【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計論文 摘 要液位計算機(jī)測量與控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是為西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院民航工程系綜合實(shí)驗(yàn)平臺而開發(fā)的課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。液位測量與控制系統(tǒng)集傳感器信號的采集、調(diào)理、轉(zhuǎn)換、檢測和控制為一體，是實(shí)時交互式圖形界面應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集液位信號并用計算機(jī)可視化界面實(shí)時顯示液位高度的變化過程；通過交互式對話框設(shè)置期望的液位高度，在檢測當(dāng)前液位的基礎(chǔ)上控制進(jìn)/出水閥門，從而對實(shí)際液位高度進(jìn)行控制。論文介紹了液位計算機(jī)測量與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能；分析了硬件系統(tǒng)中測量與控制電路的組成及工作原理；計算了信號調(diào)理電路中測量放大器的增益及各元件參數(shù)；使用PROTEL軟件繪制了信號調(diào)理電路圖；介紹了多功能數(shù)據(jù)采集卡NI USB6008的特點(diǎn)、功能及軟件開發(fā)平臺LabVIEW；分析了系統(tǒng)的軟件程序；介紹了液位計算機(jī)測控系統(tǒng)的用戶使用界面所能實(shí)現(xiàn)的功能。針對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對液位進(jìn)行開關(guān)控制所帶來的問題，提出了用PID控制方法進(jìn)行改進(jìn)的措施。關(guān)鍵詞：液位測控，壓力傳感器，信號調(diào)理，NI USB6008 ，LabVIEWABSTRACT The liquid level measurement and control puter experimental system is a course teaching experimental system which is used to develop the prehensive experimental platform for Aviation Institute of Civil Engineering of NWPU. The liquid level measurement and control system with realtime interactive graphical interface is of the sensor signal acquisition, conditioning, conversion, testing and control functions. The system acquires the signals of liquid level and puter interface realtime to show the liquid level changing process. Through an interactive dialog box, the desired water level is set. The actual water level is controlled based on the current liquid level detection through the import / outlet valves.The structure and function of the liquid level measurement and control puter experimental system is introduced at first. The hardware system position and working principle is analyzed, and the gain and each ponents parameters of measuring amplifier in signal conditioning circuit are calculated. The signal conditioning circuit is drawn with PROTEL, and the features and functions of the multifunction data acquisition card NI USB6008 and software development platform LabVIEW are introduced. The system software program is also analyzed. For the control problems of import / outlet valves of the liquid level measurement and control puter experimental system, a PID control method is proposed to improve the system performances.KEY WORDS：liquid level measurement and control，pressure sensor，signal conditioning ， NI USB6008 ，LabVIEW目 錄摘 要 IABSTRACT II第一章 緒 論 1 課題背景 1 系統(tǒng)組成 1 系統(tǒng)工作原理 2 本文的主要內(nèi)容 2第二章 傳感器及信號調(diào)理 3 數(shù)據(jù)采集 3 數(shù)據(jù)采集技術(shù) 3 數(shù)據(jù)的采樣 3 傳感器 4 傳感器的選用 4 壓阻式壓力傳感器的基本原理 5 5 信號調(diào)理電路 7 7 8 整體電路 8 第三章 液位控制回路 11 11 （74LS04） 11 電磁閥 12 13 14 14 16 第四章 計算機(jī)液位測控系統(tǒng) 19 多功能數(shù)據(jù)采集卡 19 19 (DAQ)的組成 20 USB6008數(shù)據(jù)采集卡 20 圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺—LabVIEW 22 23 24 系統(tǒng)軟件需求 24 LabVIEW前面版設(shè)計 25 LabVIEW后面板程序設(shè)計 26 27 第五章 系統(tǒng)線性改進(jìn) 29 PID控制原理 29 31 PID控制的局限性及新方法的探求 33 第六章 全文總結(jié) 35 參 考 文 獻(xiàn) 37 致 謝 39 畢業(yè)設(shè)計小結(jié) 41 附錄 43 1. 74LS74推薦工作條件 43 2. 電路板設(shè)計步驟 44 3. NI USB6008/6009的I/O 連接器 4448本科畢業(yè)設(shè)計論文 第一章 緒 論檢測和控制是人類認(rèn)識世界和改造世界的重要任務(wù)，而測控系統(tǒng)則是實(shí)現(xiàn)這些任務(wù)的工具和手段。測控系統(tǒng)在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，如輸油輸氣測控系統(tǒng)、城市公共事業(yè)測控系統(tǒng)等，同時，它還涉及人類生活的方方面面，因此，測控系統(tǒng)是人類生活、生產(chǎn)、科學(xué)研究等必不可少的工具和手段。虛擬儀器VI（Visual Instrument）正在成為當(dāng)今世界流行的一種一起構(gòu)成方案，它把計算機(jī)平臺與具有標(biāo)準(zhǔn)接口的硬件模塊及開發(fā)測試軟件結(jié)合起來構(gòu)成系統(tǒng)。工業(yè)液位控制中, 常常用到液位控制。在這些控制中，最重要的參數(shù)是液位，因此有必要對液位控制進(jìn)行自動的、實(shí)時的監(jiān)控。液位測控是工程實(shí)踐中常見的問題，在民航各領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。液位測控系統(tǒng)作為測控系統(tǒng)中一支，在大量的書籍中都有著較為詳細(xì)的介紹，本文正是在前人的探索和指導(dǎo)下，順應(yīng)計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，將二者有機(jī)的結(jié)合起來，設(shè)計出簡易的液位計算機(jī)測控系統(tǒng)。 系統(tǒng)組成液位測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。由圖11可見，液位測控系統(tǒng)主要由機(jī)械部分和計算機(jī)測控部分組成。機(jī)械部分由水箱、水容器和進(jìn)/出水閥所組成。出水閥門和入水閥門用的是非線性的電磁閥，只有通和斷兩種工作狀態(tài)，用來在實(shí)驗(yàn)過程中自動或手動向容器內(nèi)加水和放水。計算機(jī)測控部分由壓力傳感器、數(shù)據(jù)放大器、NI USB6008數(shù)據(jù)采集卡、進(jìn)出水閥控制板、計算機(jī)及其運(yùn)行于其上的軟件系統(tǒng)所組成。數(shù)據(jù)采集卡用來進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號的輸入輸出，計算機(jī)及運(yùn)行于其上的軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時顯示和控制液位高度。上水箱二級放大器一級測量放大器進(jìn)水閥液位測控計算機(jī)進(jìn)水閥控制板 傳感器 NIUSB6008數(shù)據(jù)采集卡 下水箱出水閥出水閥控制板 圖11 液位測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理簡述如下：系統(tǒng)使用壓力傳感器，把水壓信號轉(zhuǎn)變成為一個毫伏級的微弱電信號。這個電信號的大小就反映了液位的高度，將這個信號進(jìn)行兩級放大，得到計算機(jī)采集系統(tǒng)可用的電壓信號，通過運(yùn)算還原為液位高度，在運(yùn)行界面上以數(shù)字和曲線的方式直觀顯示出液位的變化情況。液位控制是通過將采集的液位高度與界面上設(shè)定的液位高度進(jìn)行比較，形成負(fù)反饋，由計算機(jī)發(fā)出數(shù)字信號來控制入水閥和出水閥的通斷，使實(shí)際液位達(dá)到設(shè)定液位的高度。 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，論文內(nèi)容如下：第二章重點(diǎn)介紹液位測量部分，包括傳感器、液位測量電路的結(jié)構(gòu)和工作原理；第三章介紹液位控制回路相關(guān)內(nèi)容；第四章介紹計算機(jī)液位測控系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹軟件程序設(shè)計，它是本文的核心部分；第五章為系統(tǒng)線性控制改進(jìn)方案。第2章 傳感器及信號調(diào)理 該部分主要包括數(shù)據(jù)采集技術(shù)概述，傳感器，輸入信號的分析、調(diào)理。在計算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號采集的難易程度差別很大。實(shí)際采集時，噪聲也可能帶來一些麻煩。數(shù)據(jù)采集時，有一些基本原理要注意，還有更多的實(shí)際的問題要解決。 數(shù)據(jù)的采樣假設(shè)現(xiàn)在對一個模擬信號x(t)每隔△t時間采樣一次。時間間隔△t被稱為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數(shù)l/△t被稱為采樣頻率，單位是采樣數(shù)/每秒。t＝0，△t，2△t，3△t……等等，x(t)的數(shù)值就被稱為采樣值。所有x(0)，x(△t)，x(2△t)都是采樣值。這樣信號x(t)可以用一組分散的采樣值來表示：{x(0)，x(△t)，x(2△t)，x(3△t)，…，x(k△t)，…} （21）。采樣間隔是△t，注意，采樣點(diǎn)在時域上是離散的。如果對信號x(t)采集N個采樣點(diǎn)，那么x(t)就可以用下面這個數(shù)列表示：X={x[0]，x[l]，x[2]，x[3]，…，x[N－l]} （22）這個數(shù)列被稱為信號x(t)的數(shù)字化顯示或者采樣顯示。這個數(shù)列中僅僅用下標(biāo)變量編制索引，而不含有任何關(guān)于采樣率(或△t)的信息。所以如果只知道該信號的采樣值，并不能知道它的采樣率，缺少了時間尺度，也不可能知道信號x(t)的頻率。 根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號頻率的兩倍。反過來說，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確