基于labview数据采集系统设计毕业设计(编辑修改稿)

基于labview数据采集系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

前沿学科之一，列入为 “十五 ”期间优先资助领域。 在企事业单位中，也涌现了一批研究和从事虚拟仪器的公司和学校。 据了解国内展开虚拟仪器技术研究、教学和开发的学校有清华大学、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、重庆大学、复旦大学、上 海交通大学、国防科技大学、四川大学等数十所高校。 NI 公司也已在 20xx 年提出了 “NI 中国高校推广计划 ”，从而进一步打开中国虚拟仪器发展市场。 纵观我国虚拟仪器发展历程，我国虚拟仪器坚持走出一条自主创新的路子，具体表现为 863 项目 “虚拟仪器关键技术的研究及其产业化 ”中所研制的 “一体化虚拟仪器 ”，标志我国成为嵌入式一体化虚拟仪器研发先行者。 随着国民经济的持续快速发展，企业技术升级步伐也不断提速，先进虚拟设备需求表现尤为强劲，再加上我国个人计算机业务的快速发展，为虚拟仪器发展奠定了技术基础。 业内人士根据市场需求统 计预测，我国虚拟仪器行业的产值未来十年内将超过仪器仪表行业总产值的 50%。 伴随着虚拟技术 发展推进 ，也涌 现出一 批研究 成果，如 唐山大 学基于ComXactPCIV PYI 研制的锅炉供热自动控制系统成功地运用在唐山市热力 5 总公司项目上；清华大学基于 ComXactPCIV PYI 技术建设的实验热工水利测控平台研制成功了先进的热工测量技术和热工仿真技术成功地完成了海水淡化等重要课题研究；国防科技大学基于 NaOVIEP 的分布式 VYI 仪器教学实验系统的研制为 VYI 仪器广泛进入大学实验室创造了条件；清华大学利用虚拟仪器构建汽车 发动机检测系统用于汽车发动机出厂的自动检测等。 本文主要研究内容 本设计主要是研究基于虚拟仪器 LabVIEW 设计的数据采集系统，实现数据采集、处理、分析、显示等。 该设计中将温度作为主要采集对象，温度传感器 DS18B20 作为温度采集器件，通过下位机将采集到的数据显示出来并传送到上位机进行处理分析。 6 第 2章 系统方案设计 设计任务 课题设计任务是利用 LabVIEW 的串口通信模块，采集来自单片机获得的数据采集信号，并在 LabVIEW 上实时绘图显示，并通过设置数 据采集信号数值上下限，当采集信号高出或者低于预警线时，界面会出现相应的提示，同时能够对采集的信号进行存储，在进行历史记录调用时候可以显示出原始数据采集记录。 为了提高系统设计应用能力，在设计过程中将采集信号设置为温度。 完成一个基于 LabVIEW 与传感模块的温度检测系统，要求实现具体功能如下： （温度采集） 显示界面及与下位机的串口通信 软件上温度的实时显示 方案选择 数据采集作为系统信 号输入组成部分，从传感器和其他待测设备将物理信号自动采集为电量或者非电量信号形式，并通过一定时钟脉冲采集频率和信号载波组合送于信号处理模块分析处理。 采集信号的目的主要是测量电压、电流、温度、压力、声音等物理信息量，并将采集的信号信息传输到信号处理模块进行信号处理，信号处理结果上传至系统控制中心，控制中心根据采集信号做出相应的决策。 数据采集的本质是还原采集信号的真实值，不同类型的采集系统因采集模块不同设计，在进行数据采集时总会显示出较大差异。 其中决定信号采集差异的主要为采集频率，在一段完整连续模拟 信号中，设置不同的采集周期导致采集信号的差异显著表现出来。 根据采样定理，最低的采样频率是信号频率的两倍，如果采样频率过分低于或者高于信号频率两倍，会出现信号畸变，并定义正确显示信号而不发生畸变的最大频率为奈奎斯特频率，一般为采用频率的一半。 在工程过程中，为了准确地捕捉信号信息，会通过信号滤波器对信号进行信号滤波处理，并提高采用频率倍数，缩小采样频率周期。 在信号处理分析过程中一般设置信号采集样本为 510,采集样本信息过大会导致处理数据量大，处理速度慢影响信号处理质量。 信号采集完成需要进行信号分析处理，根据采 样信息和控制中心设置相应的信号处理算法，控制中心根据算法结果做出一定决策来实现数据信息的 7 最终目的。 一个完整的数据采集系统由传感器、信号调理设备、数据采集卡、驱动程序、应用软件和计算机等相关部分组成。 传感器和变换器组合测量被测环境的物理信号量，并将模拟物理信号量转换为电信号；信号调理设备可以对采集到的电信号进行加工，使采集到的模拟物理信号量适合数据采集卡的需求；计算机通过数据采集卡等获得测量数据，软件控制着整个测量系统，负责对采集到的原始数据处理分析，并将最后结果表示成容易理解的方式，例如图表、波形图等。 DS18B20 介绍 DS18B20 作为测试系统的数据采集传感器，采用即插即用元器件链接方式，便于数据采集，适应性强，抗干扰能力强，精度高，测温范围 55℃ ~+155℃ ，误差为 177。 ℃ ，可以多点组网、多点测温，工作电源电压为 3V~，应用于一般工业测温现场、家庭温度测量等。 DS18B20 有三个 PIN 脚，分别为 GND、 I/O、 VDD，在判别引脚时面对扁平那一面 左负右正 ,一旦接反将会烧毁元器件并且温度会一直显示85℃ ，可编程分辨率为 912 位，读出温度时读出 16 位，前五位为符号位，前五位为零时读取温度 为正号， 1 时读取温度为负号，结构如图 21所示。 图 21 DS18B20 结构图 DHT11 介绍 DHT11 数字温湿度传感器采用数字模块采集技术和温湿度传感技术，包括电阻式感湿元件和 NTC 测温元件，与高性能 8 位单片机连接。 传感器数据传输以湿度、温度数据的 40Bit 为单位一次性传给单片机，采用校验和的方式检测传输数据的准确与否。 传感器工作电压 3V~，湿度测量范围 2090%RH，温度测量范围 050℃ ，运用于暖通空调、气象站等。 DHT11 温湿度传感器有四个引脚，引脚 1 与正电源相 连接、引脚 4 接地、 DOUT 为输出引脚负责数据传输，第三引脚为空引脚，具体结构如图 DS18B20 1 2 3 8 22 所示。 图 22 DHT11 结构图 XPT2046 介绍 XPT2046 作为 AD、 DA 转换芯片，采用逐步逼近型 A/D 转换器，内置温度检测电路、参考电压源，外置外部时钟，分为单端模式、差分模式。 具有采样 /保持、模数转换、串口数据输出功能，接口电压标准为，工作温度范围 40℃ ～ +85℃ ，功耗小于。 A/D 转换通过采样保持、量化和编码实现对输入模拟电压信号采用保持，在保持时间内实现电压量到数字 量的转化，并将转化结果用编码形式输出。 具体如图23 所示。 图 23 XPT2046 模拟输入特性 9 方案确定 综合两种传感器器件，在采集温度功能上，两个传感器均可以实现，在实验初期采用 DS18B20 进行数据采集，简单方便、测量准确性高，测试原理雷同采用 A/D、 D/A 转换模块实现数据采集，权衡比较最终选择了DS18B20 作为系统数据采集传感器。 DS18B20 测温原理 DS18B20 温度传感器主要有 64 位 ROM、高速缓冲存储器、 CRC 生成器、温度敏感器件、高低温触发器及配置寄存器等部件组成，内部 结构图如图 24 所示。 图 24 DS18B20 内部结构图 DS18B20 内部计数器 1 是一个对温度影响小的低温度系数产生固定频率的脉冲信号振荡器，低温时振荡器的脉冲可以通过门电路，而当到达某一设置高温时振荡器的脉冲无法通过门电路。 内部计数器 2 是一个对温度影响大的高温度系数产生固定频率的脉冲信号振荡器。 计数器 1 和温度寄存器预置为 55℃ 时对应相应基数值，计数器 1 对低温度系数晶振发出的固定频率脉冲信号进行减法计数处理，计数器 1 预设值减至 0 时且门电路未关闭，则温度寄存器 的值将 +1（温度高于 55℃ ），同时计数器 1 的预设值将被重新装入开始新一轮采集低温度系数晶振发出的固定频率脉冲信号，循环至计数器 2 计数到 0 时，停止温度寄存器值累加，温度寄存器值为所测温度，电路对振荡器的温度系数进行补偿，斜率累加器补偿和修正测温过程中的非线性信号量，其输出用于修正计数器 1 的预设值，测温内部结构图如图 25 所示。 64 位ROM 及 一线总线接口 存储器和控制器 高速缓冲 存储器 8 位 CRC 生成器 温度敏感元件 低温触发器 TL 高温触发器 TH 配置寄存器 电源检测 10 DS18B20 拥有 64 位 ROM，低 8 位表示产品类型标识，高 8 位表示低56 位循环冗余校验码，中间 48 位表示序列号，可以实现一根总线挂多个DS18B20。 高速缓冲存储器内部有 9 个字节，第 2 字节存放转换完成的温度值，第 4 字节存放上、下限报警值 TH 和 TL，第 5 字节为配置寄存器，第 8 字节为保留字节， 9 字节是 CRC 校验码，提高串行传输的可靠性。 配置寄存器内部 8 位， D D6 位设置 DS18B20 转换分辨率。 图 25 DS18B20 测温内部结构图 测试参数分析 DS18B20 检测完温度后，温度值通过符号扩展的二进制补码（ 16位）形式寄存于高速存储器 MSB 和 LSB 对应字节中，读取出的二进制必须先转换成十进制值，才能用于字符的显示， DS18B20 的转换精度通过设置配置寄存器 D6D5 位获得，为了提高精度设置为 7FH,对应分辨率 12位，对应转换时间 750ms。 温度值以 ℃ /LSB 形式表现出来，即温度值为温度寄存器里的二进制乘以 ，就是实际的十进制温度值，DS18B20 采样值与温度关系如表 21 所示。 通过观察表 22 DS18B20 采样值与温度关系可以发现一个十进制和二进制之间有很明显的关系，就是把二进制的高字节的低半字节和低字节的高半字节组成一个字节，这个字节的二进制化为十进制后，就是温度值的百、十、个位值，而剩下的低字节的低半字 节化成十进制后，就是温度值的小数部分。 小数部分因为是半个字节，所以二进制值范围是 0 至 F，转换成十进制小数值就是 的倍=0 =0 计 数 器 2 温度寄存器 预置 比 较 低温度系数晶振 高温度系数晶振 计 数 器 1 斜率累加器 预置 11 数（ 0 至 15），最高位是符号位， 1 表示温度为负（用补码表示），将读出采样值取补再转换为十进制表示温度， 0 表示温度为正。 表 21 DS18B20 采样值与温度关系 二进制 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 十进制 0 0 1 1 2 3 3 4 5 5 6 6 7 8 8 9 表 22 DS18B20 采样值与温度关系 二进制采样值 十六进制表示 十进制温度 / ℃ 0000 0111 1101 0000 07D0H +125 0000 0001 1001 0001 0191H + 0000 0000 0000 0000 0000H 0 1111 1110 0110 1111 FE6FH 1111 1100 1001 0000 FC90H 55 例如： 07D0H 7DH=125 温度值 125℃ ； 0191H 19H=25 1*= 温度值 ℃ ； 0000H 温度值为 0； FE6FH 1110 0110 1111 取补为 0001 1001 0001 (91H） 温度值为 ℃ ； FC90H 1100 1001 0000 取补为 0011 0111 0000（ 370H） 37H=55 温度值为 55℃。 本章小结 本章论述了系统设计方案确定过程，从系统设计任务出发，将数据采集系统具体设定为温度采集，在系统信号采集模块选择上由传统 A/D 和D/A 信号采集转换为芯片内部集成 A/D 模块的传感器，直接将采集到的温度模拟信号量 转换数字信号量传输给单片机处理。 12 第 3章 数据采集系统硬件设计 数据采集系统设计任务负责采集测试环境的温度参数，采集的温度参数通过 串口通讯传输到上位机 PC 端，上位机借用 LBVIEW 软件构建数据采集系统， LabVIEW 前面板将 PC 端接受到的温度参数显示出来。 温度采集系统硬件机构主要有 DS18B20 温度采集模块，单片机（ STC89C52）通过温度采集器件采集被测环境温度，模块将模拟量温度转换为数字量送给模块控制中心处理，然后将测量结果送给数码管或者。