基于labview的液位测试处理系统设计毕业设计说明书(编辑修改稿)

基于labview的液位测试处理系统设计毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

件和通信能力的 PC 仪器或 VXI 仪器就是虚拟仪器。 虚拟仪器技术的出现，使得用户可以自己定义仪器，灵活地设计仪器系统，满足多种多样的实际需求。 随着虚拟仪器软件开发平台及硬件的发展， 基于虚拟仪器的仪器系统的开发周期更短，费用更低，测量速度、准确度及可复用性提高，且更便于相应仪器系统的维护和扩展 [3]。 基于虚拟仪器技术的数据采集系统的提出在一定程度上解决了传统数据采集所面临的问题，虚拟仪器数据采集系统成为当今数据采集系统发展的重要方向。 本文正是在虚拟仪器技术的基础上对多通道数据采集系统进行了设计，实现多路信号的采集，并对实验数据进行实时显示、记录、分析处理。 虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新趋势和新方向，并且是信息技术的重要领域扩充，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。 虚拟仪器的开发软件 虚拟仪器的开发语言 虚拟仪器系统的开发语言有：标准 C， Visual C++ ， Visual Basic 等通用程序开发语言。 但直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的。 除了通用程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，其中有影响的开发软件有： NI 公司的 Labview， LabWindows/CVI。 Labview 采用图形 化编程方案，是非常实用的开发软件。 LabWindows/CVI 是为熟悉 C 语言的开发人员准备的，是在 Windows 环境下的标准 ANSIC 开发环境。 除此以外还有 HP 公司的HPVEE ， HPTIG 开发平台，美国 Tektronix 公司的 EzTest ， TekTNS 平台软件，这些都是国际上公认的优秀的虚拟仪器开发软件平台 [11]。 图形化虚拟仪器开发平台 —— Labview Labview(Laboratory Visual Instrument Engineering)是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。 Labview 集成了与满足 GPIB、 VXI、 RS232 和 RS485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。 它还内置了便于应用 TCP/PI、 ActiveX等软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。 利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都更加形象化。 目前，在以 PC 机为基础的测试和工控软件中， Labview 的市场普及率仅次于 C++/C 语言。 Labview 具有一系列无与伦 比的优点：首先， Labview 作为图形化语言编程，采用流程图式的编程，运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似；同时， Labview 提供了丰富的 VI库和仪器面板素材库，近 600 种设备的驱动程序 (可扩充 )如 GPIB设备控制、 VXI 总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储；并且Labview 还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，调试过程中可以使用数据探针和动态执行程序来观察数据的传输过程，更加便于程序的调试。 因此， Labview 受到越 来越多工程师、科学家的普遍青睐。 利用 Labview ，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的 32 编译器。 像许多通用的软件一样， Labview 提供了 Windows、 UNIX、 Linux、 Macintosh OS等多种版本 [12]。 基于 Labview 平台的虚拟仪器程序设计 所有的 Labview 应用程序，即虚拟仪器 (VI)，它包括前面板 (Front Panel)、流程图 (Block Diagram)以及图标 /连结器 (Icon/Connector)三部分。 1）前面板：前面板是图形用户界面，也就是 VI 的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。 但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。 2）流程图：流程图提供 VI 的图形化源程序。 在流程图中对 VI 编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。 流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。 如果将 VI与传统仪器相比较，那么前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、显示屏等控件，而流程图上的连线端子相当于传统仪 器箱内的硬件电路。 这种设计思想的优点体现在两方面： ① 类似流程图的设计思想，很容易被工程人员接受和掌握，特别是那些没有很多程序设计经验的工程人员。 ② 设计的思路和运行过程清晰而且直观。 如通过使用数据探针、高亮执行调试等多种方法，程序以较慢的速度运行，使没有执行的代码显示灰色，执行后的代码会高亮显示，同时在线显示数据流线上的数据值，完全跟踪数据流的运行。 这为程序的调试和参数的设定带来诸多的方便。 3）图标 /连接设计：这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。 在设计大型自动检测系统时一步完成一个复 杂系统的设计是相当有难度的。 而在 Labview 中提供的图标 /连接工具正是为实现模块化设计而准备的。 设计者可把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。 这样设计的优点体现在如下几方面： ① 把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，程序设计思路清晰，给设计者调试程序带来了诸多的方便。 同时也对于将来系统的维护提供了便利。 ② 一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个子系统都是一个完整的功能模块，这样把测试功能细节化，便于实现软件复用，大大节省软件研发周期，提高系统设计的可靠性。 ③ 便于实现“测试集成”和虚拟仪器库的思想。 同时为实现虚拟仪器设计的灵活性提供了前提。 本设计所做的工作 本课题研究的主要内容是研制以 Lab VIEW 为主控制平台，以单片机为控制的智能实时液位检测处理系统，主要研究内容有： 第一， 单片机系统开发及智能检测仪表的研制。 （ 1） 硬件设计：液位数据的显示电路、键盘输入及接口电路设计。 （ 2） 软件开发：硬件电路的相关程序，给定实际液位高度和广电脉冲信号的算法关系等。 （ 3） 与总线系统的接口设计调试。 第二， 在 Lab VIEW 平台下编制程序，实现对液位的实时监测监控。 （ 1） 现场信息采集及控制：在 Lab VIEW 下编制串口程序，接受下位机传输给 PC 机的数据信号，实现对液位的检测控制。 （ 2） 上位机检测控制画面设计：直观形象的显示液位高度数值，使用户能够实时观测液位数据，并能够对液位数据进行存储和显示。 第二章 系统设计理论及硬件平台 数据采集理论 该部分主要包括数据采集技术概述，传感器，输入信号的分析、调理以及测量系统的选择，下面分别予以说明。 数据采集技术概论 在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。 它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。 各种类型信号采集的难易程度差别很大。 实际采集时，噪声也可能带来一些 麻烦。 数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。 假设现在对一个模拟信号 x(t)每隔△ t 时间采样一次。 时间间隔△ t被称为采样间隔或者采样周期。 它的倒数 l/△ t被称为采样频率，单位是采样数 /每秒。 t＝ 0，△ t， 2△ t， 3△ t„„等等， x(t)的数值就被称为采样值。 所有 x(0)， x(△t)， x(2△ t)都是采样值。 这样信号 x(t)可以用一组分散的采样值来表示： {x(0)， x(△ t)， x(2△ t)， x(3△ t)，„， x(k△ t)，„ } 图 显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。 采样间隔是△ t，注意，采样点在时域上是离散的。 图 2. 1 模拟信号采样图 如果对信号 x(t)采集 N 个采样点，那么 x(t)就可以用下面这个数列表示： X={x[0]， x[l]， x[2]， x[3]，„， x[N－ l]} 这个数列被称为信号 x(t)的数字化显示或者采样显示。 这个数列中仅仅用 下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率 (或△ t)的信息。 所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号x(t)的频率。 根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。 反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。 如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。 图 和图 显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。 图 2. 2 合适采样率采样波形 图 2. 3 采样率过低采样波形 采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。 这种信号畸变叫做混叠。 出现的混频偏差是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。 为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集 (A/D)之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。 理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的 2倍就够了，但实际上工程中选用 510 倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。 本章首先介绍了本控制系统中的核心器件单片机和 AD 采集芯片，然后给出了控制系统的总体设计和总体框图，最后详细地给出了各个模块的具 体硬件实现。 本章主要的设计内容是控制系统的硬件电路设计。 核心芯片的选择及简介 核心芯片的选择 本控制系统中的核心芯片包括单片机、 AD 采集芯片、振荡芯片和驱动芯片等。 在这里只以单片机和 AD 采集芯片的选择为例进行说明。 市场上的芯片种类繁多，功能特性各异，选择芯片的原则是针对自己所设计系统的功能需求对芯片的价格，封装，性能，型号等等因素做综合考虑。 单片机的选择 本设计系统对内部存储器要求不高，对中断源、 I／ O 口等各方面的要求也不高， 对其它性能也没有什么特别的要求，所以选择最普通的单片机即可。 考虑到 AT89S52 可以在线编程，且价格等各方面都满足我们的设计需求，所以单片机就选择了 Atmel公司的 AT89S52。 AD 采集芯片的选择 AD 采集芯片的选择所要考虑的因素包括：采集精度，采集通道数，是否内部带有多路开关，是否内部有基准电源，使用是否方便，数据是串行还是并行等等。 本设计系统中，需要采集的通道数不超过 8 路，精度要求不是很高，这两个条件 ADC08038 芯片完全合适，而且该芯片内部集成了多路开关，所以我们选择了 ADC08038 作为本系统的 AD 采集芯片。 实践证明，我们对以上芯片的采用完全能够达到系统设计的要求，说明选择是合理的，下面对这两个芯片做详细的说明。 AT89S52 简介 AT89S52 是一种低功耗／低电压、高性能的 8 位单片机，片内带有一个 8K字节的 Flash，它采用了 CMOST 艺和 ATIVIEL 公司的高密度非易失性存储器(NURAM) 技术，而且其输出引脚和指令系统都与 Meg 一 51 兼容。 片内的 Flash存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。 因此， AT89S52 是一种功能强，灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用于各种 控制领域。 AT89S52 具有以下主要性能： 1． 8KB 在线可编程 (ISP)Flash 存储器 (可经受 1000 次的擦写 ) 2． 与 MCS 一 51 系列兼容 3． ～ 5． 5V 工作电压范围 4．全静态时钟： 0Hz～ 33MHz 5．三级程序存储器加密 6． 2568bit 内部 RAM 7． 32 个可编程 I／ O 口线 8． 3 个 16 位定时器／计数器 9． 8 个中断源 10．全双工 uART 串行通信 11．片内时钟振荡器 12．具有看门狗定时器 图 41 AT89S52 的引脚分配图 AT89S52 的引脚情况如图 41 所示，其引脚功能描述如下： 1． Vcc：电源端。 2． GND：接地端。 3． XTALl、 XTAL2：外接晶体引脚。 4． RST：复位输入端。 当该引脚上出现两个机器周期的高电平时单片机将复位。 5． ALE：当访问外部存储器时， ALE(地址锁存允许信号 )的输出用于锁存地址的低位字节。 在对 Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲。 6． PSEN ：程序存储允许 (丽 )输出信号是外部程序存储器的读选通信号。 当AT89s52 由外部程序存储器取指令 (或常数 )时，每个机器周期 PSEN 两次有效 (即输出 2 个 脉冲 )。 7． EA／ Vpp：外部访问允许端。 当 EA 端保持高电平 (接 Vcc 端 )时， cpu 则 执行内部程序存储器中的程序。 在 Flash 存储器编程期间，该引脚也用于施加 12V 的编程允许电源 Vpp(如果选用 12V 编程 )。 8． P0 端口 (P0． O～ P0． 7)： P0 口是～个 8 位漏极开路型双向 I／ o 端口。 作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动 8 个。