【正文】 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 目 錄1 緒 論 1 課題背景 1 虛擬儀器簡介 2 圖形化編程語言LabVIEW的簡介 3 本論文任務(wù) 32 溫度控制設(shè)計(jì)方案 5 硬件及軟件的選擇 5 5 6 硬件及軟件設(shè)計(jì)方案 7 7 73 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境以及PID和模糊控制模塊簡介 11 LabVIEW前臺(tái)顯示面板與后臺(tái)控制面板 11 LabVIEW前臺(tái)顯示面板 11 LabVIEW后臺(tái)控制面板 11 LabVIEW程序執(zhí)行流程 11 LabVIEW中的儀器控制和驅(qū)動(dòng) 11 12 LabVIEW支持的GPIB、VXI、標(biāo)準(zhǔn)串口I/O儀器的驅(qū)動(dòng) 12 VISA簡介 12 PID控制模塊簡介 13 模糊控制模塊簡介 154 以單片機(jī)為核心的下位機(jī)的設(shè)計(jì) 17 下位機(jī)設(shè)計(jì)方案 17 17 17 DS18B20測溫部分 17 18 18 下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì) 18 19 20 205 基于PC的上位機(jī)編程設(shè)計(jì) 23 方案設(shè)計(jì)與選擇 23 上位機(jī)各模塊設(shè)計(jì) 23 23 23 PID控制部分設(shè)計(jì) 246 總結(jié) 25參考文獻(xiàn) 26謝 辭 27附 錄 281 緒 論現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，沖擊著國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，也引起了測量儀器和測試技術(shù)的巨大變革。人們曾為測量儀器從模擬化、數(shù)字化到智能化的進(jìn)步而欣喜，也為自動(dòng)測試技術(shù)的日新月異的發(fā)展所鼓舞，當(dāng)今虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)又使得測量儀器進(jìn)步入了高科技的殿堂。 與傳統(tǒng)的儀器不同，虛擬儀器（virtual instrument）是基于計(jì)算機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)的模塊化系統(tǒng)，通常它是由控制模塊、儀器模塊和軟件組成，在虛擬儀器中軟件是至關(guān)重要的，儀器的功能都要通過它來實(shí)現(xiàn)，因此軟件是虛擬儀器的核心，“軟件就是儀器”，從本質(zhì)上反映了虛擬儀器的特征。 從構(gòu)成方式上講，虛擬儀器可分為四大類：GPIB體系結(jié)構(gòu)、PCDAQ體系結(jié)構(gòu)、VXI體系結(jié)構(gòu)和PXI體系結(jié)構(gòu)。 GPIB體系結(jié)構(gòu)是通過GPIB總線將具有GPIB接口的計(jì)算機(jī)和儀器集成的測試系統(tǒng)。組建方便靈活、操作簡單。 VXI體系結(jié)構(gòu)綜合了。pib和vem總線的優(yōu)點(diǎn)，它集成的系統(tǒng)硬件集成度高、數(shù)據(jù)傳輸率快、便攜性好，是當(dāng)今倍受業(yè)界關(guān)注的體系結(jié)構(gòu)。 PXI體系結(jié)構(gòu)是以PCI總線為基礎(chǔ)的體系結(jié)構(gòu)，由于其總線吞吐率高、硬件的價(jià)格較低被業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為是符合國情的一種體系結(jié)構(gòu)。 虛擬儀器應(yīng)用程序的開發(fā)環(huán)境主要有兩種。一種是基于傳統(tǒng)的文本語言的軟件開發(fā)環(huán)境，常用的有l(wèi)ab windows/cvi、.visual basidc=vc++等：一種是基于圖形化語言的軟件開發(fā)環(huán)境，常用的有LabVIEW和hp vee。其中圖形化軟件開發(fā)系統(tǒng)是用工程人員所熟悉的術(shù)語和圖形化符號(hào)代替常規(guī)的文本語言編程，界面友好，操作簡便，可大大縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，深受專業(yè)人員的青睞。 課題背景 隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)的迅速擴(kuò)張，政府和企業(yè)家們花在設(shè)備上的投入越來越多，這筆巨大的開銷，極大地限制了企業(yè)的資金，從而制約著企業(yè)的發(fā)展。而虛擬儀器技術(shù)憑借著其開發(fā)容易、開發(fā)成本低、開發(fā)周期短等明顯的優(yōu)點(diǎn)，漸漸地在工業(yè)測控領(lǐng)域嶄露頭角。它的出現(xiàn)使企業(yè)家們看到了降低成本的希望。本設(shè)計(jì)將就虛擬儀器怎樣用在工業(yè)測控中進(jìn)行一番簡單的探討。 虛擬儀器簡介 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代測量技術(shù)的迅速發(fā)展，一種新型的先進(jìn)儀器——虛擬儀器成為當(dāng)前系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。虛擬儀器通過軟件開發(fā)平臺(tái)將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融為一體，把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)及分析處理。在對大規(guī)模、集成化、智能化及數(shù)字電子儀器需求愈加迫切的形勢下，計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了具有里程碑意義的新一代儀器——虛擬儀器。虛擬儀器的出現(xiàn)開辟了儀器技術(shù)的新紀(jì)元，它是多門技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其基本思想逐步代替儀器完成某些功能，如數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示和存儲(chǔ)等，最終達(dá)到取代傳統(tǒng)電子儀器的目的。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)硬件資源、儀器硬件、數(shù)據(jù)分析處理、軟件、通信軟件極圖形用戶界面的又效結(jié)合，具有傳統(tǒng)儀器所具備的信號(hào)采集、信號(hào)處理分析、信號(hào)輸出等功能。其基本構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件接口和測試儀器等。虛擬儀器以透明的方式把計(jì)算與傳統(tǒng)儀器一樣。虛擬儀器同樣劃分為數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果表達(dá)三大功機(jī)資源和儀器硬件的測試能力結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了儀器功能的運(yùn)作。虛擬儀器的功能模塊如圖11所示。PC—DAQ采集器網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)處理串口儀器磁盤復(fù)制數(shù)字濾波GPIB儀器文件I/O統(tǒng)計(jì)VXI儀器圖形用戶接口分析PXI儀器圖11 虛擬儀器的功能模塊虛擬儀器用各種圖標(biāo)或控件來虛擬傳統(tǒng)儀器面板上的各種器件。由各種開關(guān)圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)儀器電源的通斷；由各種按鈕圖標(biāo)來設(shè)置被測信號(hào)的“放大倍數(shù)”、“通道”等參數(shù)；由各種顯示控件以數(shù)值或波形的方式顯示測量或分析結(jié)果；由計(jì)算機(jī)的鼠標(biāo)和鍵盤操作來模擬傳統(tǒng)儀器面板上的實(shí)際操作；以對圖形化軟件流程圖的編程來實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)測量和數(shù)據(jù)分析功能。如下是虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較表，直觀的反應(yīng)了傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器各自的性能特點(diǎn)。傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器的比較傳統(tǒng)儀器虛擬儀器儀器廠商定義用戶自己定義硬件是關(guān)鍵軟件是關(guān)鍵儀器的功能、規(guī)模均已固定系統(tǒng)功能和規(guī)模可通過軟件修改和增減封閉的系統(tǒng)，與其它設(shè)備連接受限制基于計(jì)算機(jī)的開放系統(tǒng)，可方便地同外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其它相應(yīng)設(shè)備連接價(jià)格昂貴價(jià)格低，可重復(fù)利用技術(shù)更新慢技術(shù)更新快開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高軟件結(jié)構(gòu)可大大節(jié)省開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用多為實(shí)驗(yàn)室擁有個(gè)人可擁有一個(gè)實(shí)驗(yàn)室 圖形化編程語言LabVIEW的簡介LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接收，被公認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW不僅提供了與遵從GPIB，VXI，RS232和RS485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能，還布置了支持TCP/IP，ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，而且圖形化的編程界面使編程過程變得生動(dòng)有趣。LabVIEW是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件，利用他可以方便的建立自己的虛擬儀器。以LabVIEW為代表的圖形化編程語言，又稱為“G”語言。使用這種語編程時(shí)，基本上不需要編寫程序代碼，而是“繪制”程序流程圖。LabVIEW盡可能利用工程技術(shù)人員所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因而它是一種面向最終用戶的開發(fā)工具，可以增強(qiáng)工程人員構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。利用LabVIEW，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件。LabVIEW是真正的32位編譯器。像其他軟件一樣，LabVIEW提供了Windows，UNIX，Linux和Macintosh等多種版本。 本論文任務(wù) （1）設(shè)計(jì)一個(gè)由微控制器控制的溫度采集裝置，使其能夠準(zhǔn)確地采集環(huán)境溫度。 （2）通過某種通信協(xié)議，將采集到的溫度送往上位機(jī)進(jìn)行顯示和處理。 （3）用LabVIEW編寫上位機(jī)的程序，使其能夠接受下位機(jī)發(fā)送來的溫度信息數(shù)據(jù)，并作出處理想，同時(shí)顯示在PC屏幕上。 （4）使用LabVIEW編寫PID控制程序，能實(shí)現(xiàn)對溫度的比較準(zhǔn)確的控制。 （5）使用LabVIEW編寫模糊控制程序，能實(shí)現(xiàn)對溫度的控制。 上位機(jī)界面 硬件實(shí)物圖41 2 溫度控制設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)采用LabVIEW和AVR單片機(jī)組成系統(tǒng)的主要模塊。由下位機(jī)把單線式溫度傳感器DS18B20測量到的溫度，通過串口發(fā)送到的由LabVIEW構(gòu)建的上位機(jī)去。然后在上位機(jī)中進(jìn)行處理和顯示，通過PID或者模糊算法，計(jì)算出要輸出的控制量，再由串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到下位機(jī)，交由下位機(jī)處理。下位機(jī)根據(jù)一定的關(guān)系，輸出一定的信號(hào)來控制固態(tài)繼電器的通斷。固態(tài)繼電器的交流端就會(huì)因?yàn)橥〝喽刂扑嚯娮韫ぷ髋c否，以此達(dá)到控制溫度的目的。 硬件及軟件的選擇 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要分為四個(gè)部分：主控部分、DS18B20測溫部分、通信部分、程序下載部分。 在下位機(jī)控制器上，由于需要采用PWM技術(shù)對加熱裝置進(jìn)行控制，而傳統(tǒng)的51系列單片由于其內(nèi)部并不具有專門的PWM模塊，當(dāng)從上位機(jī)發(fā)送控制數(shù)據(jù)時(shí)，就必須采取中斷才能執(zhí)行這個(gè)過程。由于AVR系列單片機(jī)內(nèi)部均有現(xiàn)成的PWM模塊，可以在進(jìn)行采集溫度的同時(shí)，進(jìn)行PWM控制。所以，本設(shè)計(jì)選擇Atmel公司生產(chǎn)的ATMega16八位高性能微處理器。AVR單片機(jī)是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精簡指令集高速8位單片機(jī)。AVR的單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域，它與51單片機(jī)、PIC單片機(jī)相比具有一系列的優(yōu)點(diǎn)： (1)在相同的系統(tǒng)時(shí)鐘下AVR運(yùn)行速度最快； (2)芯片內(nèi)部的Flsah、EEPROM、SRAM容量較大； (3)所有型號(hào)的Flash、EEPROM都可以反復(fù)燒寫、全部支持在線編程燒寫(ISP)； (4)多種頻率的內(nèi)部RC振蕩器、上電自動(dòng)復(fù)位、看門狗、啟動(dòng)延時(shí)等功能，零外圍電路也可以工作； (5)每個(gè)IO口都可以以推換驅(qū)動(dòng)的方式輸出高、低電平，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)； (6)內(nèi)部資源豐富，一般都集成AD、DA模數(shù)器、PWM、SPI、USART、TWI、I2C通信口、豐富的中斷源等。 目前支持AVR單片機(jī)編譯器的語言主要有匯編語言、C語言、BASIC語言等。其中C編譯器主要有CodeVisionAVR、AVRGCC、IAR、ICCAVR等，C語言編譯器由于它具有功能強(qiáng)大、 運(yùn)用靈活、代碼小、運(yùn)行速度快等先天性的優(yōu)點(diǎn)，使得它在專業(yè)程序設(shè)計(jì)上具有不可代替的地位。測溫部分，本設(shè)計(jì)采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的一線式溫度傳感器DS18B20（如圖21）。數(shù)字式溫度傳感器DS18B20是美國DALLAS公司推出的一種可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器，采用1wire總線接口，測溫范圍為55℃—+125℃，精度可達(dá)0．067 5℃ ，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為200ms 。DS18B20能夠直接讀取被測物體的溫度值，體積小，電壓適用范圍寬(3V~5V)，用戶還可以通過編程實(shí)現(xiàn)912位的溫度讀數(shù)，即具有可調(diào)的溫度分辨率。DS18B20與單片機(jī)的接口簡單，只需將信號(hào)線與單片機(jī)的一位雙向端口相連即可 。系統(tǒng)中DS18B20采用外接電源方式，VDD端用3V～5．5V電源供電。由于其測溫分辨率較高(12位)，因此對時(shí)序及電特性參數(shù)要求較高，必須嚴(yán)格按照時(shí)序要求操作。其數(shù)據(jù)的讀寫是由主機(jī)讀寫特定時(shí)間片來完成的，包括初始化、讀時(shí)間片和寫時(shí)間片。 DS18B20的主要特征： ??全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。 ??先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信。 ??最高12位分辨率。 ??12位分辨率時(shí)的最大工作周期為750毫秒。 ??可選擇寄生工作方式。 ??檢測溫度范圍為–55176。C ~+125176。C ??內(nèi)置EEPROM，限溫報(bào)警功能。 DS18B20引腳功能： GND 電壓地 DQ 單數(shù)據(jù)總線 VDD 電源電壓 圖21 DS18B20 功率控制部分，本設(shè)計(jì)采用無錫天豪公司生產(chǎn)的GTJ242A固態(tài)繼電器。電氣參數(shù)為：輸入控制電壓314VDC（自動(dòng)限流），開啟電流5mA,控制電流25mA，工作電壓24240VAC。該固態(tài)繼電器為過零型繼電器，在電流過零時(shí)導(dǎo)通，過零時(shí)關(guān)斷。相對于隨機(jī)型的固態(tài)繼電器，使用過零型的固態(tài)繼電器可以使本設(shè)計(jì)比較方便地控制固態(tài)繼電器中雙向晶閘管的導(dǎo)通周期數(shù)，從而控制加熱元件的工作時(shí)間。 通信部分，由于溫度變化并不是一個(gè)很快的過程，所以并不需要很高的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送速度。而且，計(jì)算機(jī)的各種通信方式中，尤以串口通信方式最為簡單，因此本設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的RS232串口通信。由于單片機(jī)的工作電平TTL電平，它要與計(jì)算機(jī)上的串口進(jìn)行通信，就必須轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的計(jì)算機(jī)串口電平，也就是RS232電平。在本設(shè)計(jì)中采用美國MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。軟