基于虚拟仪器的流量监测系统设计本科毕业设计(编辑修改稿)

基于虚拟仪器的流量监测系统设计本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

国防建设、科学研究对外贸易以及人民生活各个领域之中。 其中流量计 量的最广泛的应用便是在对水流量的监测。 随着科技的飞速发展，对流量监测在国民经济中的地位与作用更加的明显。 设计该 流量监测系统 的目的就是通过检测 通过流量计中的水流大小 ， 与设定水流的流量大小进行对比，起到对水流大小的实时监测。 因此，本文研究的主要 目标 如下： （ 1） 选择合适的 流量计对流量大小进行测量、采集和保存； （ 2） 选择合适的电磁阀对流量进行实时的控制； （ 3） 选择合适的单片机将功能整合，并与上位机建立关联； （ 4） 选择合适的虚拟仪器设计界面，控制系统工作。 本论文的结构安排 本篇设计论文由绪论与正文组成，绪论部分介绍论文《基于虚拟仪器的流量监测系统设计》的选题背景及现实意义。 正文分章节介绍系统设计的理论、软硬件的原理资料介绍、设计所采用的软硬件的选择、方案调试结果以及结论。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 3 页 第 2章 系统设计理论基础 虚拟仪器技术 虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用 [2]。 通过完全由用户自定义的界面，使用集成化的虚拟仪器环境与实时信号进行通信，获取并分析其中实用信息，高效、快速、直观的在虚拟界面中显示并调整。 提供各种工具以满足各种系统设计需求。 虚 拟仪器相关介绍 由国家仪器公司（ NI）在上世纪 80年代最早提出虚拟仪器（ VI）的概念。 彻底颠覆用户无法根据自身需求调整仪器，而只能由生产厂家来定义其功能的传统观念。 同时引发了传统仪器领域的大变革，使计算机和网络技术在仪器领域中的地位变得不可撼动。 计算机技术和仪器技术的结合，掀开仪器领域的新篇章“软件即仪器”。 所谓虚拟仪器，就是基于计算机或工作站、软件和 I/O 部件来构建，通过在计算机或工作站平台上，用户自行设计、定义含有虚拟可视化界面，由测试软件处理 I/O 部件（独立仪器、模块化仪器、数据采集板或传感器等）中数 据的计算机仪器系统。 至此用户便能结合自身需求通过利用虚拟仪器高度自由的组建适合自己的自动检测系统。 虚拟仪器优势 虚拟仪器与传统测试仪器系统相比，其优点显而易见： 性能高，虚拟仪器是以计算机技术为基础发展而来，完全“继承”以计算机技术为主导的最新现代技术，成功将计算机的软件与硬件资源结合，不仅提升了传统仪器在数据显示、处理、存储等方面的能力，更具备传统仪器没有的更强大更丰富的功能； 扩展、兼容性强，将部分硬件通过用计算机技术以软件的方式在计算机或工作站代替。 由于计算机技术的特点，能在不改变 I/O 部件的条件下提高系统灵活性的同时，做到最大兼容。 且新技术出现后，只需要通过更新计算机或升级硬件，便能以最少的投资和极少的软件升级即能改进整体系统。 在信息化时代高速发展的今天，能通过现有设备做到最快的改进和更新达到系统设备的再利用； 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 4 页 节约时间，在驱动与应用的两个方面，通过高效的软件构架与计算机，仪器仪表和通信设备的最新技术结合，就可以实现对测试数据进行迅速、高效、实时的采集、分析与处理。 使人机交互也因此而变得简单快捷，能轻松的配置、创建、发布、维护和修改系统设计方案； 无缝集成，该技术本质上是一个 集成的软硬件概念，因此可以支持多种的工业总线标准。 随着需要测量对象和难度的增加，仪器仪表产品在功能上不断的趋于复杂，通常需要连接和集成大量的不同设备以及耗费大量时间。 而虚拟仪器软件为所有的 I/O 设备提供了标准借口，用户利 用 VI 技术就可方便地将多测量设备集成到单个系统，使测量、控制过程实现智能化、网络化，也减少了系统设计的复杂性 [3]。 虚拟仪器技术发展现状 随着时代的发展，将生产、生活中的检测和控制朝着高度信息化发展已经是世界信息化的体现。 目前虚拟仪器技术已经普遍被应用于各个需要测量的行业，甚至自动化控制和机器控制等领域。 传统仪器在测量测试领域有着重要的作用，但存在着许多问题，例如灵活度不高、精度较低、再利用率低等。 虚拟仪器的出现解决了这些问题，在具有高度灵活性的基础上，同时让性能和精度进一步的提升。 强化了传统仪器仪表的测量，甚至解决了传统仪器无法实现的测量。 其扩展性和兼容性都是传统仪器无法做到的，也证明了虚拟仪器是未来仪器发展的主流方向。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 5 页 第 3章 系统方案设计 系统整体方案设计 在系统设计之前，需要对要解决的问题进行调查研究以及分析论证。 在此基础上，还要根据所需解决的实际问题所对应的要求，确定系统设计方案所需要完 成的任务和技术指标，确定系统的实现方案。 此外所设计的系统方案，在保证其性能指标的前提下，尽量选择性价比高的元器件以便使所设计的系统设计具有较高的实现价值。 单片机处理器的选择 该监测系统涉及数据采集、运算、保存、串口通信、总线控制、存储器扩展、显示等内容。 根据设计的主要内容，现有以下两种系统单片机的选择方案： （ 1）方案一：采用 STM32 单片机、测量仪器和虚拟仪器软件结合的方式。 （ 2）方案二：采用 51 系列单片机、测量仪器和虚拟仪器软件结合的方式。 单片微控制器简称单片机（ Microcontrollers） ，与包含中央处理器（ CUP）、随机存储器（ RAM）、只读储存器（ ROM）和输入输出设备（ I/O 设备）的计算机一样，通过采用超大规模集成电路技术将具有数据处理功能的 CPU、具有储存和读取功能的 RAM 和 ROM、具有扩展功能的多种 I/O 口和中断系统、定时 /计数器等功能集成到一块硅片上，因此单片机就是一个完善的微型计算机系统。 相对计算机，单片机具有体积小、质量轻、价格低廉等计算机不具备的特点，为学习、开发和应用提供了便利。 虽然缺少 I/O 设备，但学习是了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机的使用领域已十分广泛，通常 产品在和单片机组合后，就能起到使产品升级换代的功效。 是现代控制系统中不可缺少的核心硬件。 具有多种特点： （ 1）体积小、成本低、便于工厂化生产，具有极高的性价比； （ 2）集成度高、稳定性高、能适应恶劣极端的环境且便于更换； （ 3）低功耗、低电压、便于开发，具有极高的实用价值； （ 4）功能强大、控制简单、扩展性强。 结合所学到的有关单片机的知识和实践运用积累的经验，决定使用最为简单实用，但功能完善的 80C51单片机作为该系统设计方案的控制元件。 该系统控制处理功能并不复杂，且一般来说， 51 单片机能够完成的功能， STM32 单片都能完成，但是 STM32 较 51 系列西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 6 页 而言，价格稍高、开发周期长、制作成本高，不易快速开发。 相反， 51 系列单片机价格便宜又简单，而且对于本文设计系统 51 系列单片机功能足够且开发较为简单，完全能够满足本设计所需要的控制要求。 因此，考虑成本和开发难度的因素，本设计选取的是方案二，采用 51 系列单片机和虚拟仪器软件结合。 水流量测量方案选择 该系统设计方案中，水流流量测量是实时监测系统功能的关键。 流量计（ Flowmete）是指示被测流量和在选定的时间间隔内流体总量的仪表。 容积式流量计简称 PD 流量计，是流量仪 表中精度最高的一类。 其中霍尔式流量传感器即霍尔流量计，是一种基于位移传感的流量计，叶轮在流体推动下旋转，带动螺杆旋动，使磁系统产生上下偏移量，流速大小则与位移量成正比。 当前水流流量的测量的自动化已普遍实现、而霍尔流量计作为其中应用量最大最为广泛的流量测量传感器，也是该系统设计方案的选择。 该流量计使用简便，且具有可靠性高、准确度高、结构简单、成本低廉、功耗较小等优点。 在系统设计方案中，将霍尔流量计装在进水电磁阀的出水口，其作用为检测使用水时水管中水流通过的速度，并将采集到的信息发送到 51 单片机中，单片机通过 与预设流量大小对比，判断是否需要改变电磁阀状态，同时传送给上位机作监控记录。 上位机方案 上位机简单说明 下位机是直接控制设备并获取设备状况的计算机，一般是 PLC/单片机之类，其作用是用来监测和执行上位机发出的操作指令，下位机根据上位机命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。 并不时读取设备状态数据，转换为数字信号反馈给上位机。 依据所选用的单片机编写需要功能，通常采用汇编语言进行编写。 是系统的被控制者和被服务者。 上位机是特指可以直接发出操作命令的 计算机或工作站 ，其作用是用来集中显示数据和发出操作指令，显示 各种信号变化，一般配合下位机同时使用，其程序的编写一般用BASICH 或 C 语言等高级程序语言。 通常支持数种高级语言，是系统的控制者和提供服务者。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 7 页 虚拟仪器软件选择 同为 NI 公司研发的虚拟仪器软件 LabVIEW 和 LabWindows/CVI，是目前虚拟仪器系统选择最多，亦是功能最为广泛的虚拟仪器软件。 作为都是面向虚拟仪器技术的产品其区别如下： LabVIEW LabVIEW 是一种图形化编程语言即 G 语言，用于快速创建灵活和可升级的测量、测试和控制应用程序 [4]。 使用图形编程，能充分利用空间和色彩，能直观反映用 LabVIEW替代的传统仪器硬件，可以采集到实际信号，并能对其进行分析得出有用信息。 因此能快速便捷的开发测量程序，但高度封装，使很多底层编程无法涉及和体现。 LabWindows/CVI LabWindows/CVI 是完全标准的 C 开发环境，被广泛用于开发虚拟仪器应用程序。 不仅提供用于完成数据采集、分析和显示任务的内置式库函数，还有简单的拖放式用户界面编辑器以及自动代码生成工具。 通过利用这些功能，在将代码加入某项目之前便可以进行测试，是开发多线程应用必不可少的软件。 结合以上特点， 通过把功能强大、高效 灵活的 C 语言与用于数据采集分析和现实的测控仪器结合，为 C 语言开发提供了十分理想的环境，囊括了检测系统、自动测试系统、数据采集系统、过程监控系统等各个方面。 相对传统测控仪器不仅更加灵活，而且通过与计算机的结合使各方面功能更加丰富。 所以选择 LabWindows/CVI 作为上位机的虚拟仪器软件，其优越的数据显示、分析、存储和控制功能以及良好的界面功能，能该系统设计方案变得更好。 无线通信模块方案选择 无限通信主要包括微波通信和卫星通信。 微波是一种无线电波，其传输距离一般只有几千米，但具有宽频带的微波其特点 是有很大的通信容量。 无线通信技术从上世纪便已深入人们生活和工作的各个方面，因此远程、智能、自动化的控制不仅离不开无限通信技术，也是未来高度信息化生产所必需的。 将单片机从传感器中接收并处理好的信号传送到LabWindows/CVI 上位机系统，就需要添加一个无线模块。 通过无线通信手段，便能成功实现用 LabWindows/CVI 上位机系统对水流流量的远程监测。 西南交通大学本科毕业设计（论文）。