基于labview數據采集系統設計畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 前沿學科之一，列入為 “十五 ”期間優先資助領域。在企事業單位中，也涌現了一批研究和從事虛擬儀器的公司和學校。據了解國內展開虛擬儀器技術研究、教學和開發的學校有清華大學、中國科學技術大學、哈爾濱工業大學、重慶大學、復旦大學、上 海交通大學、國防科技大學、四川大學等數十所高校。 NI 公司也已在 20xx 年提出了 “NI 中國高校推廣計劃 ”，從而進一步打開中國虛擬儀器發展市場。縱觀我國虛擬儀器發展歷程，我國虛擬儀器堅持走出一條自主創新的路子，具體表現為 863 項目 “虛擬儀器關鍵技術的研究及其產業化 ”中所研制的 “一體化虛擬儀器 ”，標志我國成為嵌入式一體化虛擬儀器研發先行者。 隨著國民經濟的持續快速發展，企業技術升級步伐也不斷提速，先進虛擬設備需求表現尤為強勁，再加上我國個人計算機業務的快速發展，為虛擬儀器發展奠定了技術基礎。業內人士根據市場需求統 計預測，我國虛擬儀器行業的產值未來十年內將超過儀器儀表行業總產值的 50%。伴隨著虛擬技術 發展推進 ，也涌 現出一 批研究 成果，如 唐山大 學基于ComXactPCIV PYI 研制的鍋爐供熱自動控制系統成功地運用在唐山市熱力 5 總公司項目上；清華大學基于 ComXactPCIV PYI 技術建設的實驗熱工水利測控平臺研制成功了先進的熱工測量技術和熱工仿真技術成功地完成了海水淡化等重要課題研究；國防科技大學基于 NaOVIEP 的分布式 VYI 儀器教學實驗系統的研制為 VYI 儀器廣泛進入大學實驗室創造了條件；清華大學利用虛擬儀器構建汽車 發動機檢測系統用于汽車發動機出廠的自動檢測等。 本文主要研究內容 本設計主要是研究基于虛擬儀器 LabVIEW 設計的數據采集系統，實現數據采集、處理、分析、顯示等。該設計中將溫度作為主要采集對象，溫度傳感器 DS18B20 作為溫度采集器件，通過下位機將采集到的數據顯示出來并傳送到上位機進行處理分析。 6 第 2章 系統方案設計 設計任務 課題設計任務是利用 LabVIEW 的串口通信模塊，采集來自單片機獲得的數據采集信號，并在 LabVIEW 上實時繪圖顯示，并通過設置數 據采集信號數值上下限，當采集信號高出或者低于預警線時，界面會出現相應的提示，同時能夠對采集的信號進行存儲，在進行歷史記錄調用時候可以顯示出原始數據采集記錄。為了提高系統設計應用能力，在設計過程中將采集信號設置為溫度。 完成一個基于 LabVIEW 與傳感模塊的溫度檢測系統，要求實現具體功能如下： （溫度采集） 顯示界面及與下位機的串口通信 軟件上溫度的實時顯示 方案選擇 數據采集作為系統信 號輸入組成部分，從傳感器和其他待測設備將物理信號自動采集為電量或者非電量信號形式，并通過一定時鐘脈沖采集頻率和信號載波組合送于信號處理模塊分析處理。采集信號的目的主要是測量電壓、電流、溫度、壓力、聲音等物理信息量，并將采集的信號信息傳輸到信號處理模塊進行信號處理，信號處理結果上傳至系統控制中心，控制中心根據采集信號做出相應的決策。 數據采集的本質是還原采集信號的真實值，不同類型的采集系統因采集模塊不同設計，在進行數據采集時總會顯示出較大差異。其中決定信號采集差異的主要為采集頻率，在一段完整連續模擬 信號中，設置不同的采集周期導致采集信號的差異顯著表現出來。根據采樣定理，最低的采樣頻率是信號頻率的兩倍，如果采樣頻率過分低于或者高于信號頻率兩倍，會出現信號畸變，并定義正確顯示信號而不發生畸變的最大頻率為奈奎斯特頻率，一般為采用頻率的一半。在工程過程中，為了準確地捕捉信號信息，會通過信號濾波器對信號進行信號濾波處理，并提高采用頻率倍數，縮小采樣頻率周期。在信號處理分析過程中一般設置信號采集樣本為 510,采集樣本信息過大會導致處理數據量大，處理速度慢影響信號處理質量。信號采集完成需要進行信號分析處理，根據采 樣信息和控制中心設置相應的信號處理算法，控制中心根據算法結果做出一定決策來實現數據信息的 7 最終目的。 一個完整的數據采集系統由傳感器、信號調理設備、數據采集卡、驅動程序、應用軟件和計算機等相關部分組成。傳感器和變換器組合測量被測環境的物理信號量，并將模擬物理信號量轉換為電信號；信號調理設備可以對采集到的電信號進行加工，使采集到的模擬物理信號量適合數據采集卡的需求；計算機通過數據采集卡等獲得測量數據，軟件控制著整個測量系統，負責對采集到的原始數據處理分析，并將最后結果表示成容易理解的方式，例如圖表、波形圖等。 DS18B20 介紹 DS18B20 作為測試系統的數據采集傳感器，采用即插即用元器件鏈接方式，便于數據采集，適應性強，抗干擾能力強，精度高，測溫范圍 55℃ ~+155℃ ，誤差為 177。℃ ，可以多點組網、多點測溫，工作電源電壓為 3V~，應用于一般工業測溫現場、家庭溫度測量等。 DS18B20 有三個 PIN 腳，分別為 GND、 I/O、 VDD，在判別引腳時面對扁平那一面 左負右正 ,一旦接反將會燒毀元器件并且溫度會一直顯示85℃ ，可編程分辨率為 912 位，讀出溫度時讀出 16 位，前五位為符號位，前五位為零時讀取溫度 為正號， 1 時讀取溫度為負號，結構如圖 21所示。 圖 21 DS18B20 結構圖 DHT11 介紹 DHT11 數字溫濕度傳感器采用數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，包括電阻式感濕元件和 NTC 測溫元件，與高性能 8 位單片機連接。傳感器數據傳輸以濕度、溫度數據的 40Bit 為單位一次性傳給單片機，采用校驗和的方式檢測傳輸數據的準確與否。傳感器工作電壓 3V~，濕度測量范圍 2090%RH，溫度測量范圍 050℃ ，運用于暖通空調、氣象站等。 DHT11 溫濕度傳感器有四個引腳，引腳 1 與正電源相 連接、引腳 4 接地、 DOUT 為輸出引腳負責數據傳輸，第三引腳為空引腳，具體結構如圖 DS18B20 1 2 3 8 22 所示。 圖 22 DHT11 結構圖 XPT2046 介紹 XPT2046 作為 AD、 DA 轉換芯片，采用逐步逼近型 A/D 轉換器，內置溫度檢測電路、參考電壓源，外置外部時鐘，分為單端模式、差分模式。具有采樣 /保持、模數轉換、串口數據輸出功能，接口電壓標準為，工作溫度范圍 40℃ ～ +85℃ ，功耗小于 。 A/D 轉換通過采樣保持、量化和編碼實現對輸入模擬電壓信號采用保持，在保持時間內實現電壓量到數字 量的轉化，并將轉化結果用編碼形式輸出。具體如圖23 所示。 圖 23 XPT2046 模擬輸入特性 9 方案確定 綜合兩種傳感器器件，在采集溫度功能上，兩個傳感器均可以實現，在實驗初期采用 DS18B20 進行數據采集，簡單方便、測量準確性高，測試原理雷同采用 A/D、 D/A 轉換模塊實現數據采集，權衡比較最終選擇了DS18B20 作為系統數據采集傳感器。 DS18B20 測溫原理 DS18B20 溫度傳感器主要有 64 位 ROM、高速緩沖存儲器、 CRC 生成器、溫度敏感器件、高低溫觸發器及配置寄存器等部件組成，內部 結構圖如圖 24 所示。 圖 24 DS18B20 內部結構圖 DS18B20 內部計數器 1 是一個對溫度影響小的低溫度系數產生固定頻率的脈沖信號振蕩器，低溫時振蕩器的脈沖可以通過門電路，而當到達某一設置高溫時振蕩器的脈沖無法通過門電路。內部計數器 2 是一個對溫度影響大的高溫度系數產生固定頻率的脈沖信號振蕩器。計數器 1 和溫度寄存器預置為 55℃ 時對應相應基數值，計數器 1 對低溫度系數晶振發出的固定頻率脈沖信號進行減法計數處理，計數器 1 預設值減至 0 時且門電路未關閉，則溫度寄存器 的值將 +1（溫度高于 55℃ ），同時計數器 1 的預設值將被重新裝入開始新一輪采集低溫度系數晶振發出的固定頻率脈沖信號，循環至計數器 2 計數到 0 時，停止溫度寄存器值累加，溫度寄存器值為所測溫度，電路對振蕩器的溫度系數進行補償，斜率累加器補償和修正測溫過程中的非線性信號量，其輸出用于修正計數器 1 的預設值，測溫內部結構圖如圖 25 所示。 64 位ROM 及 一線總線接口 存儲器和控制器 高速緩沖 存儲器 8 位 CRC 生成器 溫度敏感元件 低溫觸發器 TL 高溫觸發器 TH 配置寄存器 電源檢測 10 DS18B20 擁有 64 位 ROM，低 8 位表示產品類型標識，高 8 位表示低56 位循環冗余校驗碼，中間 48 位表示序列號，可以實現一根總線掛多個DS18B20。高速緩沖存儲器內部有 9 個字節，第 2 字節存放轉換完成的溫度值，第 4 字節存放上、下限報警值 TH 和 TL，第 5 字節為配置寄存器，第 8 字節為保留字節， 9 字節是 CRC 校驗碼，提高串行傳輸的可靠性。配置寄存器內部 8 位， D D6 位設置 DS18B20 轉換分辨率。 圖 25 DS18B20 測溫內部結構圖 測試參數分析 DS18B20 檢測完溫度后，溫度值通過符號擴展的二進制補碼（ 16位）形式寄存于高速存儲器 MSB 和 LSB 對應字節中，讀取出的二進制必須先轉換成十進制值，才能用于字符的顯示， DS18B20 的轉換精度通過設置配置寄存器 D6D5 位獲得，為了提高精度設置為 7FH,對應分辨率 12位，對應轉換時間 750ms。溫度值以 ℃ /LSB 形式表現出來，即溫度值為溫度寄存器里的二進制乘以 ，就是實際的十進制溫度值，DS18B20 采樣值與溫度關系如表 21 所示。通過觀察表 22 DS18B20 采樣值與溫度關系可以發現一個十進制和二進制之間有很明顯的關系，就是把二進制的高字節的低半字節和低字節的高半字節組成一個字節，這個字節的二進制化為十進制后，就是溫度值的百、十、個位值，而剩下的低字節的低半字 節化成十進制后，就是溫度值的小數部分。小數部分因為是半個字節，所以二進制值范圍是 0 至 F，轉換成十進制小數值就是 的倍=0 =0 計 數 器 2 溫度寄存器 預置 比 較 低溫度系數晶振 高溫度系數晶振 計 數 器 1 斜率累加器 預置 11 數（ 0 至 15），最高位是符號位， 1 表示溫度為負（用補碼表示），將讀出采樣值取補再轉換為十進制表示溫度， 0 表示溫度為正。 表 21 DS18B20 采樣值與溫度關系 二進制 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 十進制 0 0 1 1 2 3 3 4 5 5 6 6 7 8 8 9 表 22 DS18B20 采樣值與溫度關系 二進制采樣值 十六進制表示 十進制溫度 / ℃ 0000 0111 1101 0000 07D0H +125 0000 0001 1001 0001 0191H + 0000 0000 0000 0000 0000H 0 1111 1110 0110 1111 FE6FH 1111 1100 1001 0000 FC90H 55 例如： 07D0H 7DH=125 溫度值 125℃ ； 0191H 19H=25 1*= 溫度值 ℃ ； 0000H 溫度值為 0； FE6FH 1110 0110 1111 取補為 0001 1001 0001 (91H） 溫度值為 ℃ ； FC90H 1100 1001 0000 取補為 0011 0111 0000（ 370H） 37H=55 溫度值為 55℃ 。 本章小結 本章論述了系統設計方案確定過程，從系統設計任務出發，將數據采集系統具體設定為溫度采集，在系統信號采集模塊選擇上由傳統 A/D 和D/A 信號采集轉換為芯片內部集成 A/D 模塊的傳感器，直接將采集到的溫度模擬信號量 轉換數字信號量傳輸給單片機處理。 12 第 3章 數據采集系統硬件設計 數據采集系統設計任務負責采集測試環境的溫度參數，采集的溫度參數通過 串口通訊傳輸到上位機 PC 端，上位機借用 LBVIEW 軟件構建數據采集系統， LabVIEW 前面板將 PC 端接受到的溫度參數顯示出來。溫度采集系統硬件機構主要有 DS18B20 溫度采集模塊，單片機（ STC89C52）通過溫度采集器件采集被測環境溫度，模塊將模擬量溫度轉換為數字量送給模塊控制中心處理，然后將測量結果送給數碼管或者