【正文】 .................................................... 19 LabVIEW 設(shè)計(jì) .................................................................................................................... 19 前面板設(shè)計(jì) ........................................................................................................................ 19 后面板設(shè)計(jì) ........................................................................................................................ 20 結(jié) 論 .............................................................................................................................................. 22 謝 辭 .............................................................................................................................................. 23 參 考 文 獻(xiàn) .................................................................................................................................... 24 附錄 1 ............................................................................................................................................. 25 附錄 2 ............................................................................................................................................. 27 附錄 3 ............................................................................................................................................. 28 基于 LabVIEW 的材料測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) —— 載荷測(cè)量 1 第 1 章 緒論 引 言 材料測(cè)試機(jī)早在幾十年前就已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于拉力機(jī)，壓力機(jī)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的不斷更新和進(jìn)步，尤其是計(jì)算機(jī)的日新月異的變化，虛擬儀器應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)越來(lái)越普及。 虛擬儀器的概念由美國(guó) NI公司于 2O世紀(jì) 80年代中期提出的 [1]，這一概念的核心是以計(jì)算機(jī)為虛擬儀器的硬件支撐，結(jié)合計(jì)算機(jī)的圖形處理與運(yùn)算、存儲(chǔ)、顯示及文件管理等智能式功能，用戶根據(jù)實(shí)際需要自行設(shè)計(jì)、自行定義符合需求的虛擬儀器面板，通過(guò)友好的圖形界面來(lái)控制振動(dòng)信號(hào)的采集、分析處理及打印等。使用 非常靈活方便 ?。虛擬儀器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是虛擬儀器的精髓、而 LabVIEW 以其直觀、簡(jiǎn)便的編程方式。眾多的源碼設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，多種多樣的對(duì)分析和表達(dá)功能的支持，為用戶快捷地構(gòu)建自己在實(shí)際生產(chǎn)中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。成為一款優(yōu)秀的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái) ,虛擬儀器在發(fā)達(dá)國(guó)家十分普及，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到電子測(cè)量、礦物勘探、故障診斷及振動(dòng)分析等各項(xiàng)教育科研領(lǐng)域。 研究的背景和意義 LabVIEW 是美國(guó)國(guó)家儀器公司（ National Instrument ）開(kāi)發(fā)的一種虛擬儀器平臺(tái)。它是一種用圖標(biāo)代碼來(lái)代替文本式編 程語(yǔ)言創(chuàng)建應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)工具。 LabVIEW 功能強(qiáng)大 ,提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析和存儲(chǔ)庫(kù)函數(shù)以及包括 DAQ、 GPIB、 PXI、 VXI、 RS232 和RS485 在內(nèi)的各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)。因此 ,采用 LabVIEW 開(kāi)發(fā)虛擬儀器比采用傳統(tǒng)的文本式語(yǔ)言更具有優(yōu)勢(shì)。但用 LabVIEW 開(kāi)發(fā)的虛擬儀器通常都是建立在LabVIEW 支持的價(jià)格昂貴的數(shù)據(jù)采集硬件之上的。而以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)雖然硬件成本較低 ,但開(kāi)發(fā)過(guò)程較為復(fù)雜 ,編程工作量較大 ,周期長(zhǎng) ,效率低，如果將以單片機(jī)為核 心的小系統(tǒng)作為前端的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ,通過(guò) LabVIEW 提供的串口子 VI 將采集到的數(shù)據(jù)傳送到 PC 主系統(tǒng) ,在 LabVIEW 環(huán)境下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析 ,既充分利用了 LabVIEW 的強(qiáng)大功能 ,又降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本 ,提高了效率 ,這不失為擴(kuò)展LabVIEW 應(yīng)用范圍的一個(gè)途徑。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及， 傳感器的運(yùn)用越來(lái)越普遍， 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在多個(gè)領(lǐng)域 也 有著廣泛的應(yīng)用。 在一些重要的設(shè)備上， 往往需要隨時(shí)檢測(cè)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的溫度、濕度、流量及壓力等參數(shù)。同時(shí)，還要對(duì)某一檢測(cè)點(diǎn)任意參數(shù)能夠進(jìn)行隨機(jī)查尋 ，將其在某一時(shí)間段內(nèi)檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換提取出來(lái)，以便進(jìn)行比較，做出決策，調(diào)整控制方案， 福州大學(xué)本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 提高產(chǎn)品的合格率，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。 隨著 科學(xué)技術(shù) 的 快速 發(fā)展，數(shù)據(jù)采集勢(shì)必將得到越來(lái)越多的應(yīng)用，為適應(yīng)這一趨勢(shì)，作這方面的研究就顯得十分重要。在科學(xué)研究中，運(yùn)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得大量的動(dòng)態(tài)信息，也是獲取科學(xué)數(shù)據(jù)和生成知識(shí)的重要手段之一。總之，不論在哪個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)采集與處理將直接影響工作效率和所取得的經(jīng)濟(jì)效益。 此外，計(jì)算機(jī)的發(fā)展對(duì)通信起了巨大的推動(dòng)作用 .計(jì)算機(jī)和通信緊密結(jié)合構(gòu)成了靈活多樣的通信控制系統(tǒng)，也 可以構(gòu)成強(qiáng)有力的信息處理系統(tǒng) ,這樣對(duì)社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。數(shù)據(jù)通信是計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的必然產(chǎn)物。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從嚴(yán)格的意義上來(lái)說(shuō)，應(yīng)該是用計(jì)算機(jī)控制的數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)或巡回檢測(cè)，并且能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí)行存儲(chǔ)、處理、分析計(jì)算以及從檢測(cè)的數(shù)據(jù)中提取可用的信息，供顯示、記錄、打印或描繪的系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)輸入通道，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)輸出及顯示這五個(gè)部分組成。輸入通道要實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的檢測(cè)，采樣和信號(hào)轉(zhuǎn)換等工作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理要用存儲(chǔ)器把采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行管理和調(diào)用。 數(shù)據(jù)處理就是從采集到的原始數(shù)據(jù)中，刪除有關(guān)干擾噪聲，無(wú)關(guān)信息和必要的信息，提取出反映被測(cè)對(duì)象特征的重要信息。另外，就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以便于檢索；或者把數(shù)據(jù)恢復(fù)成原來(lái)物理量的形式，以可輸出的形態(tài)在輸出設(shè)備上輸出，例如打印，顯示，繪圖等。數(shù)據(jù)輸出及顯示就是把數(shù)據(jù)以適當(dāng)?shù)男问竭M(jìn)行輸出和顯示。 由于 RS232 在微機(jī)通信接口中廣泛采用，技術(shù)已相當(dāng)成熟。在近端與遠(yuǎn)端通信過(guò)程中，采用串行 RS232 標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)與單片機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。 因此，跟隨著科學(xué)技術(shù)的步伐走，虛擬儀器的使用將會(huì)在未來(lái)大放異彩，而 LabVIEW作為虛擬技術(shù)的一款重要的軟件，將會(huì)越來(lái)越自動(dòng)化，在未來(lái)的測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化領(lǐng)域，將會(huì)處于領(lǐng)先的地位。 本設(shè)計(jì)所做的工作 本設(shè)計(jì)以一個(gè)通道進(jìn)行模擬量輸入，從載荷傳感器采集而來(lái)的模擬量電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后，送入 ADC0809 進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)單片機(jī)的串行口 TXD 發(fā)送到計(jì)算機(jī)上（單片機(jī)發(fā)送出來(lái)的數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，可用 MAX232 和 RS232 來(lái)連接計(jì)算機(jī)和單片機(jī)）， LabVIEW 會(huì)自動(dòng)識(shí)別并實(shí)時(shí)的顯示載荷的大小，如果載荷的大小超過(guò)了預(yù)定值或者是用戶設(shè)定的數(shù)值大小，軟件 系統(tǒng)就會(huì)及時(shí)的報(bào)警，并停止載荷傳感器 LRK 的工作。 傳感器測(cè)量 信號(hào)調(diào)理、放大 A/D 轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 基于 LabVIEW 的材料測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) —— 載荷測(cè)量 3 單片機(jī)控制 串行發(fā)送 虛擬軟件 LabVIEW 分析 測(cè)試分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 難點(diǎn)與重點(diǎn) （ 1) 微弱信號(hào)的處理：一般應(yīng)變片傳感器輸出的信號(hào)都是比較微弱的，都需要先進(jìn)行信號(hào)的放大，本設(shè)計(jì)中的載荷傳感器 LRK 所輸出的信號(hào)只有幾微伏，很容易被其他的噪聲或者是無(wú)用的信號(hào)干擾，從而不能準(zhǔn)確的測(cè)量，嚴(yán)重的甚至不能測(cè)出真實(shí)的信號(hào)，所以，對(duì)于這類的微軟的信號(hào)可以采用高共模抑制比的儀 表放大器（可用一般的高精度的 AD620）來(lái)進(jìn)行放大。在信號(hào)的調(diào)理電路中，有許多的干擾，其中電源的干擾很?chē)?yán)重，故可以進(jìn)行電源去耦，盡量消除電源的噪聲干擾；在設(shè)計(jì)中，也采用了調(diào)零電路，主要是為了防止溫度和零度漂移，讓傳感器輸出的信號(hào)到進(jìn)入 ADC0809 進(jìn)行模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換更加的精確。 （ 2） A/D 轉(zhuǎn)換： A/D 轉(zhuǎn)換的重點(diǎn)是其轉(zhuǎn)換的精度和轉(zhuǎn)換的速度，由于 ADC0809 的轉(zhuǎn)換速度是已知的，可從 ADC0809 的中文資料上找到，而轉(zhuǎn)換的精度是根據(jù) A/D 的位數(shù)決定，ADC0809 的轉(zhuǎn)換精度為 20mv。因此，做好硬件與 單片機(jī)之間的通信，并編好程序，就能夠輸出需要的數(shù)字信號(hào)了。 福州大學(xué)本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 2 章 硬件設(shè)計(jì) 信號(hào)采集 載荷傳感器 LRK 原理：該傳感器主要是應(yīng)用橋式應(yīng)變片的原理，通過(guò)施加的載荷的大小，引起應(yīng)變片的反應(yīng)，從而輸出相應(yīng)的電壓值，進(jìn)而通過(guò)測(cè)量電壓并轉(zhuǎn)化為載荷，從而可測(cè)得所施加的力的大小 [2][3]。 使用傳感器類型：在設(shè)計(jì)中采用的是日本 NTS 公司的力測(cè)量傳感器 LRK— 5KN 進(jìn)行載荷測(cè)量工程中的測(cè)力傳感器。 傳感器說(shuō)明：這是一款小型且高精度，高出力的拉壓兩用型傳感器；拉壓是兩方處理誤差小，信賴度高，范圍由 100N 到 20KN 等可供選擇，且廣泛十堰材料試驗(yàn)和汽車(chē)零組件的性能試驗(yàn)等工業(yè)計(jì)劃。特點(diǎn)：小型，重量輕，操作簡(jiǎn)單；高精度，高出力，信賴度高的傳感器；有兩端螺牙和單邊凸緣 2 種安裝方式；接受 OEM 生產(chǎn)，可降低成本。 規(guī)格： 規(guī)格容量 100N— 20KN 規(guī)格輸出電壓 2mV/V177。 1%（ 100N— 200N 為177。 3%） 輸入 /輸出阻抗 350Ω177。 1% 建議施加電壓 10V（ 100N— 200N 時(shí)為 5V） 非直線性 % 溫度補(bǔ)償范圍 10 70??℃ 重復(fù)性 % 放大器及其調(diào)理電路 在實(shí)際的單片機(jī)輸入通道中，傳感器的輸出信號(hào)時(shí)各種各樣的，由于 LRK 傳感器的輸出信號(hào)比較微弱，所以必須要進(jìn)行信號(hào)的調(diào)理和其他的輔助處理，才能滿足后面電路 (ADC)需要。信號(hào)調(diào)理需要涉及到多種其他的電路，如儀表放大器，可編程增益放大器，隔離放大器和信號(hào)調(diào)理器。 儀表放大器是一種閉環(huán)增益組件，也是一種特殊功能的運(yùn)算放大器，它具有差分輸入和單端輸出，高的阻抗，共模抑制比高。經(jīng)過(guò)比較，選用的是儀表放大器 AD620。它具有較好的失調(diào)電壓，高的共模抑制比，一般可達(dá)到 80 100dB，而且價(jià)格便宜，使用方便 [2]。 基于 LabVIEW 的材料測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) —— 載荷測(cè)量 5 AD620 儀表放大電路是由三個(gè)放大器所共同組成的，其中的電阻 R和 Rx需要在放大器的電阻適用范圍內(nèi)（ 1 10 千歐）。由固定的電阻 R，我們可以調(diào)整 Rx 來(lái)調(diào)整放大的增益值，其關(guān)系式為 : 0 1 22(1 )( )XRV V VR? ? ? () 需要注意的是避免每個(gè)放大器的飽和現(xiàn)象（放大 器最大輸出為其工作電壓）。 圖 21 AD620 內(nèi)部放大電路 其增益為： G KG1R1GKG?????? () 由此我們可以計(jì)算出所需要的 RG值。 在設(shè)計(jì)中，由于所要求的增益是 100 到 1000 倍，因此可接一個(gè)電位器來(lái)調(diào)節(jié)輸出的電壓的放大倍數(shù)。 由于 A/D 轉(zhuǎn)換用到的是 ADC0809 的模數(shù)轉(zhuǎn)換，是 8 位的精度。下圖中的 OP07 是用來(lái)穩(wěn)定電壓的和調(diào)零作用的，以免產(chǎn)生零點(diǎn)漂移和溫度漂移，從而造成信號(hào)的不準(zhǔn)確，如圖22 所示： 福州大學(xué)本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 127 4 L S 0 40 .1 u F1 0 u F326478 51A D62 01 0 k2 0 k2 4 k326741 8O P 0 73 5 03 5 03 5 03 5 0電位器+1 2 V+ 1