基于虚拟仪器大棚温度检测控制系统.doc

基于虚拟仪器大棚温度检测控制系统182020年4月19日文档仅供参考期末考试设计项目报告课程名称： 测控技术应用 项目名称： 温度测控项目 班 级： 姓 名： 学 号： 小组成员： 指导教师： 日 期： 期末考试设计项目信息表项目名称温度测控项目考试时间指导教师成绩目的测控技术应用，自己选题完成测控系统的搭建和调试；任务要求1） 明确测控系统的构成；2） 测控参数定义与参数范围；3） 测控系统的搭建；4） 测控系统调试与实现；设备材料1） LabVIEW 软件；2） Next Board 软件和硬件平台；3） 6221数据采集卡；4） 相关传感器等硬件；评语指导教师签名日期测控技术应用期末考试设计项目报告第1章 概述1.1 引子随着中国国民经济的发展，人民的生活水平日益提高，冬季大棚蔬菜的市场日渐扩大，特别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。因此，依靠农业科技，大力推广温室大棚种植蔬菜能更好地满足人民生活需要。现代化温室，经过传感器技术、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。冬季大棚蔬菜最重要的一个管理因素是温度的控制。温度太低，会发生蔬菜冻死或者停止生长，因此要将温度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。测试当前温度，根据设定的温度上限值及下限值，判定当前有无警报：高温警报/无警报/低温警报。每种警报，都有文字提示，有不同颜色的警报灯显示（如高温为红色，低温为蓝色，正常为绿色。）当前温度数值用多种方式显示，如数值形式、波形图。1.2 项目设计内容及要求（1）内容：设计“蔬菜大棚温度控制系统”（2）要求： 设计一个模拟蔬菜大棚温度控制系统，实现如下功能：1.采集大棚内的温度信号，与温度上限值进行比较，高于上限温度打开窗户，给大棚降温；低于上限温度，关闭窗户。 2.当窗户开启时，红色指示灯点亮，窗户关上时，绿色指示灯点亮。 3.要求在运行VI时，程序进入等待状态，当点击前面板上的“开始”按钮，系统开始进行温度测控；当点击前面板上的“停止”按钮，测控系统停止工作，将所有的硬件通道清零并释放；当有错误时停止运行VI。4.在实现上述功能的同时，还要在前面板上进行实时温度显示、温度变化趋势图显示、高温报警指示等。1.3 项目设计所需器材硬件：nextboard实验平台、NI PCI-6221数据采集卡、nextsense_03 （RTD热电阻模块）说明：NI PCI-6221数据采集卡已经安装在电脑主机箱中，而且与nextboard实验平台连接。使用时，只需要把选定的模块安置在nextboard平台模相应的槽位上即可。软件平台：LabVIEW（8.5以上版本）、nextpad第2章 系统前面板设计2.1 项目设计说明前面板设计在前面板要设计温度测控的人机交互界面、进行资源配置和参数设置以及系统简介等内容，因此应使用3个选项的选项卡，把各分内容分别放置在不同的选项卡中，如图1 所示。 图1 前面板第3章 系统功能实现3.1 各部分细节分析LabVIEW中的模拟信号采集：本教程中，程序开发都是基于LabVIEW软件开发环境，（包括大家使用的nextpad平台，也是基于LabVIEW软件平台开发的。）后续教程中，不再重复提及LabVIEW软件，编写程序，即指LabVIEW程序编写。LabVIEW软件是NI公司的明星产品，NI公司的硬件产品，都提供基于LabVIEW的软件驱动。Nextboard硬件平台即提供专用的LabVIEW驱动，也能够直接使用数据采集驱动DAQmx来编程。在前面的基础实验中，编程全部基于DAQmx驱动。综合实验中，会讲解如何使用nextboard的驱动编写程序。（鼓励学生学习掌握DAQmx的编程方式，在未来的科研或是工作中，DAQmx的编程模式更加通用。Nextboard驱动也是基于DAQmx驱动完成的。）本实验系统中使用数据采集设备采集模拟信号。故，重点描述模拟信号采集线程。如下图所示，为模拟信号连续采集线程。图 2 模拟信号连续采集3.1.1信号采集函数选板（DAQmx）如下图所示，为信号采集函数选板。左下角为DAQ助手，该助手能够非常便捷的配置数据采集程序，对于初学者而言，能够迅速搭建实验软件平台。若编写系统或是大型项目，不推荐使用该VI。推荐使用选板上面两排VI做程序编写。能够有效提供程序的运行效率。（VI全称Virtual Instrument，在LabVIEW软件环境中，特指使用LabVIEW编写的程序，一个程序称为一个VI。）图 3 信号采集函数选板中的DAQ助手3.1.2模拟信号采集线程LabVIEW中编写信号采集线程，主要有如下几大部分：配置资源 时钟设定 - 开始采集 - 读/写操作 - 关闭资源如下图所示，包含了上述五个步骤，若是连续信号采集，则将读/写操作这个步骤放置于while循环结构中。图 4 模拟信号连续采集在配置硬件资源时，需要设定硬件连接信号的物理通道是哪一个AI通道，需要设定采集信号的信号电压范围（最大值、最小值），需要设定信号的采样模式，本系统中使用的是差分模式。选用该模式，是因为nextboard上的实验模块，硬件资源已经内部路由好，使用的采集模式为差分方式（differential）。使用差分模式，每路信号用两个AI通道做信号连接，信号正负两端分别和AI（n）和AI（n+8）相连接。例如使用AI0通道做信号连接，实际的使用端口为：AI0(信号正端)和AI8（信号负端）。使用差分模式能够抑制共模电压和共模噪声。时钟设定VI（sample clock），用来设定采样率和采样方式（连续采样）。采样方式设定为连续采样后，需要将读写函数放置于while循环中。读操作的VI为多态VI，其下拉选项中有多种选项能够配置。如单通道单采样，多通道N采样，等等。可更加实际的应用需求，设定读写的通道数和每通道的读写点数。释放资源，这是优质线程不可或缺的部分，在读写操作完成后，将线程中使用到的硬件资源全部释放。便于资源的重复利用，提高效率。3.1.3 While循环在程序框图中，右击空白处，函数选板-结构-while循环。在程序框图上拖放出所需的面积大小。一个while循环包含：外框、计数接线端（i）、条件接线端（右下角）。计数端（i）从0开始计数，即第一次循环结束，i=0，依次累加。条件端，当接入布尔量为真，循环停止。如下图（左）所示。While循环的执行次数是不确定的，其何时停止操作，有条件接线端接受的布尔量是否为真决定。 图5 while循环及隧道能够看到，while循环是能够有数据的输入和输出的。数据连线在while循环上留有隧道，经过隧道将数据传递出去。3.1.4错误簇若查看LabVIEW范例查找器中的程序，可能会看到如下的接线方式。一，可将VI右下角的错误簇连线连接至while循环的条件接线端。二，使用按名称解除捆绑函数将错误簇中的布尔分量与前面板的停止按钮做或运算，将布尔运算值连接至while循环的条件接线端。如下图两种接线方式，都能够作为while循环的停止过方式，右边的方式更常见。 图 6 循环停止条件设定那么什么是错误簇？选取错误簇：在LabVIEW的程序前面板上，右击空白处，控件选板 - 数组、矩阵与簇 错误输入3D。选中错误输入3D，并拖放在前面板上。观察图2-12，错误簇（无论输入或输出）包含有三个元素：状态（state）：值为TRUE（叉）时表示在节点运行前已发生错误，值为FALSE（勾）时表示警告或无错误。默认值为FALSE。 代码（code）：表示错误或警告代码。默认为0。如状态为TRUE，代码为错误代码。如状态的值为FALSE，代码为0或警告代码。 源（source）：表示错误或警告的源，大多数情况下表示出现错误或警告的节点名称。默认值为空字符串。 图7 错误簇大多数LabVIEW程序框图上的节点（如子VI、运算函数、DAQmx驱动VI等）都包含错误簇的输入和输出端口。编写程序时，合理使用错误簇，程序可带有错误处理机制。如错误在节点运行前发生，节点将把错误输入的值传递至错误输出。如节点运行之前没有错误发生，该节点将正常运行。如在节点运行时发生错误，节点运行结束后在错误输出中设置其错误状态。错误输入和错误输出簇用于在VI中传递错误信息。在多数情况下，源中标识了错误发生的位置。 如错误输入中发现了错误，VI将在错误输出中返回错误信息，并停止运行。默认状态下，LabVIEW将经过挂起执行、高亮显示出现错误的子VI或函数而且显示错误对话框的方式来自动错误每个错误。3.1.5等待函数（wait）选取等待函数：程序框图 函数选板 定时 等待（ms）为了控制结构（如循环结构）的执行时长（或执行频率），能够使用定时函数来框定结构执行一次的时间长度。一般定时时长 结构中功能代码的执行时长，否则定时形同虚设，结构的执行时长由执行时间更长的那一部分决定。比如循环中的执行内容很简单，1ms就可执行完成，可是程序逻辑需要循环的执行频率为100ms执行一次，此时就需要放置等待函数，等待时间输入端口填写数值100.图8 定时函数选板常见的等待函数有两个，如图所示，等待(ms)和 等待下一个整数倍毫秒。等待函数的计时精度由系统确定，依据使用的平台，精度可能低于1毫秒。使用等待下一个整数倍毫秒，可提高精度。3.2程序框图设计图9 程序框图 比较算法前面板 比较算法程序框图第4章 调试测试4.1运行调试、测试硬件电路搭接完成后，根据硬件位置，配置硬件资源，并设置温度上限等相关参数，然后运行程序进行调试、测试。根据任务书要求，撰写设计说明书。运行图：高温警报（此时提醒工作人员应打开窗户对大棚降温）无警报（正常）低温警报（此时提醒工作人员应关闭窗户给大棚加温）第5章 总结经过这次的项目设计，最终完成了对大棚温度控制的设计。在这次项目设计中，学到了很多知识，对测控技术这门课有了更深的了解。刚开始时，觉得很难，网上搜索的都是些没用的材料，不是设计复杂就是无参考价值的。之后，我们小组就查找一些以前做过的实验，看看有没有相似的，或者是相同原理的。我们在以前的实验中找到了“CPU智能散热模拟系统”的实验，这与我们所做的设计有相同之处，我们看了以前的程序框图，将它稍作修改，很顺利的完成了此次的项目设计。其实，有些设计并不是很难，只要你善于观察，你总会在以前所做的实验中发现一些共同点。加以修改，就会使它的作用发生改变。这次实训给了我很深的体会，什么是学以致用，就是要把你以前学到的东西用在你不会的地方。知识的运用要灵活，不是学过就是会的了，真正的掌握是能够应用于实践。同时小组合作是非常有用的，一个人的时间，精力，知识是有限的，一起讨论，一起思考，总会使问题变得明朗能够解决。