【正文】 計，信號調(diào)理電路的設(shè)計，數(shù)據(jù)傳輸電路的設(shè)計以及系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計。本設(shè)計采用 Dallas公司 1Wire系列數(shù)字傳感器 DSl8B20測溫。 數(shù)字式溫度傳感器簡介 DSl8B20 的總體特點 DSl8B20 具有節(jié)省 I／ 0 口線資源，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等諸多優(yōu)點?！?；增量值最小可為 0． 0625℃。 硬件配置 DSl8B20 的單總線 端口為漏極開路，其內(nèi)部等效電路如圖所示。如果總線保持低電平的時間超過 480 以上的，總線上所有的器件將復(fù)位。訪問 DSl8820 必須嚴(yán)格遵守這一命令序列。當(dāng) DSl8B20 發(fā)出應(yīng)答脈沖時 ，即已處在總線上并且準(zhǔn)備工作。 DSl8B20 的 ROM 如表所示，每個 ROM 命令都是 8 bit 長。 DSl8B20 的功能命令如表所示。該協(xié)議定義了幾種信號類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫 0、寫 讀 0 和讀 1?？偩€上傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)和命令都是以字節(jié)的低位在前。 第三章 系統(tǒng)硬件的設(shè)計 在寫時隙期間，主機(jī)向 DSl8B20 寫入數(shù)據(jù)；而在讀時隙期間，主機(jī)讀入來自DSl8B20 的數(shù)據(jù)。讀 /寫時隙如圖所示。采用此種方式能增強(qiáng) DSl8B20 的抗干擾能力，保證工作的穩(wěn)定性。處理器向 其發(fā)出 Convert T[44h]命令，啟動溫度測量和模數(shù)轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換完成后， DSl8820 回到空閑狀態(tài)。處理器發(fā)出讀溫度命令，在讀時隙讀出系統(tǒng)溫度，實現(xiàn)對溫度的測量。 濕度監(jiān)測電路的設(shè)計 根據(jù)館藏室的濕度控制范圍和測量精度的要求，濕度信號使用具有無需校準(zhǔn)的完全互換性、高可靠性、長期穩(wěn)定性、響應(yīng)時間快特性的 HSll01 電容傳感器構(gòu)成的頻率輸出電路進(jìn)行測量。 ％ RH；穩(wěn)定期 ％RH/yr；響應(yīng)時間 10s(33％～ 76％ RH，流速 1m/Sec)；線性度177。其工作的溫、濕度范圍如圖所示。 第三章 系統(tǒng)硬件的設(shè)計 HS1101 測量濕度 HS1101 電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。本系統(tǒng)采用 555 定時器搭建頻率發(fā)生電路。 第三章 系統(tǒng)硬件的設(shè)計 HS1101 搭建頻率發(fā)生電路來測量系 統(tǒng)濕度，濕度與頻率的典型值如表所示。 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計 系統(tǒng)使用 DSl8820 進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)速度 1Wire 通信所需的精確 l u s 延時；通信過程不能被中斷。 即采用串行通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。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。銅或鋁為屏蔽層的屏蔽電纜能抑制高頻電磁場干擾，屏蔽層接地后還可以抑制變化的電場對芯線的靜電感應(yīng)。因為負(fù)邏輯方式是具有較強(qiáng)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(jī)接口電路中經(jīng)常采用這種方式。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 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。這是一個功能強(qiáng)大且靈活的軟件。 圖形化的程序語言，又稱為“ G”語言。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此， LabVIEW 是一個面向最終用戶的工具。使用它進(jìn)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。像許多重要的軟件一樣， LabVIEW 提供了 Windows、 UNIX、 Linux、 Macintosh 的多種版本。所有的 VI 都包括前面板（ Front panel）、框圖（ Block diagram）及圖標(biāo)和連接器窗格（ Icon and connector pane） 3 部分。虛擬儀器的交互式用戶接口被稱為前面板，它模仿了實際儀器的面板。前面板通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)，通過鼠標(biāo)控制按鈕，可在計算機(jī)屏幕上 觀看結(jié)果。流程圖編輯窗口主要完成圖形化編程，即選用工具模板中相應(yīng)的工具去取用功能模板上的有關(guān)圖標(biāo)來設(shè)計、制作虛擬儀器流程圖以完成虛擬儀器的設(shè)計工作。圖標(biāo)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）。工具模板提供用于圖形操作的各種工具，諸如移動，選取，設(shè)置卷標(biāo)、斷點，文字輸入等。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。 系統(tǒng)用戶登陸界面 為了保證溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)不被他人誤用而造成不必要的損失，確保專門人員對本系統(tǒng)的使用，本文設(shè)計了用 戶注冊與登錄系統(tǒng)。登錄系統(tǒng)用戶界面如圖 所示。 在用戶名和密碼不為空的情況下，將注冊信息寫入配置文件中，完成注冊后會彈出“注冊成功”對話框。 系統(tǒng)自檢 為了確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及系統(tǒng)的正常工作，在系統(tǒng)運行之前先 進(jìn)行自檢操作。從而避免由于系統(tǒng)本身故障造成的對監(jiān)測結(jié)果的干擾。 第四章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 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。下面分別進(jìn)行介紹。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(jìn)行相應(yīng)的運算處理。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，防止個別傳感器硬件故障的影響，設(shè)計采用了數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)處理方式。 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(jìn)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(jìn)行平均，平均值即為系統(tǒng)操作數(shù)。 館藏室溫度測量數(shù)據(jù)融合的目的是依據(jù)有限的傳感器資源，消除測量中的不確定性，獲得比有限個傳感器測量信息的算術(shù)平均值更準(zhǔn)確、更可靠的測量結(jié)果。 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。 的值越小，表示 i、 j兩個傳感器的觀測值越接近，否則偏差就越大。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。 溫度數(shù)據(jù)的顯示與報警 為了讓用戶更直觀的觀測溫度值以及它的變化，本設(shè)計采用了數(shù)值顯示、波形圖表顯示和溫度計顯示三種顯示方式。顯示界面如圖 所示。下面分別進(jìn)行介紹 . 濕度數(shù)據(jù)的處理 （ 1） 濕度數(shù)據(jù)還原 根據(jù)圖 CHR01 濕度傳感器測量電路，利用模擬電子線路的知識可以得到輸出電壓與濕敏電阻電阻值的關(guān)系式如下 : ref4 UURR ???濕濕R （ 46） )1(U76RRUo ??? ? （ 47） 其中， 為振蕩電路輸出電壓， 為放大電路正相端電壓， 為電路輸出電壓，為濕敏電阻當(dāng)前電阻值。運算公式如圖 所示。 第四章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 濕度數(shù)據(jù)的顯示與報警 為了使用戶更直觀準(zhǔn)確的對館藏室當(dāng)前濕度值進(jìn)行觀察監(jiān)測，設(shè)計采用了多種數(shù)據(jù)顯示方式，如數(shù)值顯示，波形顯示等，來對測得的濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。 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(yīng)用場所的需要，具有方便靈活與成本低廉的特點。 數(shù)據(jù)記錄 系統(tǒng)設(shè)計使用 Excel 表格的文件格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄。 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(jìn)行回讀。 第 四章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 圖 歷史數(shù)據(jù)回讀窗口 第五章 總結(jié)與展望 第五章 總結(jié)與展望 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測館藏室溫濕度的方法浪費了大量的人才資源，而且精確度較低，難以適應(yīng)館藏室溫濕度監(jiān)測的要求。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)。介紹了虛擬儀器技術(shù)工作原理及特點。 3）第三章介紹了硬件電路部分的設(shè)計。了解了 MF52 型溫度傳感器以及 CHR型濕度傳感器的工作原理和應(yīng)用開發(fā)。并通過硬件調(diào)理電路的設(shè)計調(diào)試，實現(xiàn)了外圍電路與 PC 機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，解決了軟件與硬件結(jié)合的問題。這是本次設(shè)計的創(chuàng)新之處。在數(shù)據(jù)處理階段，使用了數(shù)據(jù)濾波及多傳感器數(shù)據(jù)融合的方法，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的精確度。開發(fā)的虛擬儀器面板使得館藏室溫濕度的顯示及相關(guān)的報警更加直觀實用。 文章的創(chuàng)新點：館藏室溫濕度測控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用將大大克服了傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、軟件編程麻煩等缺點。 然而，本文只是初步的設(shè)計了館藏室溫濕度的監(jiān)測系 統(tǒng)并進(jìn)行了簡單的實驗仿真，研究還不全面，還有很多值得探討的問題，具體來講還有以下工作可以做： 1）在自動監(jiān)測的基礎(chǔ)上，通過使用 PID 控制方法或溫濕度解耦控制方法等，實現(xiàn)館藏室溫濕度的自我調(diào)節(jié)控制。 參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn) [1] 劉君華 ,郭會軍 ,趙向陽等 .基于 LabVIEW 的虛擬儀器設(shè)計 [M].北京 :電子工業(yè)出版社 . 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