儀表在試驗室控制體系預設踐行中的運用
1系統概述
1.1系統功能劃分
本系統結合LabVIEW以及相應的硬件，實現對溫濕度的測量、顯示和控制。系統的功能可以劃分為：
（1）溫度測量與顯示。通過溫度傳感器將環境溫度轉化為連續的電壓信號，經調理后由數據采集卡進行A/D轉換，并將數據送入計算機，交由儀器功能軟件處理并顯示。
（2）濕度測量與顯示。其實現同溫度測量基本相同，但在調理電路中要利用溫度信號進行補償。
（3）數據存儲。將經過儀器功能軟件處理的溫濕度數據存儲到一個的電子表格文件中。
（4）溫濕度控制。在用戶輸入溫濕度設定值后，儀器功能軟件將其與當前量進行比較，然后產生相應的控制量輸出。功能組成如1所示。
1.2系統結構
本系統的測試環境是一個60cm×50cm×40cm的封閉玻璃箱。系統由軟件和硬件兩大部分組成，其結構框圖如2所示。
系統的硬件部分將溫濕度信號轉換成電信號，并進行調理和A/D轉換，將數據傳入計算機，同時按照儀器功能軟件的指令對溫濕度進行控制，它由溫濕度傳感器、調理電路、DAQ卡（數據采集卡）、控制電路、風扇、電吹風、加濕器組成。其中風扇用來排氣，可以降低實驗環境的溫濕度，超聲波加濕器用來增加實驗環境的濕度，電吹風用于提高實驗環境的溫度。
軟件部分負責將從DAQ卡輸入的數據進行處理，使其變換成相應的溫濕度值，然后在顯示器上顯示相應的圖線，并存入硬盤，同時接收用戶輸入的溫濕度設定值，生成控制信號。
2硬件模塊設計
2.1溫濕度信號的捕獲
溫度信號捕獲采用硅單晶溫度傳感器和相應的電路，將溫度轉換成電壓信號。其組成框圖如3所示。
濕度信號捕獲采用UD208濕度傳感器和相應的電路將濕度轉換成電壓信號。其組成框圖如4所示。
2.2控制電路設計
控制電路的工作原理是從DAQ卡的數字輸出端口接收控制信號，然后控制繼電器的動作，使電吹風、風扇和加濕器工作在相應的狀態下。
風扇的工作電壓是12VDC，用普通繼電器對它進行控制；電吹風和超聲波加濕器工作在220VAC電壓下，用兩個固態繼電器分別對它們進行控制。
本系統采用的是美國NI公司生產的PCI26251DAQ卡。它是一款通用的DAQ卡，可以直接插入微機的PCI總線接口。
為確保DAQ卡數字I/O通道的安全，使用三級管來驅動繼電器，如5所示。
Port接DAQ卡的數字I/O通道中相應的位，R0和R2將流經Port的電流限制在3mA以下，R1的大小為200Ω，它將普通繼電器的輸入端電壓限制在5V以下。
3軟件設計
3.1軟件工作原理描述
針對以軟件即儀器的虛擬儀器技術，系統的軟件模塊設計是系統的核心。儀器功能軟件是利用Lab2VIEW圖形編程軟件創建的。
本系統軟件設計思想是：系統從DAQ卡的通道中讀取數據，在對數據進行相應的處理后將其存儲并在前面板上顯示，同時生成控制信號送入輸出通道。
其間各個節點的執行由數據流驅動的，也就是說每個節點只有當在它之前的所有節點將相應的數據傳輸過來后才能執行。
因此，可以根據要實現的功能，將系統分成幾個模塊，分別創建虛擬儀器，然后將它們作為子VI，在一個新建的VI中調用它們組成完整的系統。
3.2濾波設計
由于在溫濕度原始信號采集的過程中，容易受到脈沖干擾的影響，所以程序中要對輸入的溫濕度信號進行判斷，若為干擾則將其按一定算法將其濾掉，否則將輸入信號直接輸出。
脈沖干擾來源于爆炸、放電等原因。本系統中產生脈沖干擾可能是因為電路接觸不良，或是A/D轉換過程中由于軟件或硬件的不完善產生的采樣壞值。其表現為時域波形中突然出現的窄脈沖。
本系統采用以下的判斷脈沖干擾的方法：先根據實驗確定一閾值M，當前輸入的信號值X同前一個采樣點的值Y的差的值小于M，則將X直接輸出，否則便認為X為脈沖干擾。
處理脈沖干擾有多種方法，如根據本系統中溫濕度是連續變化的，而且變化率不大，所以可以將干擾值X用前一個采樣點的值代替，這樣可以很好地消除脈沖干擾的影響，但這種方法也有不足。如所示，設閾值為2，假設圖中左起第3點（實際值為22）受到幅度為-3的脈沖干擾，取值變為19，因其與前一點值21的差值不大于閾值，將被保留，但第4個點的值23與第3點的值相差大于閾值，因此會被當作干擾而被第3點的值19所代替，依此類推會使結果發生很大偏差。
針對上述方法中的缺點進行改進，可將脈沖干擾值X與前一點的值Y進行加權平均后輸出。例如，zui為簡單的加權可以取兩者的平均，即權值均為0.5，也可以根據實際改變兩者的比例。改進的方法可以有效抑制脈沖干擾。
3.3控制設計
控制子VI是將當前溫濕度值與設定值進行比較后生成控制字，再調用LabVIEW自帶的子儀器WritetoDigitalPort.vi，將控制字通過的數字I/O通道輸出。
主要算法思想是（以溫度為例）：當溫度大于設定的溫度時，向數字I/O通道相應位寫入‘1’，繼電器接通，風扇啟動，使溫度降低，反之亦然。同時，當設定溫度與當前溫度之差的值小于某一設定值時，向數字I/O通道相應位寫入‘0’，繼電器關閉，風扇（電吹風）停止，使溫度值穩定在設定值左右的一定范圍內。
該設定值的作用，就是避免繼電器反復工作，以確保控制系統工作穩定。濕度的控制思想與溫度的一樣。
設x、m分別為溫度和濕度值，y、n分別為溫度和濕度設定值，Tt、Wt分別表示溫度和濕度調節的容限。
1顯示了在各種情況下控制子VI輸出的控制字，其中T代表True，F代表False，控制字完成對風扇或電吹風動作的控制。
3.4數據存儲設計
數據存儲則是調用LabVIEW中WriteCharactersToFile.vi將經過處理的溫濕度值存入一個電子表格文件中。數據存儲子程序如7所示，該子程序通過.1fs.1fs對存儲數據格式進行了設置，而測試數據的存儲或讀取則通過設置存儲控件類型T或F來實現。
7中，路徑輸入用于選擇數據存儲的路徑，路徑輸出則是用于選擇數據讀取的路徑，通過DBL進行溫度值和濕度值的設定。
4實驗結果
本設計使用LabVIEW和數據采集卡實現溫濕度測控的虛擬儀器系統，替換了老的實驗設備，并進行了實驗。8、9分別顯示了采用虛擬儀器技術設計的系統的輸出情況。
8顯示了zui終的溫濕度曲線。圖中的曲線是在將加濕器關閉后調節溫度獲得的，溫度的設置值依次為35、45、60、40（℃）。由圖中可以看出：在濕度不變情況下，相對濕度隨溫度的增加而降低。
顯示了未經軟件處理的溫濕度電壓曲線。本圖的時間軸坐標區間比小，這樣可以更清楚地觀察溫濕度信號的變化情況，判斷溫濕度信號是否已達到平衡狀態，便于校準和比較。本圖顯示了溫度從60℃變化到40℃時，溫濕度電壓信號的變化情況。
T1、H1為系統所測的溫濕度值，T2、H2為校準表所示溫濕度值。2顯示了系統所測的穩態下的溫濕度值與校準表的示值間的關系。
由2可以看出，本系統的溫濕度調節溫差分別小于2℃和2.2RH.
5結語
虛擬儀器技術利用高性能的模塊化硬件，結合靈活的軟件來完成各種測試、控制和自動化的應用。
靈活的軟件能創建*自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供的系統集成。該系統的研制過程充分展現了虛擬儀器技術性能高、開發時間短的優勢，并為今后系統的擴展提供了*的途徑。
*產品：壓力轉換接頭廠家，V錐流量計廠家，氧化鋯氧量分析儀，金屬管轉子流量計，金屬管浮子流量計廠家，熱式氣體流量計，一體化孔板流量計，LWGY渦輪流量計，LUGB渦街流量計，壓力表校驗器，瀝青流量計，氧氣流量計，天然氣流量計，重錘式料位計
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