基于虚拟仪器的温室温度控制系统实验设计.docx
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基于虚拟仪器的温室温度控制系统实验设计
基于虚拟仪器的温室温度控制系统实验设计
基于虚拟仪器的温室温度控制系统
目 录
一、绪 论
1.1选题的背景
1.2温室环境控制
1.3中国农业环境现状
1.4虚拟仪器（VirtualInstrumentation）概述
二、设计方案与思路
2.1执行器的选择
2.2分析控制器的选择
2.3数据采集系统的选择
2.4软件系统的选择
2.5系统框图
三、硬件设计
3.1硬件设计的基本原则
3.2传感器的选择
3.3信号调理电路
3.4电机控制电路
四、软件设计
4.1软件设计的基本原则
4.2软件功能实现
4.3程序流程图
4.4LabVIEW具体编程
4.4.1前面板设计
4.4.2程序框图（后面板）设计
4.5程序运行结果与分析
五、硬件调试与分析
5.1温室大棚实地考查
5.2第一次实验记录
5.3第二次实验记录
5.3第三次实验记录
5.4第四五六次实验记录
5.5第七次实验记录
六、结 论
七、参考文献
附录一：
硬件参数表
附录二：
基于LabVIEW的程序设计详细步骤
附录三：
组员分工
一、绪论
1.1选题的背景
随着中国国民经济的发展，人民的生活水平日益提高，冬季大棚蔬菜的市场日渐
扩大，特别是北方地区在寒冷的冬季用塑料大棚栽培蔬菜，更体现出经济价值。
仅靠
南菜北调长途运输，一是成本高，二是运到目的地，蔬菜已经不新鲜了。
因此，依靠
农业科技，大力推广温室大棚种植蔬菜能更好地满足人民生活需要.
由于中国人口众多，土地、水资源及各种能源短缺，在人民生活水平不断提高，
对农副产品的需求不断增加的今天，只靠增加耕地面积是不可能实现的，因此我们要
另辟蹊径，想办法来提高单位亩产量。
1.2温室环境控制
即根据植物生长发育的需要，自动调节温室内环境条件的总称。
现代化温室，经过传感器技术、微型计算机及单片机技术和人工智能技术，能自动调控温室的环境，其中包括温度、湿度、光照、Co2浓度、水分等，使作物在不适宜生长发育的反季节中，获得比室外生长更优的环境条件，达到早熟、优质、高产的目的。
冬季大栅蔬菜最重要的一个管理因素是温度的控制。
温度太低，会发生蔬菜冻死或者停止生长，因此要将温度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。
1.3中国农业环境现状
中国的温室农业环境调控技术主要存在的问题有:
温室农业生产高新技术集成度不够、温室农业高新技术产业化缓慢以及温室农业生产管理现代化程度不高等。
实现智能化调控目标的基础是先进测试仪器技术的应用。
中国传统的温室农业测试技术对测控对象分析精度低、成本高、操作复杂，而且对从事农业科学的人员专业性要求很强，难于实现普及。
跟踪研究国内外的测试技术发展状况发现:
虚拟仪器可缩短农业技术开发周期，降低成本，其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，虚拟仪器的可操作性直观简洁，具有与传统仪器相似的操作界面，限制性小，是当前流行的仪器测试方案，因此决定了它在农业工程领域特别是温室农业生产中具有广阔的发展前景。
1.4虚拟仪器（VirtualInstrumentation）概述
虚拟仪器是对传统仪器概念的重大突破，与传统仪器相比，它利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，使用户能够更方便地对其进行维护、扩展、升级。
美国NI（NationalInstruments）公司在80年代中期便提出虚拟仪器的概念。
到当前为止，美国的HP公司、NI公司及Racal公司等相继研制和推出了多种总线式系统的虚拟仪器。
虚拟仪器的出现加速了人们对传统仪器的改造，同时使得仪器测试系统的集成度越来越高。
虚拟仪器技术充分利用计算机将传统仪器的功能和控件面板软件化，构成充分利用计算机智能化功能的全新仪器系统。
在实际测试系统中应用虚拟仪器技术，不但能够减少系统开发时间和维护费用，而且开发出的系统还能具有更强的功能、更可靠的质量。
因此，本论文结合温室环境监测的实际需求，建立了基于labview的温度控制系统。
虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术综合集成的产物，代表了现代测试技术和仪器技术的发展方向。
所谓虚拟仪器（VirtualInstrument，简称Vl），就是用户在通用计算机平台上，根据需求来定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作计算机时，就像是在操作一台自己设计的测试仪器一样。
虚拟仪器技术使得测控领域的设计更加科学有效，随着虚拟仪器技术的发展，其对实际测试的帮助优势越来越大。
在测试系统和仪器设计中尽量用软件代替硬件，“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单，也是最本质的表述。
虚拟仪器特点能够归纳概括为以下5个方面:
①丰富和增强了传统仪器的功能;②突出“软件就是仪器”的新概念;③仪器由用户自己定义;④开放的标准;⑤便于构成复杂的测试系统，经济性好。
虚拟仪器与传统仪器的具体区别见表1.1。
二、设计方案与思路
我们的目的是设计这样一个系统，由数据采集系统、分析控制器、执行器组成，传感器将采集到的温度信息经过调理传输到分析控制器中，然后产生输出信号到执行器中。
我们实验有着其自身的特殊性质，和大量参考论文中实验环境所不同的是，本实验的性质是为了将测控系统的各个模块组合起来，起到一个将过去的知识串联起来的这样一个学习目的。
如果完全按正常论文的思路来，想要选定一个探索总结性的选题的话就太过好高骛远了，我们没有充分的时间与物质条件去搭建理想的检测控制系统。
因此我们设计时更多考虑的是在物质匮乏的条件下如何搭建一个完整的基于虚拟仪器的温度测控系统，并将实验重点放在检测上面，淡化控制执行这一块。
但同时也为以后可能的系统升级与发展留下余地。
这就是我们的实验思路，同时能够在硬件的设计方案中看见它对我们传感器的选择的影响。
2.1执行器的选择
在对于数据采集系统、分析控制器、执行器这三者进行选择和组合时，基于已经确定的实验重点。
本实验的控制执行仅仅就由风扇和贴片热电阻完成，经过控制电机的转速来控制风的大小。
2.2分析控制器的选择
因为课题是基于虚拟仪器的温度控制系统，因此我们小组将分析控制器选为PC机，这不但体现了虚拟仪器的通用性，也使得我们在研究设计过程中不必局限于实验室中。
更重要的是硬件调试结果最后需要在实验室中的PC机中完成
2.3数据采集系统的选择
数据采集系统是我们实验在简化了控制之后的最重要部分，如何精确地将温度采集送入PC中处理决定了实验的成败。
数据采集技术是计算机应用技术的重要分支。
外部对象经过接口和计算机交换信息，在现实对象中，信息变现为不同的形式并有明确的物理意义，输入到计算机内部后部变成二进制数，统称为数据。
数据经过计算机的加工处理再作用到现实对象，又变成具体的物理信号。
在本实验中，由于NI公司的仪器较贵（4000起步），因此我们只能使用学校实验室就有的DAQ采集卡——PCI6014以及调理面包板SC2075。
实验室里的PCI-6014板卡是NationalMeasurement公司生产的一款高速数据采集卡，最大采样频率可达200kS/s，有32路16位模拟输入（AI）通道（可用作16路差分输入），有2路16位模拟输出（AO）通道，有8条数字I/O线（5VTTL/CMOS）还有2路24位定时/计数器（内部时钟可达20MHz），有4组不同的模拟输入范围，可由数字触发。
由于PCI-6014是装在主机箱内，因此需使用配套的SC-2075调理板，两者经过数据线连接，SC-2075调理板自带面包板，能够在上面接调理电路，用于信号的放大、整流，便于数据采集处理。
板子上有CHO-,CHO+的差分模拟输入端，有直流电源输出端口，以及板子左偏中的一竖列接口，与PCI-6014的连接通道一一对应。
2.4软件系统的选择
虚拟仪器系统的软件由通用I/O接口软件、驱动软件、开发软件、管理软件即应用软件构成。
开发软件是编写应用软件的软件工具。
在编制虚拟仪器软件中可采用两种编程方法。
一种是采用面向对象的可视化的高级编程语言，如VC++、VB和Delphi等编写虚拟仪器的软件，这种方法实现的系统灵活性高，易于扩充和升级维护。
另一种是采用图形化编程方法，如LabVIEW，HPVEE，采用图形化编程的优势是软件开发周期短、编程较简单，特别适合工程技术人员使用。
我们采用Labview（LaboratoryVirtualInstrumentEngineering）进行编程，它具有强大的数据采集、数据处理、数据分析和仪器控制功能，是一种开放型的通用程序开发系统。
数据采集硬件部分的核心是（DataAcquisition-DAQ）卡，它和Labview有很好的接口程序，用Labview实现数据采集，就是在Labview中控制各种DAQ卡（或设备），完成特定的功能，这都离不开DAQ驱动程序的支持。
由于PCI-6014板卡支持DAQmx驱动程序，因此本设计是直接使用DAQmx-DataAcquisition开发的，在这部分中，主要是采集参数的设置，其中包括物理通道的选择，采样模式、采样率、每通道采样数、输入方式的配置，采样最大最小值的设置。
至此我们能够确定初步的设计思路：
传感器把被测量的物理量转换为电信号；SC2075信号调理电路对传感器转换后的电信号进行放大、滤波等预处理，PCI6014将采集到信号调理电路的电压信号，转换成计算机能处理的数字信号；经过数据采集卡驱动程序，将数字信号读入计算机，计算机对信号进行处理，以达到预期的目的。
2.5系统框图
控制对象（温度）
温度传感器
信号调理
SC-2075接线端子板
PCI-6014多功能数据采集卡
执行器
计算机（LabVIEW程序开发）
图1系统框图
三、硬件设计
3.1硬件设计的基本原则
（1）经济合理
系统硬件设计中，一定要注意在满足性能指标的前提下，尽可能地降低硬件价格，
以便得到高的性价比，这是硬件设计中优先考虑的一个重要因素。
（2）安全可靠
选取设备要考虑环境的温度、湿度、压力、震动、粉尘等要求，以保证在规定的工作环境下，系统性能稳定、可靠。
要有超量程和过载保护，保证输入、输出通道正常工作。
要注意对交流市电及电火花等的隔离。
要保证连接件的接触可靠。
（3）足够的抗干扰能力
有完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。
3.2传感器的选择
在经过对论文的大量阅读后，我们初步选定DS18B20和AD590中的一款传感器，并考虑了4种方案：
分布式DS18B20测温、分布式AD590测温、单点式DS18B20测温、单点式AD590测温。
实际使用中要监测温室大棚的温度，肯定是要设置多个点的温度传感器，这种情况下DS18B20比AD590更占据优势，因为它是单线就能达到信号的传输，而AD590是双线工作的，因此，在固定的接口下，DS18B20比AD590就能够提供更多的测量组数。
同时也无需AD590这般较复杂的硬件调理电路。
但我们向NI工程师咨询后得知，DS18B20由于是单线传输，就会有个输入与输出的时序性问题。
受到我们使用的数据采集卡PCI6014数字信号端口的限制，信号的传递无法在486us中完成以达到精确的时序匹配，因此必须在PCI6014和传感器间插入单片机来进行控制。
这样一来，单从我们这个简单的检测实验来说，硬件上面反而要更加复杂。
再加上多个DS18B20的程序编写，需要加上一个搜索序列号的复杂算法，程序难度远大于AD590。
考虑到以上的事实，DS18B20的多点优势和硬件优势在我们实验的特殊环境下形同虚设，再加上我们要花费的时间和精力成本，我们小组决定先采用单点输入的AD590温度传感器方案。
若成功后，则能够再继续改进，以后也能够引进DS18B20的使用
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