基于虛擬儀器的流量監測系統設計本科畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 國防建設、科學研究對外貿易以及人民生活各個領域之中。其中流量計 量的最廣泛的應用便是在對水流量的監測。隨著科技的飛速發展，對流量監測在國民經濟中的地位與作用更加的明顯。 設計該 流量監測系統 的目的就是通過檢測 通過流量計中的水流大小 ， 與設定水流的流量大小進行對比，起到對水流大小的實時監測 。因此，本文研究的主要 目標 如下： （ 1） 選擇合適的 流量計對流量大小進行測量、采集和保存； （ 2） 選擇合適的電磁閥對流量進行實時的控制； （ 3） 選擇合適的單片機將功能整合，并與上位機建立關聯； （ 4） 選擇合適的虛擬儀器設計界面，控制系統工作。 本論文的結構安排 本篇設計論文由緒論與正文組成，緒論部分介紹論文《基于虛擬儀器的流量監測系統設計》的選題背景及現實意義。正文分章節介紹系統設計的理論、軟硬件的原理資料介紹、設計所采用的軟硬件的選擇、方案調試結果以及結論。 西南交通大學本科畢業設計（論文） 第 3 頁 第 2章 系統設計理論基礎 虛擬儀器技術 虛擬儀器技術是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用 [2]。通過完全由用戶自定義的界面，使用集成化的虛擬儀器環境與實時信號進行通信，獲取并分析其中實用信息，高效、快速、直觀的在虛擬界面中顯示并調整。提供各種工具以滿足各種系統設計需求。 虛 擬儀器相關介紹 由國家儀器公司（ NI）在上世紀 80年代最早提出虛擬儀器（ VI）的概念。 徹底顛覆用戶無法根據自身需求調整儀器，而只能由生產廠家來定義其功能的傳統觀念。同時引發了傳統儀器領域的大變革，使計算機和網絡技術在儀器領域中的地位變得不可撼動。計算機技術和儀器技術的結合，掀開儀器領域的新篇章“軟件即儀器”。所謂虛擬儀器，就是基于計算機或工作站、軟件和 I/O 部件來構建，通過在計算機或工作站平臺上，用戶自行設計、定義含有虛擬可視化界面，由測試軟件處理 I/O 部件（獨立儀器、模塊化儀器、數據采集板或傳感器等）中數 據的計算機儀器系統。至此用戶便能結合自身需求通過利用虛擬儀器高度自由的組建適合自己的自動檢測系統。 虛擬儀器優勢 虛擬儀器與傳統測試儀器系統相比，其優點顯而易見： 性能高，虛擬儀器是以計算機技術為基礎發展而來，完全“繼承”以計算機技術為主導的最新現代技術，成功將計算機的軟件與硬件資源結合，不僅提升了傳統儀器在數據顯示、處理、存儲等方面的能力，更具備傳統儀器沒有的更強大更豐富的功能； 擴展、兼容性強，將部分硬件通過用計算機技術以軟件的方式在計算機或工作站代替。由于計算機技術的特點，能在不改變 I/O 部件的條件下提高系統靈活性的同時，做到最大兼容。且新技術出現后，只需要通過更新計算機或升級硬件，便能以最少的投資和極少的軟件升級即能改進整體系統。在信息化時代高速發展的今天，能通過現有設備做到最快的改進和更新達到系統設備的再利用； 西南交通大學本科畢業設計（論文） 第 4 頁 節約時間，在驅動與應用的兩個方面，通過高效的軟件構架與計算機，儀器儀表和通信設備的最新技術結合，就可以實現對測試數據進行迅速、高效、實時的采集、分析與處理。使人機交互也因此而變得簡單快捷，能輕松的配置、創建、發布、維護和修改系統設計方案； 無縫集成，該技術本質上是一個 集成的軟硬件概念，因此可以支持多種的工業總線標準。隨著需要測量對象和難度的增加，儀器儀表產品在功能上不斷的趨于復雜，通常需要連接和集成大量的不同設備以及耗費大量時間。而虛擬儀器軟件為所有的 I/O 設備提供了標準借口，用戶利 用 VI 技術就可方便地將多測量設備集成到單個系統，使測量、控制過程實現智能化、網絡化，也減少了系統設計的復雜性 [3]。 虛擬儀器技術發展現狀 隨著時代的發展，將生產、生活中的檢測和控制朝著高度信息化發展已經是世界信息化的體現。目前虛擬儀器技術已經普遍被應用于各個需要測量的行業，甚至自動化控制和機器控制等領域。 傳統儀器在測量測試領域有著重要的作用，但存在著許多問題，例如靈活度不高、精度較低、再利用率低等。虛擬儀器的出現解決了這些問題，在具有高度靈活性的基礎上，同時讓性能和精度進一步的提升。強化了傳統儀器儀表的測量，甚至解決了傳統儀器無法實現的測量。其擴展性和兼容性都是傳統儀器無法做到的，也證明了虛擬儀器是未來儀器發展的主流方向。 西南交通大學本科畢業設計（論文） 第 5 頁 第 3章 系統方案設計 系統整體方案設計 在系統設計之前，需要對要解決的問題進行調查研究以及分析論證。在此基礎上，還要根據所需解決的實際問題所對應的要求，確定系統設計方案所需要完 成的任務和技術指標，確定系統的實現方案。此外所設計的系統方案，在保證其性能指標的前提下，盡量選擇性價比高的元器件以便使所設計的系統設計具有較高的實現價值。 單片機處理器的選擇 該監測系統涉及數據采集、運算、保存、串口通信、總線控制、存儲器擴展、顯示等內容。根據設計的主要內容，現有以下兩種系統單片機的選擇方案： （ 1）方案一：采用 STM32 單片機、測量儀器和虛擬儀器軟件結合的方式。 （ 2）方案二：采用 51 系列單片機、測量儀器和虛擬儀器軟件結合的方式。 單片微控制器簡稱單片機（ Microcontrollers） ，與包含中央處理器（ CUP）、隨機存儲器（ RAM）、只讀儲存器（ ROM）和輸入輸出設備（ I/O 設備）的計算機一樣，通過采用超大規模集成電路技術將具有數據處理功能的 CPU、具有儲存和讀取功能的 RAM 和 ROM、具有擴展功能的多種 I/O 口和中斷系統、定時 /計數器等功能集成到一塊硅片上，因此單片機就是一個完善的微型計算機系統。相對計算機，單片機具有體積小、質量輕、價格低廉等計算機不具備的特點，為學習、開發和應用提供了便利。雖然缺少 I/O 設備，但學習是了解計算機原理與結構的最佳選擇。 單片機的使用領域已十分廣泛，通常 產品在和單片機組合后，就能起到使產品升級換代的功效。是現代控制系統中不可缺少的核心硬件。具有多種特點： （ 1）體積小、成本低、便于工廠化生產，具有極高的性價比； （ 2）集成度高、穩定性高、能適應惡劣極端的環境且便于更換； （ 3）低功耗、低電壓、便于開發，具有極高的實用價值； （ 4）功能強大、控制簡單、擴展性強。 結合所學到的有關單片機的知識和實踐運用積累的經驗，決定使用最為簡單實用，但功能完善的 80C51單片機作為該系統設計方案的控制元件。該系統控制處理功能并不復雜，且一般來說， 51 單片機能夠完成的功能， STM32 單片都能完成，但是 STM32 較 51 系列西南交通大學本科畢業設計（論文） 第 6 頁 而言，價格稍高、開發周期長、制作成本高，不易快速開發。相反， 51 系列單片機價格便宜又簡單，而且對于本文設計系統 51 系列單片機功能足夠且開發較為簡單，完全能夠滿足本設計所需要的控制要求。因此，考慮成本和開發難度的因素，本設計選取的是方案二，采用 51 系列單片機和虛擬儀器軟件結合。 水流量測量方案選擇 該系統設計方案中，水流流量測量是實時監測系統功能的關鍵。流量計（ Flowmete）是指示被測流量和在選定的時間間隔內流體總量的儀表。容積式流量計簡稱 PD 流量計，是流量儀 表中精度最高的一類。其中霍爾式流量傳感器即霍爾流量計，是一種基于位移傳感的流量計，葉輪在流體推動下旋轉，帶動螺桿旋動，使磁系統產生上下偏移量，流速大小則與位移量成正比。 當前水流流量的測量的自動化已普遍實現、而霍爾流量計作為其中應用量最大最為廣泛的流量測量傳感器，也是該系統設計方案的選擇。該流量計使用簡便，且具有可靠性高、準確度高、結構簡單、成本低廉、功耗較小等優點。在系統設計方案中，將霍爾流量計裝在進水電磁閥的出水口，其作用為檢測使用水時水管中水流通過的速度，并將采集到的信息發送到 51 單片機中，單片機通過 與預設流量大小對比，判斷是否需要改變電磁閥狀態，同時傳送給上位機作監控記錄。 上位機方案 上位機簡單說明 下位機是直接控制設備并獲取設備狀況的計算機，一般是 PLC/單片機之類，其作用是用來監測和執行上位機發出的操作指令，下位機根據上位機命令解釋成相應時序信號直接控制相應設備。并不時讀取設備狀態數據，轉換為數字信號反饋給上位機。依據所選用的單片機編寫需要功能，通常采用匯編語言進行編寫。是系統的被控制者和被服務者。 上位機是特指可以直接發出操作命令的 計算機或工作站 ，其作用是用來集中顯示數據和發出操作指令，顯示 各種信號變化，一般配合下位機同時使用，其程序的編寫一般用BASICH 或 C 語言等高級程序語言。通常支持數種高級語言，是系統的控制者和提供服務者。 西南交通大學本科畢業設計（論文） 第 7 頁 虛擬儀器軟件選擇 同為 NI 公司研發的虛擬儀器軟件 LabVIEW 和 LabWindows/CVI，是目前虛擬儀器系統選擇最多，亦是功能最為廣泛的虛擬儀器軟件。作為都是面向虛擬儀器技術的產品其區別如下： LabVIEW LabVIEW 是一種圖形化編程語言即 G 語言，用于快速創建靈活和可升級的測量、測試和控制應用程序 [4]。使用圖形編程，能充分利用空間和色彩，能直觀反映用 LabVIEW替代的傳統儀器硬件，可以采集到實際信號，并能對其進行分析得出有用信息。因此能快速便捷的開發測量程序，但高度封裝，使很多底層編程無法涉及和體現。 LabWindows/CVI LabWindows/CVI 是完全標準的 C 開發環境，被廣泛用于開發虛擬儀器應用程序。不僅提供用于完成數據采集、分析和顯示任務的內置式庫函數，還有簡單的拖放式用戶界面編輯器以及自動代碼生成工具。通過利用這些功能，在將代碼加入某項目之前便可以進行測試，是開發多線程應用必不可少的軟件。 結合以上特點， 通過把功能強大、高效 靈活的 C 語言與用于數據采集分析和現實的測控儀器結合，為 C 語言開發提供了十分理想的環境，囊括了檢測系統、自動測試系統、數據采集系統、過程監控系統等各個方面。相對傳統測控儀器不僅更加靈活，而且通過與計算機的結合使各方面功能更加豐富。 所以選擇 LabWindows/CVI 作為上位機的虛擬儀器軟件，其優越的數據顯示、分析、存儲和控制功能以及良好的界面功能，能該系統設計方案變得更好。 無線通信模塊方案選擇 無限通信主要包括微波通信和衛星通信。微波是一種無線電波，其傳輸距離一般只有幾千米，但具有寬頻帶的微波其特點 是有很大的通信容量。無線通信技術從上世紀便已深入人們生活和工作的各個方面，因此遠程、智能、自動化的控制不僅離不開無限通信技術，也是未來高度信息化生產所必需的。將單片機從傳感器中接收并處理好的信號傳送到LabWindows/CVI 上位機系統，就需要添加一個無線模塊。通過無線通信手段，便能成功實現用 LabWindows/CVI 上位機系統對水流流量的遠程監測。 西南交通大學本科畢業設計（論文）