【正文】 .............................26 歷史數(shù)據(jù)回讀 .................................................................................................26 第五章 總結(jié)與展望 ............................................ 27 參考文獻 ..................................................... 29 第一章 緒 論 第一章 緒 論 館藏室 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)概述 我們國家擁有大量的圖書館和博物 館，珍藏著大量價值不 菲的書籍、文物 和文獻資料。 課題 針對這一問題， 利用虛擬儀器技術(shù) 實現(xiàn) 了一種新型智能化的溫濕度監(jiān)測報警系統(tǒng) 。 摘 要 摘 要 隨著科技的飛速發(fā)展 ， 各行各業(yè)對溫濕度 測試與控制 的要求也越來越高。 系統(tǒng) 硬件電路 的設(shè)計 采用 數(shù)字 溫度傳感器 DS18B20 和 濕度傳感器HS1101 進行環(huán)境 溫濕度 數(shù)據(jù)的采集 ；數(shù)據(jù)傳輸采用串行方式 ，使用 AT89S51 單片機 完成環(huán)境數(shù)據(jù)向 PC 上位機的傳送， 然后 ， 在 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境下， 用 LabVIEW這一圖形化設(shè)計語 言來完成數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)融合等數(shù)據(jù) 優(yōu)化 處理，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)回讀及 越 限報警等功能。 各企事業(yè)單位也 擁 有自己的重要紙質(zhì)和電子類檔案資料的存放庫房。 充分利用普通計算機這個通用而且功能又相當強大的資源，借助于虛擬儀器技術(shù)來開發(fā)館藏室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)不失為一個很好的設(shè)想。因此，依托于數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)而發(fā)展的溫濕度傳感器測量系統(tǒng)在實際應用中也發(fā)揮著越來越重要的作用。虛擬儀器主要是指這種方式。其中計算機處于核心地位，計算機軟件技術(shù)和測試系統(tǒng)更緊密地結(jié)合成一個有機整體，導致儀器的結(jié)構(gòu)、概念和設(shè)計觀點等也發(fā)生突破性的變化。在此背景下， 1986年美國國家儀器公司 (National Instruments， NI)提出了虛擬儀器 (Virtual Instrument， VI)的概念 [2]。到 1994年底，虛擬儀器制造廠已達 95家，共生產(chǎn) 1000多種虛擬儀器產(chǎn)品，銷售額達 ，占整個儀器銷售額 73億美元的 4%[4]。 國內(nèi)虛擬儀器研究的起步較晚，最早的研究也是從引進消化 NI的產(chǎn)品開始。 虛擬儀器技術(shù)簡介 虛擬儀器簡稱 VI， 是具有虛擬面板的 PC 機儀器，由硬件設(shè)備與接口、 PC 機、設(shè)備驅(qū)動軟件和虛擬儀器面板組成。應用程序負責對采集來的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析、圖像顯示、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)打印等操作，面板上的按鈕對應各種功能，并伴有動態(tài)幫助，這樣不僅充分實現(xiàn)單鍵操作和 OSD，而且用戶對虛擬儀器面 板 的操作比對真實儀器的操作更為方便 [7]。 LabVIEW[8]（ Laboratory Virtual Instrument Engineer Workbench，實驗室虛擬儀器工作平臺）是美國 NI 公司推出的一種基于 G 語言（ Graphics Language，圖形化編程語言）的、具有革命性的、圖形化虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，是業(yè)界領(lǐng)先的測試、測量和控制系統(tǒng)的開發(fā)工具。虛擬儀器則打破了傳統(tǒng)儀器中其功能由廠家定義且用戶無法改變的模式，使得用戶可以根據(jù)自己的需求，設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)，并可通過修改軟件來改變或增減儀器的功能，真正體現(xiàn)了 “軟件就是儀器 ”這一新概念。 4） 提供大量與外部代碼或軟件進行連接的機制，諸如 DLL（動態(tài)鏈接庫），DDE（共享庫）， ActiveX 等。 “軟件就是儀器 ”反映了 虛擬儀器技術(shù)的本質(zhì)特征。 第一章 緒 論 因此 ， 用戶可根據(jù)自己的需要 ， 選用不同廠家的產(chǎn)品 ， 使儀器系統(tǒng)的開發(fā)更為靈活 ， 效率更高 ， 縮短了系統(tǒng)組建時間 。 論文整體結(jié)構(gòu) 首章主要介紹了論文的背景 以及論文中所涉及到的相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，梳理論文脈絡。 分別對溫度傳感器的選擇及監(jiān)測電路的設(shè)計和濕度傳感 器的選擇及監(jiān)測電路的設(shè)計進行了介紹，最后對數(shù)據(jù)采集 電路 以及系統(tǒng)抗干擾設(shè)計 進行了介紹。故而，設(shè)計提出基于虛擬儀器的館藏室溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)來解決這些問題。 第二章 館藏室溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計 館藏室 溫濕度監(jiān)測 系統(tǒng)組成 結(jié)構(gòu) 館藏室溫濕度監(jiān)測 系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。 2） 計算機 I/O接口： 計算機 I/O接口為計算機與外部電路的連接提供硬件支持。數(shù)據(jù)記錄通過調(diào)用數(shù)據(jù)記錄子程序?qū)崿F(xiàn)測得數(shù)據(jù)的自動記錄，并將其保存于 Excel表格中。因為本設(shè)計采用多傳感器多點測量的方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，難免有的傳感器會產(chǎn)生故障而得到壞值。 5） 系統(tǒng)前 面板： 系統(tǒng)操作 前 面板是用戶對系統(tǒng)進行觀察和 使用的主要窗口，因此設(shè)計必須直觀簡便?！? 25℃ ～ 10℃ 準確度 177。按下系統(tǒng)運行按鈕，系統(tǒng)將自動進行環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)的連續(xù)監(jiān)測。系統(tǒng)將自動的將實時監(jiān)測到的溫濕度信息記錄在名為 “溫濕度測量數(shù)據(jù)表 ”的 Excel表格中，便于用 戶調(diào)用查看。對測得的溫濕度信息，采用四位數(shù)值顯示和圖標波形顯示的方式來展現(xiàn)給用戶，直觀便捷，讓用戶能更好的了解環(huán)境狀況。 除了以上各大功能， 系統(tǒng) 還具有 控制可靠；界面更加人性化，便于使用；所有10 溫濕度測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 操作均通過鍵盤和鼠標實現(xiàn) ；溫濕度測控曲線實時顯示； 高精確度、高穩(wěn)定性；節(jié)約成本，提高效率等特點。 3）參考設(shè)備和專用房間的特殊要求。2℃ ；相對濕度為 50%～ 60%。 三、館藏室要求 ： 館藏室參考 面積： 2 000 m2；參考高度： 6 m；溫度要求： t30℃ ；濕度要求：RH65％。 為了達到以上溫濕度參數(shù)的控制要求，需選擇相應 的硬件。采用數(shù)字溫度傳感器的好處是與 CPU接口方便，可不必過多考慮前向通道中諸如信號放大、零點漂移、傳感器供電和干擾等因素，可以在滿足系統(tǒng)要求的前提下最大限度的減少系統(tǒng)開發(fā)成本和技術(shù)難度。將測量溫度轉(zhuǎn)換為 12bit 的數(shù)字量最長需750ms； DSl8B20 可采用信號線寄生供電，無需外部供電；每個 DSl8820 有唯一的64bit 序列碼，即多個 DSl8820 可在一條單總線上工作。 命令序列 步驟一、 初始化 ；步驟二、 ROM 命令跟隨著需要交換的數(shù)據(jù)；步驟三、 功能命令跟隨著需要交換的數(shù)據(jù)。 ROM 命令： ROM 命令通過器件的 64bit ROM 碼使主機指定某一特定器件 (如有多個器件掛在總線上 )與之進行通信。 DSl8B20 的信號方式 DSl8820 采用嚴格的單總線通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。 初始化波形如圖 所示。 DS18B20 測量溫度 在電路設(shè)計中選擇 3 腳封裝的 DSl8B20，并采用外加電源的工作方式。溫度數(shù)據(jù)是以帶符號位的 16bit 補碼存儲在溫度寄存器中。 HS1101 濕度傳感器簡介 HS1101 濕度傳感器等效于一個電容單元， 其系統(tǒng)參數(shù)特性如下：測量范圍為3～ 99％ RH；電源電壓 DC 5V(max 7V)； 等效電容 175～ 185pE(54． 4％ RH， 10KHz)；恢復時間 10s(在 100％ RH中存放 150h后 )；濕度遲滯177。其工作的溫、濕度范圍如圖 所示。本系統(tǒng)采用 555 定時器搭建頻率發(fā)生電路。 數(shù)據(jù)采集 電路的設(shè)計 系統(tǒng)使用 DSl8820 進行溫度測量，而所有 1Wire 總線的基本要求為：微處理器的通信端口必須是雙向的，其輸出為漏極開路，且線上具有弱上拉；微處理器必須能產(chǎn)生標準速度 1Wire 通信所需的精確 l u s 延時；通信過程不能被中斷。因此，對數(shù)字信號的輸入／輸出過程必須 采取可靠的抗干擾措施。因為負邏輯方式是具有較強的耐噪聲能力，從工程實踐積累的經(jīng)驗看，開關(guān)輸入的控制指令有效狀態(tài)采用低電平比采用高電平的效果要好得多，一般微型計算機接口電路中經(jīng)常采用這種方式。 LabVIEW 集成了與滿足 GPIB、 VXI、 RS232 和 RS485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。 圖形化的程序語言，又稱為 “ G” 語言。使用它進行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。所有的 VI 都包括前面板（ Front panel）、框圖（ Block diagram）及圖標和連接器窗格（ Icon and connector pane） 3 部分。前面板通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)，通過鼠標 控制按鈕，可在計算機屏幕上觀看結(jié)果。圖標和連接器窗格允許將此儀器作為最高級的程序，也可以作為 其他程序或子程序的子程序（子儀器）。功能模板包含一些基本的功能函數(shù)，也包含一些已設(shè)置好的子儀器，這些子儀器能實現(xiàn)一些基本的信號處理功能，具有普遍性。登錄系統(tǒng)用戶界面如圖 所示。 系統(tǒng)自檢 為了確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準確性以及系統(tǒng)的正常工作，在系統(tǒng)運行之前先進行自檢操作。 22 溫濕度測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 圖 館藏室溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)自檢面板 自檢過程 中，由系統(tǒng)提供一個數(shù)值常量，在經(jīng)過程序運算后，通過將所得值與理論值的對比實現(xiàn)軟件自檢功能。故而必須先根據(jù) MF52 溫度 電阻擬合公式，將電壓值還原為溫度值，再進行相應的運算處理。 遞推平均濾波法：把 N個測量數(shù)據(jù)看成一個隊列，隊列的長度為 N，每進行一次新的測量，就把測量結(jié)果放入隊尾，而扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù)，并對隊列中的 N個數(shù)據(jù)進行平均，平均值即為系統(tǒng)操作數(shù)。 基于相融矩陣的多傳感器失效數(shù)據(jù)剔除：三個溫度傳感器測量館藏室同一區(qū)域溫度時，設(shè)第 i個傳感器和第 j個傳感器所測得的數(shù)據(jù)為 、 ,計算相融距離測度 。如果一個傳感器只與少數(shù)傳感器相融性好，則這個傳感器的數(shù)據(jù)為失效數(shù)據(jù)， 若這個傳感器的讀數(shù)長期失效，則輸出傳感器故障報警信號。 顯示界面如圖 所示。運算公式如圖 所示。 數(shù)據(jù)記錄 與歷史數(shù)據(jù)回讀 數(shù)據(jù)的記錄與歷史數(shù)據(jù)的回讀是監(jiān)測系統(tǒng)必須具備的基本功能，采用文件的形式記錄與回放監(jiān)測數(shù)據(jù)可以滿足大多數(shù)應用場所的需要，具有方便靈活與成本低26 溫濕度測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 廉的特點。 歷史數(shù)據(jù)回讀 為了使用戶能更直觀的了解館藏室溫濕度的變化波動情況， 系統(tǒng)設(shè)計使用波形顯示的方式對存入 Excel 表格中的歷史數(shù)據(jù)進行回讀 。因此 設(shè)計嘗試使用虛擬儀器新技術(shù)來實現(xiàn)便捷高效的館藏室溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。 3