=vc+等：一种是基于图形化语言的软件开发环境，常用的有LabVIEW和hp vee。其中图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，界面友好，操作简便，可大大缩短系统开发周期，深受专业人员的青睐。 1.1 课题背景 随着世界经济的发展，工业的迅速扩张，政府和企业家们花在设备上的投入越来越多，这笔巨大的开销，极大地限制了企业的资金，从而制约着企业的发展。而虚拟仪器技术凭借着其开发容易、开发成本低、开发周期短等明显的优点，渐渐地在工业测控领域崭
6、露头角。它的出现使企业家们看到了降低成本的希望。本设计将就虚拟仪器怎样用在工业测控中进行一番简单的探讨。1.2 虚拟仪器简介 随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术和现代测量技术的迅速发展，一种新型的先进仪器虚拟仪器成为当前系统研究的热点。虚拟仪器通过软件开发平台将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，把计算机强大的数据处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的显示、存储及分析处理。在对大规模、集成化、智能化及数字电子仪器需求愈加迫切的形势下，计算机技术、仪器技术和通信技术相结合，产生了具有里程碑意义的新一代仪器虚拟仪器。虚拟仪器的出现开辟了仪器技术的新纪元，
7、它是多门技术与计算机技术结合的产物，其基本思想逐步代替仪器完成某些功能，如数据的采集、分析、显示和存储等，最终达到取代传统电子仪器的目的。虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器硬件、数据分析处理、软件、通信软件极图形用户界面的又效结合，具有传统仪器所具备的信号采集、信号处理分析、信号输出等功能。其基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口和测试仪器等。虚拟仪器以透明的方式把计算与传统仪器一样。虚拟仪器同样划分为数据采集与控制、数据分析与处理、结果表达三大功机资源和仪器硬件的测试能力结合起来，实现了仪器功能的运作。虚拟仪器的功能模块如图1-1所示。PCDAQ采集器网络传输信号处理串口仪器磁盘复制数字滤波
8、GPIB仪器文件I/O统计VXI仪器图形用户接口分析PXI仪器图1-1 虚拟仪器的功能模块虚拟仪器用各种图标或控件来虚拟传统仪器面板上的各种器件。由各种开关图标实现仪器电源的通断；由各种按钮图标来设置被测信号的“放大倍数”、“通道”等参数；由各种显示控件以数值或波形的方式显示测量或分析结果；由计算机的鼠标和键盘操作来模拟传统仪器面板上的实际操作；以对图形化软件流程图的编程来实现各种信号测量和数据分析功能。如下是虚拟仪器与传统仪器的比较表，直观的反应了传统仪器和虚拟仪器各自的性能特点。传统仪器和虚拟仪器的比较传统仪器虚拟仪器仪器厂商定义用户自己定义硬件是关键软件是关键仪器的功能、规模均已固定系统
9、功能和规模可通过软件修改和增减封闭的系统，与其它设备连接受限制基于计算机的开放系统，可方便地同外设、网络及其它相应设备连接价格昂贵价格低，可重复利用技术更新慢技术更新快开发和维护费用高软件结构可大大节省开发和维护费用多为实验室拥有个人可拥有一个实验室1.3 图形化编程语言LabVIEW的简介LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)是一种图形化的编程语言和开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接收，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW不仅提供了与遵从GPIB，VXI，RS-232和RS-4
10、85协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，还布置了支持TCP/IP，ActiveX等软件标准的库函数，而且图形化的编程界面使编程过程变得生动有趣。LabVIEW是一个功能强大且灵活的软件，利用他可以方便的建立自己的虚拟仪器。以LabVIEW为代表的图形化编程语言，又称为“G”语言。使用这种语编程时，基本上不需要编写程序代码，而是“绘制”程序流程图。LabVIEW尽可能利用工程技术人员所熟悉的术语、图标和概念，因而它是一种面向最终用户的开发工具，可以增强工程人员构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高
11、工作效率。利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件。LabVIEW是真正的32位编译器。像其他软件一样，LabVIEW提供了Windows，UNIX，Linux和Macintosh等多种版本。1.4 本论文任务 （1）设计一个由微控制器控制的温度采集装置，使其能够准确地采集环境温度。 （2）通过某种通信协议，将采集到的温度送往上位机进行显示和处理。 （3）用LabVIEW编写上位机的程序，使其能够接受下位机发送来的温度信息数据，并作出处理想，同时显示在PC屏幕上。 （4）使用LabVIEW编写PID控制程序，能实现对温度的比较准确的控制。 （5）使用LabVIEW编写模糊控制程序，能实现
12、对温度的控制。 图1.2 上位机界面 图1.2 硬件实物图1 2 温度控制设计方案 本设计采用LabVIEW和AVR单片机组成系统的主要模块。由下位机把单线式温度传感器DS18B20测量到的温度，通过串口发送到的由LabVIEW构建的上位机去。然后在上位机中进行处理和显示，通过PID或者模糊算法，计算出要输出的控制量，再由串口将数据发送到下位机，交由下位机处理。下位机根据一定的关系，输出一定的信号来控制固态继电器的通断。固态继电器的交流端就会因为通断而控制水泥电阻工作与否，以此达到控制温度的目的。2.1 硬件及软件的选择2.1.1硬件的选择 系统的硬件设计主要分为四个部分：主控部分、DS18B
13、20测温部分、通信部分、程序下载部分。 在下位机控制器上，由于需要采用PWM技术对加热装置进行控制，而传统的51系列单片由于其内部并不具有专门的PWM模块，当从上位机发送控制数据时，就必须采取中断才能执行这个过程。由于AVR系列单片机内部均有现成的PWM模块，可以在进行采集温度的同时，进行PWM控制。所以，本设计选择Atmel公司生产的ATMega16八位高性能微处理器。AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器
14、仪表、通讯设备、家用电器等各个领域，它与51单片机、PIC单片机相比具有一系列的优点： (1)在相同的系统时钟下AVR运行速度最快； (2)芯片内部的Flsah、EEPROM、SRAM容量较大； (3)所有型号的Flash、EEPROM都可以反复烧写、全部支持在线编程烧写(ISP)； (4)多种频率的内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，零外围电路也可以工作； (5)每个IO口都可以以推换驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强； (6)内部资源丰富，一般都集成AD、DA模数器、PWM、SPI、USART、TWI、I2C通信口、丰富的中断源等。 目前支持AVR单片机编译器的语言主要有汇编语言、C语言、BASIC语言等。其中C编译器主要有CodeVisionAVR、AVRGCC、IAR、ICCAVR等，C语言编译器由于它具有功能强大、 运用灵活、代码小、运行速度快等先天性的优点，使得它在专业程序设计上具有不可代替的地位。测温部分，本设计采用美国DALLAS公司生产的一线式温度传感器DS18B20（如图2-1）。数字式温度传感器DS18B20是美国DALLAS公司推出的一种可组网数字式温度传感器，采用1-wire总线接口，测温范围为-55+125，精度可达0067 5 ，最大转换时间为200ms 。D
