【正文】 ..................................... 39 本設(shè)計的軟件系統(tǒng)模塊劃分 ........................................................................... 40 系統(tǒng)各模塊應(yīng)用程序 ............................................................................................... 41 數(shù)據(jù)采集與顯示程序 ....................................................................................... 42 數(shù)據(jù)保存程序 ................................................. 43 歷史數(shù)據(jù)讀取程序 ............................................. 44 報警模塊 ..................................................... 45 參數(shù)設(shè)置模塊 ................................................. 45 第四章 系統(tǒng)軟件的具體實現(xiàn) ................................. 46 系統(tǒng)監(jiān)控界面 ..................................................... 46 實驗步驟及其調(diào)試結(jié)果 ............................................. 47 歷史數(shù)據(jù)讀取 ..................................................... 48 第五章 總 結(jié) .............................................. 49 參 考 文 獻 ............................................... 51 致 謝 .................................................. 52 第一章 緒 論 引言 在人們生產(chǎn)生活的過程中越來越多的涉及到液位控制和處理的問題。 這些不同背景的實際問題我們都可以把他們簡化為某種水箱的液位控制和處理問題。為了在這些實驗裝置上進行開展研究性實驗，必須先將這些實驗裝置改造為由計算機進行液位檢測和控制。 過去通用的方法是由工作人員分班定時監(jiān)測液位計的指示值 , 將指示值與規(guī)定液位數(shù)值比較 , 并算出兩者的差值 , 根據(jù)液位變化大小作出判斷、控制閥門的開度大小。 課題背景 虛擬儀器技術(shù)的國外發(fā)展現(xiàn)狀 虛擬儀器技術(shù)目前在國外發(fā)展很快，以美國國家儀器公司（ NI 公司）為代表的一批廠商已經(jīng)在市場上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計的商品化儀器產(chǎn)品。最早和最具有影響力的開發(fā)軟件，是 NI 公司的 LABVIEW 軟件和Lab windows/CVI 開發(fā)軟件。世界各國的公司，特別是美國 NI 公司，為使虛擬儀器能夠適應(yīng)上述各種總線的配置，開發(fā)了大量的軟件以及適應(yīng)要求的硬件（插件），可以靈活的組建不同復(fù)雜程度的虛擬儀器自動檢測系統(tǒng)。是目前已經(jīng)發(fā)布的最高傳輸速度。 國內(nèi)已有部分院校的實驗室引入了虛擬儀器系統(tǒng)，上海復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州暨南大學(xué)、華中理工大學(xué)、四川聯(lián)合大學(xué)等。清華大學(xué)利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動機的出廠檢驗。其主要產(chǎn)品有數(shù)字存儲示波器系列、任意波形發(fā)生器及頻率計系列、多通道大容量波 形 — 記錄系列。虛擬儀器技術(shù)的提出和發(fā)展，標志著二十一世紀自動測試與電子測試儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個重要方向虛擬儀器技術(shù)發(fā)展趨勢 虛擬儀器是微電子、通信、計算機等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物。模擬儀器主要有模擬式電壓表、電流表等，這些儀表解決了當時對某些量的測量的需求。伴隨微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展及在電工電子測量技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，測量儀器也不斷進步和 發(fā)展，出現(xiàn)了智能儀器。 但是在數(shù)字化儀器、智能儀器階段基本上沒有擺脫傳統(tǒng)儀器那種獨立使用、手動操作的模式，難以勝任更復(fù)雜、多任務(wù)的測量需求。伯克提出了微機化儀器的概念，也就是人們現(xiàn)在常提到的卡式儀器。 雖然許多廠家通過定義新的儀器總線，不斷對卡式儀器進行改進，但其大多是在微機內(nèi)總線的插槽上進行開發(fā)，沒有統(tǒng)一標準，且各廠家生產(chǎn)的插卡尺寸大小不一，設(shè)備兼容性較差。制定 PXI 規(guī)范的目的是為了將 PC 的性能價格比優(yōu)勢和 PCI 總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴展結(jié)合起來，以期形成一種主流的虛擬儀器測試平臺。隨著虛擬儀器軟件開發(fā)平臺及硬件的發(fā)展， 基于虛擬儀器的儀器系統(tǒng)的開發(fā)周期更短，費用更低，測量速度、準確度及可復(fù)用性提高，且更便于相應(yīng)儀器系統(tǒng)的維護和擴展 [3]。 虛擬儀器的開發(fā)軟件 虛擬儀器的開發(fā)語言 虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)語言有：標準 C， Visual C++ ， Visual Basic 等通用程序開發(fā)語言。 LabWindows/CVI 是為熟悉 C 語言的開發(fā)人員準備的，是在 Windows 環(huán)境下的標準 ANSIC 開發(fā)環(huán)境。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用 TCP/PI、 ActiveX等軟件標準的庫函數(shù)，是一個功能強大且靈活的軟件。因此， Labview 受到越 來越多工程師、科學(xué)家的普遍青睞。 1）前面板：前面板是圖形用戶界面，也就是 VI 的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對象。流程圖中包括前面板上的控件連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。如通過使用數(shù)據(jù)探針、高亮執(zhí)行調(diào)試等多種方法，程序以較慢的速度運行，使沒有執(zhí)行的代碼顯示灰色，執(zhí)行后的代碼會高亮顯示，同時在線顯示數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)值，完全跟蹤數(shù)據(jù)流的運行。而在 Labview 中提供的圖標 /連接工具正是為實現(xiàn)模塊化設(shè)計而準備的。 ② 一個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，每一個子系統(tǒng)都是一個完整的功能模塊，這樣把測試功能細節(jié)化，便于實現(xiàn)軟件復(fù)用，大大節(jié)省軟件研發(fā)周期，提高系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。 （ 1） 硬件設(shè)計：液位數(shù)據(jù)的顯示電路、鍵盤輸入及接口電路設(shè)計。 （ 1） 現(xiàn)場信息采集及控制：在 Lab VIEW 下編制串口程序，接受下位機傳輸給 PC 機的數(shù)據(jù)信號，實現(xiàn)對液位的檢測控制。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。 假設(shè)現(xiàn)在對一個模擬信號 x(t)每隔△ t 時間采樣一次。所有 x(0)， x(△t)， x(2△ t)都是采樣值。這個數(shù)列中僅僅用 下標變量編制索引，而不含有任何關(guān)于采樣率 (或△ t)的信息。如果信號中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號將在直流和恩奎斯特頻率之間畸變。出現(xiàn)的混頻偏差是輸入信號的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕對值。本章主要的設(shè)計內(nèi)容是控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。 單片機的選擇 本設(shè)計系統(tǒng)對內(nèi)部存儲器要求不高，對中斷源、 I／ O 口等各方面的要求也不高， 對其它性能也沒有什么特別的要求，所以選擇最普通的單片機即可。 實踐證明，我們對以上芯片的采用完全能夠達到系統(tǒng)設(shè)計的要求，說明選擇是合理的，下面對這兩個芯片做詳細的說明。 AT89S52 具有以下主要性能： 1． 8KB 在線可編程 (ISP)Flash 存儲器 (可經(jīng)受 1000 次的擦寫 ) 2． 與 MCS 一 51 系列兼容 3． ～ 5． 5V 工作電壓范圍 4．全靜態(tài)時鐘： 0Hz～ 33MHz 5．三級程序存儲器加密 6． 2568bit 內(nèi)部 RAM 7． 32 個可編程 I／ O 口線 8． 3 個 16 位定時器／計數(shù)器 9． 8 個中斷源 10．全雙工 uART 串行通信 11．片內(nèi)時鐘振蕩器 12．具有看門狗定時器 圖 41 AT89S52 的引腳分配圖 AT89S52 的引腳情況如圖 41 所示，其引腳功能描述如下： 1． Vcc：電源端。當該引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平時單片機將復(fù)位。當AT89s52 由外部程序存儲器取指令 (或常數(shù) )時，每個機器周期 PSEN 兩次有效 (即輸出 2 個 脈沖 )。 8． P0 端口 (P0． O～ P0． 7)： P0 口是～個 8 位漏極開路型雙向 I／ o 端口。在驗證程序時，要求外接上拉電阻。作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流(IIL)。對端口寫高電平 “1” 時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時可用作輸入口。 11． P3 端口 (P3。P3 作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流 (IIL)。 15． P3， 3／ INTl：外部中斷 1。 19． P3． 6／ WR：外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通。 23． P1． 7／ SCK： ISP 的同步脈沖。經(jīng)過 AD 采集到的數(shù)據(jù)可以在時鐘的控制下從 DO 腳輸出。 4． 8 位精度。 3． AGND、 DGND：模擬地和數(shù)字地。O39。 8． SE：數(shù)據(jù)移動使能標志位。 2． AD 采集模塊：本模塊利用 ADC08038 來實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換， 使模擬信號變成計算機可以處理的數(shù)字信號。 5．顯示模塊：顯示模塊通過 3 個發(fā)光數(shù)碼管實現(xiàn)，可以顯示功率，時間，溫度和故障代碼等等。 控制系統(tǒng)各模塊的具體實現(xiàn) 熱敏電阻簡介及調(diào)理電路的設(shè)計 熱敏電阻簡介 熱敏電阻就是阻值根據(jù)溫度的變化而變化的電阻。這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，在導(dǎo)電方式上完全類似鍺、硅等半導(dǎo)體材料。 NTC 熱敏電阻的基本物理物性有：電阻值、 B 值、耗散系數(shù)、時問常數(shù)。 圖 44 熱敏電阻調(diào)理電路圖 依據(jù)以上溫度跟阻值之間的關(guān)系，本系統(tǒng)采用的熱敏電阻的型號為 SJMF395／ 399／ 405—104。其原理一致，設(shè)計思路類似，此處就不一一列出。其作用是將大的電流轉(zhuǎn)換成便于單片機測量的小電流。通過這個互感器的轉(zhuǎn)換，大的待測電流就變成了單片機可以測量的弱電流。再經(jīng) C7 濾波， R83， R85 采樣被送入 AD 輸入端進行采樣。本課題中使用了兩個互感器，一個高頻互感器，一個低頻互感器。采集開始時 DATA 為所選通道的通道號數(shù)據(jù)，是從單片機傳給AD 采集芯片的，采集后 DATA 為采集值，是從 AD 芯片傳給單片機的。本課題的振蕩電 路是用芯片 LM3524D 來實現(xiàn)的，它是主要用來實現(xiàn)脈寬調(diào)節(jié) (PWM)和頻率調(diào)節(jié)(PFM)的芯片。振蕩電路輸出的頻率就可以進行下一步驅(qū)動 IGBT 開通的控制，從而控制整個系統(tǒng)的輸出頻率。 圖 4． 10 鍵盤電路圖 本課題中使用了 5個獨立鍵和一個組合鍵，這里只提供一個開關(guān)鍵的電路圖， 其它鍵的設(shè)計圖與這基本一致，不再另行說明。 按其接法的不同，發(fā)光二極管可以分為共陽極和共陰極。廣泛應(yīng)用于數(shù)碼管顯示及其它控制領(lǐng)域。 為了提醒用戶，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化，課題中加入蜂鳴器用于溫度報警和故障報警等功能。蜂鳴器的計算類似，也是根據(jù)型號及參數(shù)推算。設(shè)計一個虛擬儀器系統(tǒng)，在硬件平臺確定之后，就可以通過設(shè)計不同的軟件，實現(xiàn)不同的儀器功能。 軟件系統(tǒng)的模塊化設(shè)計原則 為使研制出的軟件具有良好的可靠性、易維護性、易擴充性及易裝卸性，軟件設(shè)計應(yīng)遵循規(guī)范化的模塊化設(shè)計原則 [13]。 2）根據(jù)邏輯功能劃分物理模塊 ① 模塊的分解：消除重復(fù)的功能部分，使得模塊的塊內(nèi)聯(lián)系較高，塊間聯(lián)系較低。 4）依據(jù)邏輯功能確定模塊之間的調(diào)用關(guān)系 模塊之間的調(diào)用與被調(diào)用，決定于模塊各自的邏輯功能，因而對模塊的扇入扇出并無加以限制的必要。 6）模塊應(yīng)保持單入口性質(zhì) 單入口模塊，易于理解。這樣在擴展時，除增加 C 外，尚須修改 A，這種修改可能是困難的。 圖 3. 2 基于虛擬儀器的液位控制系統(tǒng)功能模塊圖 系統(tǒng)各模塊應(yīng)用程序 系統(tǒng)前面板 數(shù)據(jù)采集與顯示程序 在這部分中，主要的模擬數(shù)據(jù)的采集以及實時顯示，具體程序見圖 。 下限 控件選板 新式 數(shù)值 數(shù)值顯示控件 。 函數(shù)選板 編程 定時 等待（毫秒） 。 創(chuàng)建以時間命名的 excel 表格 函數(shù)選板 編程 定時 獲取日期 /時間（秒） 。 函數(shù)選板 編程 文件 I/O文件常量 當前 VI 路徑 。 控件選板 新式 圖形 波形圖 。 下限 控件選板 新式 數(shù)值 數(shù)值顯示控件 。 圖 4. 1 系統(tǒng)監(jiān)控界面 實驗步驟 及其調(diào)試結(jié)果 根據(jù)本設(shè)計要求，在實驗設(shè)備上連線，按要求組成單回路水箱液位控制系統(tǒng)。 ，關(guān)閉電源，拆掉連線，整理實驗設(shè)備。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果如圖 4. 2 所示，由圖可知，系統(tǒng)很好的實現(xiàn)了控制功能，經(jīng)過一段時間的波動，也為最終穩(wěn)定在100mm 處，閥門開度最終穩(wěn)定在 2