环境状态监控系统设计毕业设计.docx

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环境状态监控系统设计毕业设计

毕业设计

题目：

环境状态监控系统设计

院系：

电气信息学院

专业：

班级：

学号：

学生姓名：

XX

导师姓名：

XXXX

完成日期：

20XX年X月

诚信声明

本人声明：

1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；

2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；

3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。

作者签名：

日期：

年月日

毕业设计（论文）任务书

设计（论文）题目：

姓名XX院系电气信息学院专业班级学号

指导老师职称教授教研室主任XXX

一、基本任务及要求：

本课题要求设计一个基于LabVIEW的环境状态监控系统，要求除了实现显示实时温度，湿度的测量与控制，能够方便的实现报警、显示环境状态变化趋势、对所测数据进行一定的统计分析等管理功能，并自动对温度，湿度进行调节。

实现数据的二次开发，包括数字滤波、非线性补偿、实时温度显示等测量功能以及生成各参数趋势曲线、分布直方图、历史数据查询、超限报警等信息管理功能。

二、进度安排及完成时间：

①2月23日～4月20日：

外出完成毕业实习，并且查阅相关资料，搜集课题所需资料，了解课题现状、课题研究的目的和意义，学习LabVIEW软件，完成开题报告和文献综述

②4月21日～5月1日：

系统总体方案和硬件电路设计

③5月2日～5月20日：

完成各软件模块的编写及调试

④5月21日～6月1日：

整理资料，撰写毕业设计论文

⑤6月1日～6月5日：

毕业论文审定、修改及打印，答辩准备

⑥6月6日～6月8日：

答辩

环境状态监控系统的设计

摘要：

随着科技的不断发展，测控技术愈加的自动化，智能化，数字化和网络化。

计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向，美国NI公司研制开发的labview虚拟仪器具有强大的数据处理能力，拥有良好的人机设计界面，能够充分发挥计算机的功能，可以创造出功能强大的仪器，实现普通仪器所不能实现的功能。

随着气象事业的逐步发展，气象要素的数据测量也步入自动化。

温度和湿度是两个重要环境参数，直接影响到粮食的储存，因此有必要对其进行时时的检测，本设计借助虚拟仪器技术的易开发、灵活性强和使用方便等优点，将其和传统测量系统结合起来，基于labview软件设计出可以采集多路温度和多路湿度信号的温湿度检测系统，具有温湿度数据显示、波形显示、温湿度超限报警等功能，并且操作简单。

本系统采用温湿度传感器，将所采集到的温度和湿度，经过变换，转换成电压信号送入数据采集卡中，在计算机软件的支持下，完成自动采集自动处理等功能。

关键字：

虚拟仪器；数据采集；温湿度；传感器；LabVIEW。

Designofenvironmentconditionmonitoringsystem

Abstract：

Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,measurementandcontroltechnologyincreasinglyautomation,intelligent,digitalandnetwork.Thecloselycombiningofinstrumentandcomputeriscurrentlyanimportantdirection，ThelabviewwhichUnitedStatesNIcompanyresearchanddevelophasthepowerfuldataprocessingability,haveagoodman-machineinterfacedesign,cangivefullplaytothefunctionofthecomputer,cancreateapowerfulinstrument,realizefunctionsthatcommoninstrumentcan’t.

Withthegradualdevelopmentofthemeteorologicalservice,meteorologicaldatameasurementalsointoautomation.Temperatureandhumidityaretwoimportantenvironmentalparameter,directlyaffectthefoodstore,Thereforeitisnecessarytocarryouttheireverytest,Thisdesignbymeansofthevirtualinstrumenttechnologyiseasydevelopment,flexibilityandeasytouse,andwecombineitandthetraditionalmeasurement.BasedonlabviewsoftwaredesignedtemperatureandhumiditydetectionsystemWithtemperatureandhumiditydatadisplay,waveformdisplay,temperatureandhumiditytransfinitealarm,andotherfunctions,whichcanacquisitemultichanneltemperaturesignalandmultiplehumiditysignalandiseasytooperate.

Thesystemusestemperatureandhumiditysensors,thecollectedtemperatureandhumidity,afterconversion,convertedintovoltagesignals,intothedataacquisitioncard,withthesupportofcomputersoftware,completeautomaticacquisition,automaticprocessingandotherfunctions

KeyWords:

Virtualinstrument;dataacquisition;temperatureandhumidity;sensor;LabVIEW.

第1章绪论

1.1课题分析

1.1.1课题概述

随着社会的不断进步、科技的不断发展，我们对以前的某些设想不再仅是一些美好的愿望与假想。

也许人们很早就曾想象过用什么方法来监测控制与自己生活息息相关的温湿度，好让自己生活的更舒适。

本课题就是基于LabVIEW的远程温湿度监测与控制系统研究。

本课题将设计一个基于LabVIEW的温湿度监测系统，采用适当的温湿度传感器采集到温湿度信号后由NIM系列数据采集卡6281将数据传至主机。

通过LabVIEW可视化编程对采集到的信号进行相应处理及波形显示，实现超温超湿报警功能。

并通过LabVIEW和网络技术相结合来实现远程温湿度监控系统。

比较虚拟仪器相对于传统仪器的优势，将传感器技术、计算机技术、虚拟仪器技术和数据库技术有机结合，进行温室测控系统的管理软件设计。

给出虚拟远程监控系统的设计思想和实现过程，并通过虚拟仪器开发软件LabVIEW和网络技术来实现远程温湿度的监测和控制系统的核心内容。

远程系统采用反馈控制系统完成对温湿度的控制，

根据课题的具体设计内容及相关要求，本课题的设计完成主要分为三大部分：

温湿度采集部分、LabVIEW数据处理部分（包括数据接收、数据显示、数据存储及远程数据控制判定与发布相关改变指令）、相应温湿度控制实现部分。

其中当温湿度采集部分应用温湿度传感器来完成对所需数据的初步采集后，再利用适当辅助步骤与NIM系列数据采集卡6281相连接，然后运用LabVIEWDAQ进行编程对所接收到的相关数据进行相应的处理，当温湿度不在预设范围时，也可通过LabVIEW编程发布相关改变指令通过6281传输到对应执行机构，实现温湿度的改变。

至于对温湿度的远程监测与控制也是可以通过虚拟仪器（LabVIEW）的网络通信技术来实现的。

本系统可以进行连续的数据远程采集和存储，操作界面友好，实时显示波形和相应的处理结果，并完成远程控制，使得远程客户端可以通过浏览器实现对现场温室的监测和控制。

1.1.2课题背景

相信大家对温湿度并不陌生，但对其准确的定义却也大多模糊其词。

所谓温度就是度量物体冷热的物理量，是国际单位制中7个基本物理量之一。

在生产和科学研究中，许多物理现象和化学过程都是在一定的温度下进行的人们的生活也和他密切相关。

湿度也许在现实生活中的直接感触没有温度明显，但湿度很久以前就与生活存在着密切的关系,但用数量来进行表示较为困难。

对湿度的表示方法有绝对湿度、相对湿度、露点、湿气与干气的比值（重量或体积）等等。

日常生活中最常用的表示湿度的物理量使空气的相对湿度。

用%RH表示。

在物理量的导出上相对湿度与温度有着密切的关系。

一定体积的密闭气体，其温度越高相对湿度越低，温度越低，其相对湿度越高。

其中涉及到复杂的热力工程学知识。

在过去人们可能也有相关的切身感受，可能也想象通过某些方法来监测控制温湿度，让自己的生活更舒适，让自己的农作物不受坏境的限制而能够结出丰硕果实，让自己的工艺产品或珍贵收藏文物在特定的温湿度坏境下得以长存，好让更多的后代传承下去这些智慧与汗水的结晶。

显然温度与湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系。

经过科学研究证明冬天温度为18至25℃，湿度为30%至80%；夏天温度为23至28℃，湿度为30%至60%。

在此范围内感到舒适的人占95%以上。

在装有空调的室内，室温为19至24℃，湿度为40%至50%时，人会感到最舒适。

如果考虑到温、湿度对人思维活动的影响，最适宜的室温度应是工作效率高。

18℃，湿度应是40%至60%，此时，人的精神状态好，思维最敏捷。

当然在很多的场合中都需要严格监测控制温湿度，否则造成的严重后果将会很难弥补。

例如随着越来越来多的珍贵文物出土，他们的完好保存就是个重大问题，要想让他们原样完好的长久保存下去，严格控制好温湿度是个前提条件，只有在特定的坏境下他们的损坏才会保持最低。

当然与大众十分相近的场合也是数不胜数，例如现在十分普遍的温室大棚，好让人们不受季节的影响一年四季都能吃到各种蔬菜，营养得以全面配理，身体更加健康；还有很多的图书馆也必须严格控制好温湿度，才会使书本的损耗降到最低；很多的仓库更是需要有完善的温湿度监测与控制系统，否则将会造成难以估算的损失。

虽然社会不断地发展，科技不断地创新进步，但人们的对生活舒适度的要求也不断地提高，所以相信跟我们息息相关的温湿度坏境也将一直伴我们前行，对其的监测与控制也将不会停止。

1.1.3课题实现方法及各特点

就目前来说，许多课题都有很多种方法去完成实现，但其中总有一个从总体情况考虑会优越于其他。

当然，本课题也不例外。

据我所知，现今完成实现温湿度监测控制系统的方法主要有以下几种：

一、基于LabVIEW的温湿度监测与控制系统

LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。

与其他基于文本的程序设计语言相比，LabVIEW具有如下特点。

1.直观、易学易用。

与VisualC＋＋、VisualBasic等计算机编程语言相比，图形化编程工具LabVIEW有一个重要的不同点：

不采用基于文本的语言产生代码行，而使用图形化编程语言G编写程序；产生的程序是框图的形式，用框图代替了传统的程序代码。

因而可在很短的时间内被掌握并应用到实践中去，特别适合硬件工程师、实验室扶术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用。

2.通用编程系统。

LabVIEW的功能并没有因图形化编程而受到限制，依然具有通用编程系统的特点。

LabVIEW有一个可完成任何编程任务的庞大的函数库。

该函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。

LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其通过程序的结果、单步执行等，便于程序的调试。

LabVIEW的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其他语言的开发环境更方便、更有效。

3.模块化。

LabVIEW还有一个特点是模块化，体现在两个方面。

首先，LabVIEW中使用的基本节点和函数等就是一个个小的模块，可以直接使用；另外，由LabVIEW编写的程序——即虚拟仪器模块（VirtrualINSTRUMENT，VI），除了作为独立程序运行外，还可作为另一个虚拟仪器模块的子模块（即子VI）供其他模块程序使用。

综上所述，其实不难看出，无论是从课题开发完成实现周期，还是从实现使用方便，基于LabVIEW的远程温湿度监控系统都拥有一定的优势，特别是在远程监控中明显优越于其他方法，而且在对数据的处理上更是人性方便于其他很多，通过自身的软件可以编制出实用美观的人机界面。

1.2总体方案设计

本课题的设计完成主要分为三大部分：

温湿度采集部分、LabVIEW数据处理部分（包括数据接收、数据显示、数据存储及数据控制判定与发布相关改变指令）、相应温湿度控制实现部分。

其中当温湿度采集部分应用温湿度传感器来完成对所需数据的初步采集后，再利用适当辅助步骤与NIM系列数据采集卡6281相连接，然后运用LabVIEWDAQ进行编程对所接收到的相关数据进行相应的处理，当温湿度不在预设范围时，也可通过LabVIEW编程发布相关改变指令通过6281传输到对应执行机构，实现温湿度的改变。

温度：

度量物体冷热的物理量，是国际单位制中7个基本物理量之一。

在生产和科学研究中，许多物理现象和化学过程都是在一定的温度下进行的人们的生活也和他密切相关。

总体方案图如图1.1所示：

图1.1总体方案

本系统的设计实现主要由温度、湿度采集模块（温湿度传感器）、NIM系列高速采集卡6281的开发应用、LabVIEW编程实现三大模块组成。

第2章虚拟仪器与传感器

2.1LabVIEW概述

本次课题是基于LabVIEW的远程温湿度监测与控制系统研究，其中LabVIEW是整个系统的核心，只有把LabVIEW这个模块运用得当，才可能使系统完整，才可能使本次课题得以成功实现。

LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：

其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。

与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。

LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。

LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。

美国国家仪器公司NI（National　Instruments）提出的虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。

“软件即是仪器”这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。

从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和I／O部件来构建虚拟仪器。

I／O部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。

NI所拥有的虚拟仪器产品包括软件产品（如LabVIEW）、GPIB产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、DSP产品和VXI控制产品等。

虚拟仪器（virtualinstrumention）是基于计算机的仪器。

计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。

粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。

随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。

另一种方式是将仪器装入计算机。

以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。

虚拟仪器主要是指这种方式。

虚拟仪器技术就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。

自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NILabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。

使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。

虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。

虚拟仪器（VirtualInstruments，VI）可充分利用现有的计算机资源，配以独特设计的软、硬件，实现普通仪器的全部功能，以及一些在普通仪器上无法实现的功能。

其“软件即仪器”的概念实现了对传统仪器概念的重大突破，在测试、测量和自动化等领域得到了广泛应用。

虚拟仪器技术在国外发展很快，从20世纪70年代开始的GPIB，到80年代出现VXI，90年代出现的PCI总线成为主流产品，以及1997年NI推出的PXI量测平台，形成了目前多种平台共存的状态。

以NI公司为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。

在美国，虚拟仪器系统及图形编程语言已成为理工科学生的一门必修课程。

斯坦福大学等许多工科类大学的机械工程系及子类专业都要求三、四年级的学生在实验时，应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。

国内很多大专院校和研究机构的实验室也引入了虚拟仪器系统，如清华大学、上海交通大学、华中科技大学、四川大学等。

其中，清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，可用于汽车发动机的出厂检验；上海交通大学电气系制作了基于虚拟仪器的变频器测试系统；四川大学的研究人员应用基于虚拟仪器的设计思想，研制了“航空电台二线综合测试仪”，将8台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。

有专家预测，未来的几年内我国将有超过50%的仪器为虚拟仪器，国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测和监控。

虚拟仪器技术发展迅猛，是新世纪自动测试、测控与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。

随着微型计算机的发展，虚拟仪器系统将逐步取代传统的测试、测控仪器系统而成为测试、测控仪器系统的主流。

20年来，无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员，虚拟仪器在各种不同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广受欢迎，这都归功于其直观化的图形编程语言。

虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数据，使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入。

2.2仪器的发展

2.2.1传统硬件仪器　　

20世纪30年代初，HP公司创始人、斯坦福大学的Hewlett和Packard在现今的硅谷研制出了第一台信号产生器。

传统硬件仪器经历了大半个世纪的发展，经历了从模拟式到数字式，到现今智能化仪器的发展历程。

传统硬件仪器由决定仪器功能、性能和技术指标的电子板卡、带有插槽的底盘、装有各类控件的面板、显示器和机箱等五部分构成。

传统硬件仪器是硬件或以硬件为主的仪器，即使是智能仪器，其中固化的软件也只是辅助性的。

传统硬件仪器是一个封闭系统，一经厂家制造完毕，不能随意改动，灵活性较低。

无论是对技术的进步还是对市场的需求，其响应速度都比较慢，这在很大程度上阻碍了仪器科学和仪器行业的快速发展。

2.2.2虚拟仪器　　

虚拟仪器技术是随着现代计算机技术、信息技术、现代测量技术的发展而出现的新技术。

虚拟仪器是通过应用程序将计算机资源（微处理器、存储器、显示器）和仪器硬件（A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理器）的测量功能结合起来，形成的测量装置或测试系统。

用户通过友好的图形界面（称为虚拟面板）操作计算机，就像操作传统仪器一样，通过库函数实现仪器模块间的通信、定时、触发，以及数据分析、数据表达，并形成图形化接口。

虚拟仪器由计算机、仪器软件和仪器硬件组成。

虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素。

其中，硬件的功能是获取被测试的物理信号，提供信号传输的通道。

虚拟仪器的硬件技术以GPIB、PXI等先进的计算机接口总线的发展为发展标志。

GPIB、PXI接口是早期比较流行的接口，随着虚拟仪器技术的发展，现在使用比较广泛的接口是DAQ、PXI和LXI。

DAQ（DataAcquisition）仪器，即数据采集仪器是一种典型的虚拟仪器，以微型计算机为平台，将计算机硬件（如某类总线）和计算机软件（虚拟仪器应用软件）结合起来，实现特定仪器测量和分析的功能。

由仪器卡组成DAQ仪器的方式主要有三种：

内插式，即将仪器卡插入微机内部总线上来构成DAQ仪器；外挂式，即将微机总线引到扩展箱中，在扩展箱里插入仪器卡来构成DAQ仪器；直接外挂式，即在并行口、USB口等微机外总线接口上接入仪器卡来构成DAQ仪器。

GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）总线技术，即IEEE488总线，是一种数字式并行总线，它将可编程仪器和计算机紧密结合起来。

典型的GPIB仪器系统由一台PC、一块GPIB接口板卡和若干台GPIB仪器通过GPIB标准总线连接而成。

目前，这种应用已经较少。

VXI（VMEbusExtensionsForInstrumentation，意为“VMEbus在仪器领域内的扩展”）是继GPIB第二代自动测试系统之后，为适应测试系统从分离台式结构向高密度、高效率、多功能、高性能的模块结构发展的需要，吸收智能仪器和PC仪器之设计思想，集GPIB系统和高级微机内总线VMEbus之精华设计而成的仪器。

它克服了GPIB仪器的数据传输率和资源利用率低的缺点。

　PXI（PCIExtensionsForInstrumentation）总线仪器是PCI在仪器领域的扩展，主要特点是模块化。

PXI总线仪器以CompactPCI为基础，改进了PCI总线技术，增加了PCI插槽，使之适合试验、测量与数据采集场合应用，是一种有别于GPIB等总线结构的新型虚拟仪器体系结构。

GPIB→VXI→PXI总线方式（适合大型高精度集成系统）GPIB于1978年问世，VXI于1987年问世，PXI于1997年问世。

PC插卡→并口式→串口USB方式（适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景）PC插卡式于80年代初问世，并行口方式于1995年问世，串口USB方式于1999年问世。

综上所述，虚拟仪器的发展取决于三个重要因素。

①计算机是载体,②软件是核心，③高质量的A/D采集卡及调理放大器是关键。

相信随着科技的不断创新发展，随着人们对其更需人性化的需求，虚拟仪器的发展也将会不断地更上一个台阶，让其发挥出应有而更广泛的的功效，让人们的生活更加美好。

2.3虚拟仪器主要特点及优势

2.3.1虚拟仪器的主要