基于虚拟仪器的温室环境自动检测系统设计.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）毕业设计论文基于虚拟仪器的温室环境自动检测系统设计摘 要设施农业是现代化农业的一个重要组成部分。由于我国的温室业起步晚，发展时间短，造成我国温室技术水平比较低，现代化管理程度不高。因此，迫切需要在技术上进一步提高。 随着设施农业向着集约化、规模化方向的发展和温室管理智能化要求的提高，温室检测系统实现远程通信进而实现温室内生产与管理的一体化，是现代智能温室发展的必然趋势。本系统利用虚拟仪器技术在LabVIEW的平台上开发了一套温室环境自动检测系统。 论文主要的研究内容包括：第一，温室检测参数的选择，主要针对温室环境中影响作物生长的参数，如温度、湿度、光照强度和CO2浓度等。并选择相应的传感器作为检测系统的硬件部分，对温室内环境参数进行采集。 第二，比较了虚拟仪器相对于传统仪器的优势，将计算机技术、虚拟仪器技术有机结合，进行温室环境自动检测系统的软件设计。第三，在虚拟仪器的平台上，应用LabVIEW软件编程对数据进行采集、显示、存储与回放。关键词：温室；检测；LabVIEW；虚拟仪器 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） The Automatic Detection System Design of Greenhouse Environment based on Virtual InstrumentAbstractAgricultural facilities are important part of modern agriculture. In China, because we start to develop it lately, the level of greenhouse technology and modern management level is relatively low. It is urgent need for us to further improve the technology. Now the developing of agricultural facilities are forward to the direction of intensification and scale and the requirements of intelligent of greenhouse management is rising step by step. Greenhouse detection system achieve long-range communications. The integration of production and management in greenhouse is an inevitable developmental trend of modern intelligent greenhouse. This design uses virtual instruments on the platform of LabVIEW to develop a software of greenhouse environment automatic detection system. The main content of research includes three parts. First, it can be used to select the greenhouse environmental parameters, such as temperature, humidity, light and CO2 concentration, and select the appropriate sensors as part of the hardware detection system on the basis of the parameters. Second, it can show the advantages of virtual instruments in relation to traditional instruments. It combines computer technology with virtual instrumentation and designs the system software of greenhouse automatic detection. Third, on the platform of virtual instrument, LabVIEW software can be used to collect dates and show them on a computer. It also can store and recall dates of greenhouse environment.Key words: greenhouse environment; detect; LabVIEW; virtual instrument内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 研究背景及目的11.2 本课题任务2第二章 温室概述32.1 温室的发展及现状32.2 温室的分类5第三章 温室检测系统总体方案的确定83.1 温室环境参数的选择83.1.1 温度参数83.1.2 湿度参数93.1.3 光照参数113.1.4 二氧化碳参数123.2 温室自动检测系统的方案设计133.2.1 温室检测系统开发平台133.2.1.1虚拟仪器概念133.2.1.2虚拟仪器的组成143.2.1.3虚拟仪器与传统仪器143.2.1.4虚拟仪器的应用163.2.1.5 LabVIEW语言简介173.2.2 温室检测系统总体方案18第四章 检测系统的硬件配置194.1 传感器194.1.1 温度传感器204.1.2 湿度传感器204.1.3 照度传感器204.1.4 二氧化碳浓度传感器214.2 数据采集板224.2.1 测试与自动化资源管理器234.2.2 测试信号的连接方式244.2.3 数据采集设备的设置与测试25第五章 检测系统的软件设计285.1 前面板的设计285.2 数据采集系统295.2.1 数据采集模块简介295.2.2 数据采集程序325.3 数据记录与回放345.3.1 数据记录于回放的文件格式345.3.2数据记录与回放的基本操作375.3.2 数据记录与回放程序38第六章 总结40参考文献41附录A 温室环境自动检测系统程序43附录B 温度检测系统程序图44附录C 湿度检测系统程序图45附录D 二氧化碳浓度检测系统程序46附录E 光强检测系统程序47致谢48内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 引 言1.1 研究背景及目的温室园艺设施是指在不适宜园艺作物正常生长的季节或地区，使用人工设施（如玻璃温室、塑料大棚等）控制环境因素，使其获得最适宜的生长条件，从而延长生长季节、获得最佳产出的园艺生产方式1。近年来，我国的设施农业得到了快速的发展，降低系统的总体成本、提高系统的可靠性成为发展设施农业的关键问题。温室大棚作为新的农业生产设施，已突破了传统农作物种植受地域、自然环境、气候等诸多因素的限制，通过调控环境参数（光照强度、温度、湿度、二氧化碳浓度等），可以得到适合农作物生长的良好环境，对农业生产有重大意义。农业装备自动化是未来农业（包括农业工厂化）发展的重要途径之一。设施农业是农业现代化的一个重要标志2。设施农业就是借助现代化的设施，改善或营造农作物、水产品、禽畜等的生活环境，抵御恶劣的气候和环境条件，延长农业生产时间，从而使得农作物、水产品、禽畜等在良好的环境中能大幅度提高产量和质量。设施农业是随着农业环境工程的突破，迅速发展起来的一种集约化程度较高的农业生产体系，是现代科学技术在农业中应用的结果，是一次新的农业革命。我国大多数地区属大陆性季风气候，冬夏季常盛行相反方向的季风，使气候冬冷夏热，冬干夏雨，四季气候变化大，其自然气候条件难以满足农作物生长的环境要求；同时我国南北气候条件差异较大，北方较低的气温造成大部分时间不能进行正常农业生产，造成人力、物力的大量浪费。所以，应用现代化高科技的设施农业势在必行。建造温室的目的是模拟一个适于生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，以消除对作物生长不利的环境因素来促进作物生长，使其部分或全部克服外界气候的制约，从而缩短农作物的生长周期，提高作物的产量，获得可观的经济效益。为了使温室的温度、湿度、光照、空气成分更适合农作物的生长，我们就必须对对温室的环境进行检测，从而可以进一步实现有效的控制。在工厂化高效农业科技产业项目中，建立具有现代化水平的温室是其重要的组成部分。现代化温室设施应用先进的科学技术，采用连续生产方式和管理方式，高效、均衡的生产各种蔬菜、花卉、水果等，其关键技术是环境控制、自动化生产。环境控制工程作为农业速生、优质、高产手段，是农业现代化的重要标志，但由于温室设施内高温、高湿的不良劳动环境以及要求高效、准确的作业，单靠人来进行环境控制是无法实现的。计算机的温室环境自动控制和管理是温室设施的必然趋势。研究适合温室环境的控制方法可提高土地利用率、能源利用率，通过对环境的精确控制，可提高农产品的品质，从而可以弥补温室成本投入大的不足。1.2 本课题任务温室在结构上是一个半封闭的系统，温室内部受温室结构的制约和影响形成了不同于外界环境的所谓的“温室小气候”，主要包括室内的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等因素。温室结构的半封闭性又决定了温室与外界的物质与能量交换，又会引起温室小气候环境的变化，这种变化的在一定程度上又会影响作物的生长。因此本系统是利用虚拟仪器技术在LabVIEW的平台上设计的温室环境自动检测系统。本课题的研究内容主要包括以下几个方面： 温室中检测对象的选择，主要针对温室环境中影响作物生长的参数，如温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等。并且简要设计了各种参数的控制方案。 温室环境参数的信息采集。根据需要检测的参数选择适当的传感器采集信息。 在虚拟仪器平台上，应用LabVIEW软件编程对数据进行采集、显示、存储与回放。第二章 温室概述2.1 温室的发展及现状在20世纪30年代，我国北方地区在冬季利用不进行人工加热的“日光温室”生产蔬菜，到50年代中期，经有关专家总结，将其命名为“鞍山式日光温室”，我国的现代温室起步较晚，20世纪50年代末，在华北地区曾建造过屋脊式大型玻璃温室，到60年代初，在东北地区建成l hm2的大型玻璃温室，其骨架为钢筋混凝土结构，构件粗大笨重，遮光面大，玻璃镶嵌也不规范，基本没有配套设备，没有进行有效利用。从全国范围来看，在60年代末期我国北方大、中城市郊区才初步形成了由简易覆盖、风障、阳畦、温室等构成的一整套保护地生产体系。70年代末期塑料薄膜地面覆盖栽培技术从日本传入中国，由于这项技术既经济又简便，在广大地区推广较快。80年代中期全国塑料大棚使用面积的超过3万hm2，形成了以塑料大棚为主的与风障、地膜覆盖、阳畦、温室等相配套的保护地蔬菜生产体系。至1996年，我国的蔬菜、花卉设施栽培面积已达到66.7万hm2，人均占有设施栽培面积达到发达国家80年代的水平，大中城市基本实现了蔬菜的周年供应，蔬菜的人均占有量首次超过世界平均水平、取得了巨大的社会经济效益，其中设施栽培做出了重大贡献。为了解决普通塑料大棚在北方保温性能差的问题，国内推广了具有鲜明中国特色的日光温室技术，这项技术起点高、进度快、效益显著，能在北纬40度以上的寒冷地区，依靠简易设施，冬春寒冷季节一般不用加温也能生产出黄瓜、西红柿等果菜。我国的无土栽培起步较晚，80年代以来发展较快。1993年全国的无土栽培总面积已达到25 hm2，主要分布在京、津、沪等城市。在1999年全国温室生产面积达到30万hm2，成为世界上最大的蔬菜保护地生产区域3。我国近代温室经历了发展改良型日光温室、大型玻璃室和现代化温室三个阶段，并且各阶段温室并存，其中有一半为一面坡节能型日光温室，用于寒季蔬菜、花卉的反季节生产。现今我国温室的主要类型包括以玻璃为透明覆盖材料的玻璃温室、利用太阳能作为能源的日光温室、活动屋面温室以及塑料温室等等。自70年代末起，我国先后从日本、美国等国家引进一批现代化温室成套设备。虽然这些温室技术领先、设备先进，但在我国的使用过程中还存在较严重的问题，突出有以下几点： 投入产出率低，运行经济效益差，而且引进价格都很高，国内农业生产难以接受。 技术要求过高。要保证良好运营，要求经营者既要懂农业技术，熟悉英文，还要掌握电脑操作、机械运营和维护，这样就限制了温室的适用范围，在一定程度上也限制了温室的发展。 不适合我国的气候特征。引进温室的一些运营模式，没有与我国的实际结合起来，因此不能适应我国的气候特征。在外界气候较高时很少考虑降温问题，直接导致9、10月份温室内部过于干燥而影响农作物的生长，而当外界温度较低时，由于保温性能太差导致能源消耗过大，极大地降低了温室的运营效益。 引进温室的控制方式一般都比较简单，其实质是基于园艺专家的经验，软件实现模拟比较固定，难以进一步进行功能拓展；各个具体的环境参数控制大都采用比例控制，这一点对于温室这一类复杂对象不适合。例如就温度而言，在有些引进温室的运行当中，就由于系统具有非线性、大延时的特性，使得温度输出内容易引起超调和振荡，实际运行效果不能令人满意。所以，我国的农业工程技术人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，进行了温室中湿度、温度、光照等单项环境参数控制技术的研究。逐步推出既适合我国经济发展水平又能满足不同生态气候条件需要的温室产品。以下两种温室自动控制系统基本代表了我国在这方面的研究现状。一种是智能温室环境控制系统，它采用工业控制计算机作为温室控制系统的核心，如下图所示：图2.1 智能温室环境控制系统结构图二是华北型联栋温室的控制系统。它采用以单片机为主对温室环境进行监测与控制。这种温室控制系统数据采集方便快捷、抗干扰能力强、体积小。其自动控制系统主要功能有：第一，实时采集温室内、外温度、湿度、光照、土壤温度等环境参数值，并进行显示与存储。第二，实时控制通风降温、地中热交换储能加热及热水采暖加热等设施。第三，可以存储大量历史数据。第四，上位机有通信功能，PC机通过友好的用户界面观测与遥控温室内环境状况。2.2 温室的分类根据目前各国温室使用的现状来看,温室环境工程总体主要分为以下三类。 玻璃温室18世纪以后，随着世界玻璃工业的发展，玻璃温室首先在欧、美、日等国家大量兴起，并逐渐发展到世界各地。玻璃温室是以玻璃为透明覆盖材料的温室，透光率一般为60%-70%，在栽培设施中，玻璃温室作为使用寿命最长的一种形式，适合于多种地区和各种气候条件下使用，但由于成本较高，安装维护不方便，在我国通常只有在晚秋和冬春季节用来栽培花卉、进行蔬菜育苗或用于农业科研和观赏4。玻璃温室又分为单坡面和双坡面玻璃温室两种。 塑料温室塑料温室是近十几年出现并得到迅速发展的一种温室。相比玻璃温室，其重量轻、骨架材料用量少、结构件遮光率小、造价低、使用寿命长、环境调控能力基本可以达到玻璃温室的相同水平，所以，其用户接受能力在全世界范围内远远高出玻璃温室，几乎成了现代温室发展的主流。塑料温室是我国北方地区传统的温室，近年来发展迅速，依据是否加温分为加温温室和节能日光温室。目前，我国温室中约有50%为节能日光温室。就目前来说，塑料温室的经济效益较高，但从长远来看，塑料温室的技术潜力、产品潜力、应用范围都是有限的，远远达不到现代农业以技术替代资源的要求，只能是“工厂化农业”的初期水平。 活动屋面温室活动屋面温室是90年代中期发展起来的一种栽培设施，这种温室屋面采用高强度塑料薄膜或遮阳网，配自动控制拉幕系统，能根据室外条件的变化适时启动拉幕系统，以达到充分利用自然能源、降低成本、提高效益的目的。这种温室在气候温和的地区使用较多。活动屋面温室包括单层活动屋面遮阴栩、单层活动屋面和两者兼顾的双层活动屋面温室，设计可开启屋面主要是基于：第一，最大限度地利用自然光照。不论是玻璃温室还是塑料温室，由于受搜盖材料透光率和骨架阴影的影响，温室的透光率总不能达到95%，有的甚至还达不到50%，在清晨或多云弱光条件下，温室作物由于采光不足，严重影响到其光合产物的形成。采用活动屋面温室，可以在室外弱光条件下全部打开屋面，使温室获得与露地相同的采光。第二，最大限度地通风降温。温室是一个封闭的空间，其功能除了防风遮雨外，保温是它的主要目的。但由于温室效应的存在，在夏季乃至春秋季节，温室运行时白天室内温度往往超出作物生长需要的适宜范围，为排除室内多余的热量，传统的温室采用开窗通风、机械通风或采用降温设备，虽然这些措施在一定程度上能够缓解室内高温的压力，但一方面，上述措施都很难将室内温度降到室外温度水平，另一方面，还要花费大量的机械动力，使温室的运行费用显著提高。采用活动屋面，温室在高温季节可完全敞开屋面，使温室获得与外界相同的自然环境，从而大大节省了温室的降温费用。第三章 温室检测系统总体方案的确定在温室环境自动检测系统的研究中，主要涉及两个方面的问题：温室环境参数的选择和温室环境自动检测系统研究方案的确定，最终形成一套总体的自动检测方案。3.1 温室环境参数的选择作物的生长发育及产品器官的形成，一方面取决于作物本身的遗传特性，另一方面取决于外界环境条件5。影响作物生长发育的主要因素包括：湿度、温度、光照和空气等，所有这些因素之间是相互作用、相互联系、相互耦合的，在不同的条件下起的作用也不同，作物的生长发育是这些条件综合作用的结果。分析环境因素对生物的影响及其相互关系，对研究温室环境控制十分重要。3.1.1 温度参数温度是最重要的环境因素之一，它对作物的生长发育有重要的影响。植物的生理代谢、生长发育存在所谓生长、光合、呼吸“三基点温度”最高温度、适宜温度和最低温度。一般低于最低温度和高于最高温度，植物的生理代谢都不正常。对温带植物来讲，适宜的生长温度是2530，呼吸作用的最高温度是50，最低温度是-10，适宜温度是3646，植物进行光合作用的最高温度是3540，最低温度是05，适宜的光合作用温度是2025。在最低温度以上，植物的生长速度随温度的升高而加快，超过适宜温度后，又慢慢趋于缓慢。冬季室外温度一般很低，室内温度受其影响往往不能满足作物的温度要求，需要采暖对温度进行加温。采暖的方式主要有：热风采暖、热水采暖、蒸汽采暖、电热采暖、辐射采暖和火炉采暖等，每个方式都有优缺点。综合考虑，本系统采用热风采暖的方式，它的优点是:采用热风直接加温温室空气，预热时间短，升温快；不用配管和散热器，设备简单，成本低；热风温度一般比室温高2040，热风可通过管道均匀分配到温室各个部位，室温较均匀；使用暖风机进行加温，不用水，控制比较简单，容易操纵。夏季由于强光辐射和急剧的蒸腾作用，室内的温度一般很高，如果不对温室降温，会对作物带来很大危害。降温的控制方法主要有：开启天窗、侧窗、四周卷帘自然通风；遮阳、轴流风机强制通风；风机系统或喷淋、喷雾降温的多级降温装置。从降温效果来分析，自然通风的效果是很有限的，轴流风机强制通风也只能将温度控制在与室外温度相当的水平，而采用风机或喷淋降温等蒸发降温装置，降温效果最佳(尤其在晴天)。温度调节范围一般为1530，精度为1。温度控制系统方块图如图2.1所示：图2.1 温度控制系统方块图温度控制系统由温度传感器检测温室内温度，根据室外天气状况和室内温度，并与设定值比较，决定升、降温措施和启动控制装置。此控制系统为分程控制系统，调节器选反作用，A阀为气开阀，B阀为气闭阀，当温室内温度高于给定值时，输出为正偏差，由于调节器为反作用，所以它的输出减小，B阀是气闭阀，随着调节器输出的减小，B阀将开大，最终使得室内的温度等于给定值。如果温室内的温度过低，调节过程类似。3.1.2 湿度参数湿度也是温室环境控制中相当重要的一个指标。温室空气湿度较大，绝对湿度与相对湿度一般均大于露点。空气湿度大，会减少作物蒸腾量，作物不易缺水，有利于植物的生长发育，但空气湿度过大，则会使作物的茎叶生长过旺，造成疯长，影响作物的开花结果。此外，湿度过高还易促成病虫害的发生，并可能发生某些生理障碍。而湿度过低将使作物受到水分胁迫使生长受阻。不同作物对湿度也有不同的要求，针对所有作物的特性，控制系统应该控制相应湿度，满足作物的生长要求。湿度调节范围一般在60%RH80%RH，精度为5%。常用的湿度调节系统如下：增湿系统：蒸汽加湿、水喷雾法。去湿系统：排湿换气法，控制灌溉水量等。湿度控制系统方块图如图2.2所示：图2.2 湿度控制系统方块图 湿度控制系统由温度传感器检测温室内温度，并与设定值比较，决定启动加、除湿控制装置。因为湿度控制与温度控制具有一定的耦合性，如加热措施可能会引起湿度的下降，而增湿措施可能会引起温度的下降，因而在温室控制中要综合考虑这些耦合性，也就是当出现一个环境因子需要调控时尽量使用那些对该环境参数影响最大而对其他环境参数影响较小的控制方案，例如夏季光照较强，而湿度满足要求时候，因为遮阳网的张开对湿度的影响相对较小，故只需张开内或外遮阴幕遮阳，或者当两个环境因子同时需要调控时，尽可能地选用能同时调节这些环境参数的调控方案，例如在冬季温室环境控制中，在温度过低、湿度过大的情况下，可以采用热风机加温，一方面温度上升，另一方面湿度下降，由于冬季保温是最重要的，因而不考虑采用强制通风这类除湿手段，再如在夏季高温和湿度较低的情况下，通常启动内喷淋及其组合措施，这样既能降低温度也能提高湿度。3.1.3 光照参数几乎所有的植物都是通过太阳辐射进行光合作用的。光照对温室植物主要有两个方面的作用：一是为作物的光合作用提供能量；二是为温室的气候环境提供能量。光是光合作用的主要能源，光合产物的形成不仅与光照的强度有关，而且还与光照的时间有关。在一定的温度、二氧化碳浓度下，在一定的光照范围内，光照强度随照度的增加而增加，在一定的照度下，温室光照分布愈均匀，其阴影面积率愈小，则温室作物的光能利用率就愈高。光照作物有两个重要的坐标点光补偿点和光饱和点。光补偿点指光合作用与呼吸作用相等时的光强度，光照强度高于光补偿点时，光合作用的速度大于呼吸作用，并且在较大范围内，呈线性地随光照强度的增加而增加。光饱和点指随着光照增加，光合作用速度与光照强度的增强无关时的光强。因此，当阴天或由于季节变化造成光照不足，光强度低于光补偿点时，就要人为补光。而当光强度过高，超过光饱和点时，就要人为遮光，防止温室气温过高。常用的温室人工补光装置主要包括：白炽灯、荧光灯、高压水银灯、金属卤化物灯等。温室中常用的遮光装置是遮阴幕。光照控制系统方块图如图2.3所示：图2.3 光照强度控制系统方块图对光照的控制可以通过设定值来实现的，当光照度高于作物光饱和点时，遮阴幕自动张开，由于遮阴幕的启、闭与温度有关，当光照强度未超过光合作用的适宜值，但温度控制需要打开遮阴幕时，需要检测光照度是否高于光照下限，只有高于下限才能打开遮阴幕。若阴雨天光照度低于补光设定值时需要补光，则自动打开光源补光。3.1.4 二氧化碳参数二氧化碳是影响植物进行光合作用的重要因素，如果不足会成为影响植物生长发育的限制因素。充足的二氧化碳对温室内的作物有以下几点作用：第一，提高幼苗素质。在育苗期增施二氧化碳，能使幼苗的株高、茎粗、叶片数增加，根系生长旺盛，植株为壮苗、获得高产奠定了基础。第二，促进生长发育，显著增产。增施二氧化碳可提高光合作用，抑制呼吸作用，最终使作物的光合系统对二氧化碳和光能的利用率得以提高。第三，抑制或减轻病虫害的发生。二氧化碳控制系统方块图如图2.4所示： 图2.4 二氧化碳控制系统方块图 综上所述，温室内各环境因素之间是相互作用、相互协调的。3.2 温室自动检测系统的方案设计本系统主要是利用虚拟仪器设计温室环境自动检测系统。虚拟仪器技术是20世纪90年代计算机系统和仪器系统技术革命的产物，它在测试测量与控制领域中占有重要地位 ，并正成为当今世界流行的仪器构成方案6。3.2.1 温室检测系统开发平台3.2.1.1虚拟仪器概念伴随着微电子技术，计算机技术和网络技术的迅速发展及其在电工电子测量技术领域的应用，测量仪器不断进步，依次出现了数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器，同时也由单台仪器逐渐发展到叠加式仪器系统、虚拟仪器系统等。1986年美国国家仪器公司首先提出了虚拟仪器的概念。所谓虚拟仪器是指通过应用程序将通用计算机与功能化模块结合起来，用户可以利用计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立中英文界面的虚拟仪器软面板，完成对仪器的控制、数据分析、存储和显示，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器的价格，且用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。虚拟仪器技术利用PC机高速数据采集和处理能力，对被测对象进行数据采集、分析、存储、显示等。虚拟仪器排除了干扰信号和模拟电路引起的误差，大大提高了测试精度。虚拟仪器控制功能强，有自动调零、自动调节量程、自动转换极性和自动校准的功能。虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用计算机强大的图形环境，在计算机屏幕上建立起图形的软面板来代替常规的仪器控制面板。用户通过鼠标或键盘操作软面板来进行操作，操作方便，易于掌握 。虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理仪器、组织仪器系统，进而逐步代替仪器完成某些功能，最终达到取代传统电子仪器的目的。虚拟仪器实质上是软硬结合、虚实结合的产物，是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器的关键。3.2.1.2虚拟仪器的组成虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素。硬件的主要功能是获取真实世界中的被测信号，可分为两类：一类是满足一般科学研究与工程领域测试任务要求的虚拟仪器。最简单的是基于PC总线的插卡式仪器，也包括带GPIB接口和串行接口的仪器；另一类是用于高可靠性的关键任务，如航空、航天、国防等应用的仪器系统，由计算机统一管理、统一操作。软件的功能定义了仪器的功能。因此，虚拟仪器最重要、最核心的技术是虚拟仪器软件开发环境。作为面向仪器的软件环境应具备以下特点：一是软件环境是针对测试工程师而非专业程序员，因此，编程必须简单，易于理解和修改；二是具有强大的人机交互界面设计功能，容易实现模拟仪器面板；三是具有强大的数据分析能力和数据可视化分析能力，提供丰富的仪器总线接口硬件驱动程序。3.2.1.3虚拟仪器与传统仪器虚拟仪器与传统仪器相比，在概念和功能上有重大突破。通常，传统仪器在完成某个测试任务时，需要许多仪器，如示波器、电压表、频率分析仪、信号发生器等，对复杂的数字电路系统还需要逻辑分析仪、IC测试仪等。这么多的仪器不仅价格昂贵、体积大、占用空间，而且相互连接起来费事。而虚拟仪器将计算机资源与仪器硬件、DSP技术结合，在系统内共享硬件资源，既有普通仪器的功能，又有一般仪器所没有的特殊功能。它把由厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，用户可根据测试功能的需要，自己设计所需要的仪器系统，只要将具有一种或多种功能的通用模块相结合，并且调用不同功能的软件模块，就能组成不同的仪器功能。将传感器采集的电信号放大和整形后，经A/D变换存入内存，再由计算机软件处理，并显示输出，就可以组成虚拟示波器、虚拟计数器、频谱分析仪、虚拟多用表等。利用DSP及相应的算法，将所生成的数据送入D/A转换器，再经信号调理产生所需的信号，又可构成虚拟仪器信号发生器。当测试要求改变时，只要增加或更改仪器软硬件模块，就可以构成新的仪器，而不必重新购买整台仪器。因此，虚拟仪器充分发挥了计算机的作用，便于与计算机通信相结合来建立计算机网络，组建复杂的测试系统。虚拟仪器与传统仪器的比较如表3.1所示：表3.1 虚拟仪器与传统仪器由上表可以看出虚拟仪器相对于传统仪器的优点，在实际检测系统中虚拟仪器也表现了它具有优越性的一面。利用传统仪器的温室环境检测系统原理如下图所示： 图3.1 传统仪器检测原理图利用虚拟仪器思想建立的测试系统提高了测量精度和测量速度、减少了开关和电缆，系统易于扩充、易于修改，使得测试系统体积小、灵活方便、成本低、效率高，成为现代测试系统发展的主流。下图为利用虚拟仪器的温室环境检测系统原理图：图3.2 虚拟仪器检测原理图虚拟仪器软面板上具有与实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其它控制部件。用户通过鼠标或键盘操作软面板，检验仪器的通信和操作。在系统集成后，用户不用编写测试程序，即可进行测试、测量，实现了测试的自动化、智能化。3.2.1.4虚拟仪器的应用虚拟仪器技术的优势在于用户可自行定义仪器的功能和结构等，且构建容易，转换灵活，因此应用领域十分广阔。目前，国内外有许多部门和公司都在积极地开展这些方面的研究和应用工作。比如，国内许多大学都在尝试将虚拟仪器应用到实验教学和计算机辅助教学中，清华大学利用虚拟仪器技术构建汽车发动机检测系统，用于汽车发动机出厂前的自动检测。虚拟仪器已在超大规模集成电路测试、模拟电路/数字电路测试、现代家用电器测试以及航天、军事、生物医学、工厂测试、电工技术领域等的可移动式现场测试工作中得到应用，且应用领域还将不断拓宽。3.2.1.5 LabVIEW语言简介LabVIEW的开发环境分为三部分：前面板、框图程序和图标/连接端口。前面板就是图形化的用户界面，用于设置输入数值和观察输出量。在前面板中，输入量被称为控制，输出量被称为指示，它们通过各种图标如按钮、旋钮、开关、图表等出现在前面板上，模拟真实仪器。框图程序由节点和数据连线组成，它利用图形语言对前面板上的控制对象即输入量和输出量进行控制，节点用来实现函数和功能的调用，数据连线表示程序执行过程的数据流，它定义了程序框图内的数据流动方向。图标/连接端口用于把LabVIEW程序定义为一个子程序，从而实现模块化编程，图标是子程序在其他程序框图中被调用的节点表现形式，连接端口则表示节点数据的输入、输出口。数据分析能力和数据可视化分析能力，提供丰富的仪器总线接口硬件驱动程序。LabVIEW具有三个可移动的图形化工具模板：工具模板、控件模板和功能模板。工具模板提供了用于图形操作的各种工具，比如定位、标注、断点、连线、文字注释等；控件模板提供了前面板编辑所需的图像图标、一些特殊的图形；功能模板则提供了一些基本的数学函数和其他功能函数。这三个模板是LabVIEW编程的主要工具。LabVIEW是一种基于图形编程语言（G语言）的开发环境。它与C、Basic等传统语言有着诸多相似之处，如相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具，以及层次化、模块化的编程特点等。但二者最大区别在于：传统编程语言用文本语言编程；而LabVIEW使用图形语言，以框图的形式编写程序。NI公司的LabVIEW是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件。它增强了用户在标准的计算机上配以高效经济的硬件设备来构建仪器系统的能力。将LabVIEW与一般的数据采集以及仪器设备加以组合，就可以设计出虚拟仪器，并将其应用于许多领域。3.2.2 温室检测系统总体方案本系统主要是在虚拟仪器的平台上设计温室环境自动检测系统。其原理图如下所示：图3.3 检测系统原理图首先，传感器从温室中采集信号，然后通过NI SCC-68接线端子送到数据采集卡，数据采集卡利用LabVIEW软件编写的数据采集程序将数据送入计算机，计算机通过虚拟仪器做的界面可以对采集回来的数据进行同步显示，同时还可以对数据进行存储，以便查看历史记录。第四章 检测系统的硬件配置硬件系统是整个检测系统的物理基础，系统的硬件主要包括以下几个部分7：计算机：是整个检测系统的数据采集、数据管理、控制决策中心。信号检测部分：包括温度传感器、湿度传感器、照度传感器及二氧化碳浓度传感器，它们负责采集温室内的实时数据（包括温度、湿度、光照、二氧化碳等参数）并传送给数据采集板。数据采集板部分：包括数据采集板及其配套设施，将采集到的数据进行A/D转换，传送进入计算机，采集到的实时数据可以在计算机上进行显示。4.1 传感器传感器是一种测量装置，它能感受或响应规定的被测量，并按照一定的规律将敏感元件转换来的模拟信号转换成可用于输出，以满足信息大的转换、处理、存储、记录、显示和控制等要求。传感器的好坏直接影响采集数据的精确度，对检测系统有直接的影响。对传感器有如下要求8： 准确性。传感器的输出信号必须准确反应其输入量，即被测量变化。因此，传感器的输出与输入关系必须是严格的单值函数关系，且最好是线性关系，即只要被测量的变化对传感器有作用，非被测量则没有作用，真正做到这一点是困难的。一般要求非被测量对传感器的影响很小，可以忽略不计。 稳定性。即传感器的输入输出的单值函数是不随时间变化的，且受外界其他因素的干扰很小，工艺上还能准确地复现。 灵敏性。即要求较小的输入量便可得到较大的输出信号。由于条件有限，本设计只是在实验室内做的温室环境自动检测系统，所以没有根据实际情况选择适当的传感器，以下是传感器的仪表选型。4.1.1 温度传感器 本系统选用的是JWSL型热电阻温度传感器，其感温元件是灵敏度高、线性好的Pt100铂电阻。铂电阻具有电阻率高，在使用的温度范围内其物理及化学性质稳定等优点。主要技术指标如下：l 测量范围：-200850l 测量精度：1l 工作电压：12VDCl 输出信号范围：420mA4.1.2 湿度传感器本系统中湿度传感器选用的是JWSL型高分子湿敏电容式传感器，它具有线性好、精度高、响应时间快、使用温度范围宽、寿命长等优点。其湿敏元件为HS15型高分子感湿探头，可连续高湿使用，抗结露，常温下使用不需要温度补偿。湿度传感器的主要技术指标如下：l 测量范围：20100%RHl 测量精度：3%l 工作电压：12VDCl 输出信号范围：420mAl 工作温度：0504.1.3 照度传感器 本系统选用的是ZD型照度传感器，它采用对弱光也有较高灵敏度的硅兰光伏探测器作为传感器。具有测量范围宽、线性度好、防水性能好、使用方便、便于安装、传输距离远等优点，适用于各种场合，尤其适用于农业大棚、城市照明等场所。它采用光敏探测器，将光照强度转换为电流信号，再经运算放大器转换为标准信号输出。主要技术指标如下：l 供电电压：12VDCl 准确度：5%l 测量范围：2002000luxl 输出形式：420mAl 操作环境温度：0