探討虛擬儀器的溫濕度測控系統設計

江泓昱 南京理工大學紫金學院

溫濕度測控系統是實驗室所必須配備的較為特殊的測量儀器，最初測試儀器的核心是單片機，濕度值是通過數碼管呈現出來的，按照濕度的不同要求，根據硬件對調節終態進行設定，這樣就能夠把實驗室濕度調至設定范圍內。在測量技術和傳感技術的不斷發展下，實驗室為了更好的適應濕度變化，就需要改變已無法滿足實驗室需要的傳統測試裝置，轉而創新測量裝置。隨著科學技術的飛速發展，圍繞著計算機研發出了虛擬儀器這一最為先進的儀器。虛擬儀器通過對計算機等硬件平臺的利用，并將調理電路、傳感器等硬件結合起來，由此進行數據采集，然后在利用功能軟件處理數據，進而發揮出傳統儀器功能，另外，只要對專用硬件和軟件進行改變，也能突顯出不同儀器功能。

1 溫室度測控系統概述

1.1 系統功能劃分

本系統將相應硬件與LabVIEW結合起來，就能控制、顯示和測量溫濕度。對系統功能進行劃分，主要分成以下幾個方面：

1.1.1 溫度測顯

通過對傳感器的利用，使環境溫度向電壓信號轉化，且電壓信號是連續的，經過調理后，再通過數據的采集卡實現對A/D的轉換，然后把數據上傳至計算機，相關功能軟件會對數據進行處理，最后呈現出來。

1.1.2 濕度測顯

溫度測顯與系統實現有較大相似性，但調理電路的過程中，需要通過溫度信號做出相應的補償。

1.1.3 數據測顯

溫濕度信息數據在經過功能軟件對其的處理后，會特指一個電子表格，把數據儲存進去。

1.1.4 溫濕度控制

在溫濕度被用戶輸入設定值后，利用儀器的功能軟件將當前量與其做比較，然后控制量會得到相應的輸出。

2 溫濕度測控系統結構

系統主要由兩部分構成，分別是硬件和軟件。首先是硬件部分，使溫濕度的信號向電信號轉變，并實現A/D轉換和調理，把數據上傳至計算機，同時根據功能軟件的相關指令，加以控制溫濕度，它的組成包括了DAQ卡、加濕器、電吹風、風扇、控制電路、調理電路和傳感器。風扇的功能是排氣，由此使實驗空間溫濕度降低，而加濕器則是為了實現空間濕度的上升，電吹風就被用來增加實驗空間溫度。

而軟件部分就負責對輸入到DAQ卡中的數據做相應的處理，使其想溫濕度值轉換，然后通過顯示器將相應圖線呈現出來，最后存入硬盤，另外還需要對用戶所輸的設定溫濕度值進行接收，控制信號也由此生成。

3 硬件模塊設計

3.1 溫濕度信號的捕獲

捕獲溫度信號還是需要用到相應電路和硅單晶材質的傳感器，使溫度向電壓信號轉換。另外，捕獲濕度信號，則需要用到相應電路和UD-08型號的傳感器，以實現濕度向電壓信號的轉換。

3.2 控制電路設計

12VDC利用最為常見的繼電器實施對風扇工作電壓的控制；加濕器和電吹風都在220VAC電壓下運行，分別利用兩個固態的繼電器對加濕器和電吹風實施控制。

系統所采用的DAQ卡是由美國NI公司自主研發的PCI-6251，這一款DAQ卡是通用的，可以將其直接插入到微型計算機PCI總線的接口。

為了提高數字IO通道和DAQ卡的安全性，可以利用三級管實施對繼電器的驅動。Port端口接DAQ采集卡數字IO通道中的輸出端，R2和R0對Port中流過的電流進行控制，最好不超過3mA，R1電阻為200Ω，這樣常見的繼電器電壓會受到限制，最多不超過5v。

4 軟件設計

4.1 軟件工作原理描述

系統核心就在于對軟件模塊的設計，軟件也就是儀器虛擬技術。儀器的功能軟件創建是通過LabVIEW編程軟件實現的。

設計系統軟件的核心思想是：通過DAQ采集卡所特指的通道，系統對相關數據進行讀取，在完成相應的數據處理后，再將數據儲存，并利用前面板呈現出來，控制信號也由此生成，并傳送至輸出通道。這個過程中各個節點的驅動執行是由數據流實現的，由此可知，只有前面的節點成功傳輸相應數據后，之后的節點才可以開始執行。

所以，可以按照功能的實現，將系統劃分成若干模塊，然后分別對虛儀器進行創建，再把這些模塊當作子VI，從最新建立的VI中把它們調用出來，由此組成整個系統。

4.2 濾波設計

在采集溫濕度信號的過程中，由于脈沖會對其有所干擾，因此程序中需要判斷溫濕度原始信號的輸入，一旦發現干擾過甚，就必須按照一定的算法對脈沖做相應的處理，不然輸入信息就會被直接輸入進去。

放電、爆炸是造成脈沖干擾的主要原因。而脈沖干擾產生在本系統中也是電路短路，或者不完善的A/D轉換硬件和軟件帶來的壞值采樣造成的。由時域波形帶來的窄脈沖就是其的主要表現。

在對脈沖干擾進行判斷時，本系統可以采取以下方法：先通過實驗對一閾值M進行確定，然后將當下信號輸入值X與前面一個值Y（采樣點）相減，取二者差的絕對值，如果發現絕對值比M值小，就需要直接輸出X，不然便將S定作脈沖干擾。

脈沖干擾的處理方式有很多種，由于本系統中存在著連續變化的溫濕度，但變化力度偏小，因此也就可以用前面的采樣值來替代干擾值X，通過這種方法能夠降低脈沖的干擾，但實際操作中仍然存在一些問題。

4.3 控制設計

子VI控制字是當下設定值與溫濕度值相互比較后所生成的，再利用程序開發軟件LabVIEW中帶有的子儀器推動控制字在數字I/O通道的輔助下輸出。

溫度的算法思想主要是：如果設定溫度比當下溫度小（大），在I/O通道的特定位置寫上“1”，在接通了繼電器后，風扇開始啟動，溫度逐漸降低（上升），為了防止繼電器出現反復動作，在當前溫度與設定溫度相減后的值的絕對值比其中一個設定值小時。在I/O通道特定位置寫上“0”，這個時候關閉繼電器，風扇停止，而溫度值也就保持在一定范圍內。控制濕度的方法與溫度相同。

4.4 數據存儲設計

儲存數據利用的是程序開發軟件LabVIEW所帶有的write characters to file模塊，溫濕度值經過處理后，用相應的電子表格將其存入進去。

5 結束語

綜上所述，虛擬儀器技術通過對性能較高的模塊硬件的利用，再結合靈活、高效的軟件來實現自動化應用以及各種測量和測試等。這樣的軟件所創建的用戶界面是自定義的，同時硬件所提供的系統集成也就全方位的。在研制該系統的過程中，虛擬儀器開發時間短、性能高的優勢被充分突顯了出來，這為之后擴展系統奠定了堅實的基礎。