1、中 文 摘 要I本科毕业论文（20 届）基于 LabVIEW 的液位测试处理系统设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 中 文 摘 要II摘 要虚拟仪器技术是当代计算机系统和仪器系统相结合的产物，是计算机辅助测试领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化、智能化、模块化、网络化的方向发展。虚拟仪器系统利用了计算机系统的强大功能，极大的突破了传统仪器在数据采集、处理、显示、存储等方面的限制，用户可以自由定义，自由组合计算机平台、 硬件、软件以及完成系统功能所需的附件，可以方便的对其进行维护、扩展、升级， “Soft is Instruments (软
2、件就是仪器)的观念正逐步被人们接受。因此，虚拟仪器 VI（Visual Instrument）正在成为当今世界流行的一种仪器构成方案，它把计算机平台与具有标准接口的硬件模块及开发测试软件结合起来构成系统。本课题主要内容是研制以 LabVIEW 为主控制平台，以单片机为控制的智能实时液位检测处理系统。该系统具有数据实时采集、采集数据实时显示、存储、并通过数据采集卡输出控制信号对液位信号实时控制等功能。本设计是虚拟仪器在测控领域的一次成功尝试。实践证明虚拟仪器是一种优秀的解决方案，能够高效的实现各种测控任务。关键字：虚拟仪器，液位控制，LabVIEWAbstractIIIAbstractVrtua
3、l instrument technology is now the computer system and instrumentation system combining the product of todays computer-aided testing is an important technology area. It advances towards the traditional digital instrumentation, intelligent, modular, network-based direction.Nowadays the Visual Instrum
4、ent (VI) is becoming a popular scheme of instruments constitution. It combines the computer platform with standard interface hardware modules and develops testing software to form a system. Utilizing the powerful function of computer system, the visual instrument system has dramatically broken throu
5、gh the limitation of traditional instruments in data acquisition, processing, displaying, storage, etc. The user can not only freely define and combine the computer platform, hardware, software and the required accessories to complete system functions, but also make maintenance, expansion and upgrad
6、ing. Therefore people gradually accept the conception that software is the instrument.The main topic is to develop a control platform based on LabVIEW, and also a Intelligent real-time microcontroller for the control of liquid level detection processing system. This system has the functions of real-
7、time data acquisition, real-time data displaying . Besides, it can output the control signal through the data-acquisition card to a real-time control of the liquid level, etc.This design is a successful attempt of the visual instruments in the testing and controlling field. Practice proves that the
8、Visual Instrument is an excellent solution to efficiently fulfill various testing and controlling tasks.KEY WORDS: Visual instrument , Liquid-level control , LabVIEW 目 录IV目 录摘 要 .IABSTRACT .II目 录 .III第一章 绪 论 .11.1 引言 .11.2 课题背景 .11.2.1 虚拟仪器技术的国外发展现状 .11.2.2 国内虚拟仪器的研究现状 .21.3 虚拟仪器的开发软件 .51.3.1 虚拟仪器语言
9、的开发 .51.3.2 图形化虚拟仪器开发平台LABVIEW .51.3.3 基于 LABVIEW 平台的虚拟仪器程序设计 .51.4 本设计所做的工作 .6第二章 系统设计理论及硬件平台 .72.1 硬件设计总体思路 .72.2 物理结的设计 .82.2.1 液位计的分类 .82.2.2 机械结构设计 .82.3 硬件结构设计 .92.4 数据采集单元的设计 .102.4.1 光电编码器的介绍 .102.4.2 MAX485 与 MAX491 的介绍 .122.5 键盘以及复位电路的设计 .16目 录V2.5.1 键盘电路的设计 .162.5.2 复位电路的设计 .162.6 显示控制的设计
10、 .172.7 电源整流电路 .202.8 微处理器的选取 .202.9 整体电路图设计 .20第三章 LABVIEW 平台的液位系统设计 .213.1 程序模块化设计概述 .213.1.1 软件系统的模块化设计原则 .213.1.2 本设计的软件系统模块划分 .223.2 系统各模块应用程序 .223.2.1 数据采集与显示程序 .233.2.2 数据保存程序 .243.2.3 历史数据读取程序 .253.2.4 报警模块 .263.2.5 参数设置模块 .26第四章 系统软件的具体实现 .284.1 系统监控界面 .284.2 实验步骤及其调试结果 .284.3 历史数据读取 .29总 结
11、 .30参 考 文 献 .31致 谢 .32第一章 绪 论- 1 -第一章 绪 论1.1 引言在人们生产生活的过程中越来越多的涉及到液位控制和处理的问题。比如，在饮品生产、食品加工、化工生产、污水净化等各个领域，都会使用蓄液池，而对于蓄液池内液体的高度控制要求也越来越精准。水量过多会导致不必要的浪费，水量过少达不到标准而无法满足要求，在很多情况下，即使是很小的测量相对误差也会造成较大的经济损失。因此，为了保证生产的效益和产品质量，必须要有合适的控制器自动调节蓄液池内液体的流量，使液位保持在正常水平。这些不同背景的实际问题我们都可以把他们简化为某种水箱的液位控制和处理问题。在工业控制过程中，液位
12、是一个很重要的参数。特别是在动态的状态下，采用合适的方法对液位进行检测与控制，能起到很好的生产效果。当今仪器实验室与测控技术设备共有 5 套液位测试处理实验装置，所有的液位控制装置都是由传统模拟仪表来控制的。然而只有把实验设备改为利用计算机来进行液位处理，才能进一步的对研究性实验进行探索。虚拟仪器VI（ Visual Instrument）作为一种能够把标准接口的硬件模块、计算机平台以及开发测试的软件结合起来形成的系统，在世界范围内起着越来越重要的作用。特别是在工业生产中，对液位的检测。液位作为控制系统中一个十分重要的参数，在生产工程中必须对他进行实时的监控。以前采用的方法是人工分班进行定时的
13、液位监测，通过液位计测指示值与规定液位数值作差，控制阀门的开关。但是这样会产生误读和误记的情况，而且由于缺乏实时性，不能够对突发情况进行良好的处理。所以, 本毕业设计要设计一套实时、自动的液位控制监控系统，并充分引入虚拟仪器的概念, 使所设计的监控系统结构清晰、概念简单。第一章 绪 论- 2 -1.2 课题背景1.2.1 虚拟仪器技术的国外发展现状在国外，虚拟仪器技术飞速发展，美国国家仪器公司（NI 公司）等厂商不断的在市场上推出了很多实用便捷的商品化仪器产品，这些产品都是以虚拟仪器技术为基础的。在美国，很多学校都已开设虚拟仪器系统及其图形编程语言的相关课程。美国的哈佛大学、麻省理工大学等高校
14、很多专业都要求学生能够熟练地运用虚拟仪器进行检测和控制。近年来，为了使用户能够操作交互性较强的开发平台软件实现自己的虚拟仪器或检测控制系统，各国许多虚拟仪器公司研发了大量的基于虚拟仪器的开发平台软件。其中，美国国家仪器公司的 Lab windows/CVI 软件以及 LabVIEW开发软件是应用最为广泛，影响力最大的开发平台。Lab windows/CVI 应用于windows 系统中的标准 ANSI C 研发平台，并且由于有很多能够运用 C 语言的用户使其具有了广泛的适用群体。LabVIEW 软件采用图形化编程的方法，使操作更为便捷。除了美国国家仪器公司，美国 Hp 公司、 Hem Data
15、 公司、TEK Tromix 公司也先后推出了很多软件，如 Hp Vee 平台软件、Tesk-Tns 软件以及Snap-Master 平台软件都得到了用户的肯定。目前， USB 通用总线、IEEE1394 总线、GPIB 通用总线、RS232 总线、VXI 总线是虚拟仪器开发广泛应用的几种类型。各个大型的公司，比如美国国家仪器公司，开发了很多的软件和符合要求的插件，能够方便的创立复杂程度不一的虚拟仪器测试处理系统，把这些总线与虚拟仪器良好的结合在一起配合使用。1.2.2 国内虚拟仪器的研究现状现在应用较多的虚拟仪器有 VXI.PX，各种计算机通用总线以及各个类型的总线标准的插卡和仪器模块间或有
16、其他总线式的仪器模块，使用时大多是以插入总线机箱里面或插入计算机的主机内的工作方式为主，有一小部分独立通过接口形式和计算机进行连接。它们多以低频和中频范围为主，主要是工程应用型仪器装置。第一章 绪 论- 3 -目前，反映我国虚拟仪器发展的一个重要的因素是 VXI 总线技术，随着网络的发展，使得数据共享有了质的提高，极大地发展了计算机远程技术和网络技术以及虚拟仪器技术，传统的技术都不能够实现这些。虚拟仪器充分的发挥了网络的优势，能够及时准确的把测量检测的数据实时传送到网络上面。中国科技大学、上海复旦大学、北京交通大学、河北工业大学、华中科技大学、清华大学等高校的实验室都先后的引入了虚拟仪器设备。
17、与此同时，这些高校积极进行研究开发，利用现有的条件，开发出了更加实用、更加便捷的虚拟仪器系统。比如，华中科技大学电气学院自动化研究实验室把研发成果公布在网络上进行展览。河北工业大学的教师利用虚拟仪器系统，开发了“工业电台三线综合检测控制仪”将 9 台设备合并成一台，形成了一个具有庞大功能的虚拟仪器系统，操作更加的灵活方便。虚拟仪器也被清华大学良好的运用，针对汽车发动机出厂检查开发出了实用性发动机检测系统。能够准确测试出发动机的负荷特性、功率等是否符合标准，并且出具一份完整的测试评估报告。根据估计，我国将会出现更多的工厂会重视使用虚拟仪器实时监测生产装置的运行状况。在很短的时间内，我国的工业设备
18、中将有一半变为虚拟仪器设备。虚拟仪器将会随着 PC 机的前进，慢慢替代传统测试仪和人工测试而成为测试仪器的最重要的分支。虚拟仪器概念的提出和实现，预示着在这本世纪自动监测和电子监测控制仪器将不断的向着虚拟仪器的趋势不断前进。虚拟仪器是通信、微型计算机、互联网等现代科学技术高速发展的产物。自从十八世纪七十年代年静电扭秤备库伦发明出来，十九世纪静电电表结构由哈里斯提出以来，电子测量以及电子仪器相关技术不断的进步，各种仪器设备的质量不断的提升，还有检测方法理论飞速的发展。人们通常习惯把测量仪器的发展分为五个时间段，如图 1-1 所示。模拟仪器 虚拟仪器智能仪器数字仪器电子仪器1 9 世纪 九十年代七
19、十年代2 0 世纪五十年代图 1-1 测量技术的发展第一章 绪 论- 4 -从 1900 年之后的两个世纪里，测量仪器发展成为了虚拟仪器，它经历了电子仪器、智能仪器、数字仪器、模拟仪器几个发展阶段。模拟设备主要有模拟电压表、电流表，解决一定量的测量需求的仪器。从 1900 年到 1950 年开始，测量仪器的材料性能提高，电子技术、测量理论和控制技术结合起来。经过 50年的发展，录音设备和电子仪器示波器不断出现，晶体管和集成电路及应用电子技术不断发展，数字化技术成功地应用于测量仪器。这是电子控制集成电路和计算机技术开始融入测量仪器的主要特点。在 70 年代初问世的微型计算机技术飞速发展，在测量仪
20、器的影响下，呈现出新的生机，同时微处理器取得了质的提高。伴随着计算机科技、微电子科技、互联网技术的飞速发展，电气和电子仪器测量技术的应用也不断进步，智能工具仪器开始出现。智能仪器是内置于仪器中，微电脑智能控制、记忆、计算、逻辑判断和自主性操作这些特性不断提高，测量准确度，可靠性、灵活性、自动化程度加大，使用和解决测量技术能力问题的横向、纵向双方面都取得重大进展。这个内置的微处理器设备，自动化测试和数据处理完成后，可替代的一部分的精神劳动。微计算机技术，智能仪表智力能性能伴随着电子信息技术和互联网的发展，水平不断提高。总线仪器和系统的诞生能够改变在数字仪表、智能仪表阶段中的特点，在这个阶段中，本
21、质上并没有淘汰掉传统独立的，手动操作模式，不能做更复杂的、多任务的测量要求。人们创造的 GPIB，CAMAC 和 RS-232 多个智能仪表仪器通信接口总线在一起，形成一个更复杂的测试系统。德伯克是美国西北仪器 CEO 在 1892 年提出了一个计算机化仪器的概念。也就是说，它现在通常被称为卡式仪器。虚拟仪器的的原型就是卡仪器虚拟仪器，在传统的单机仪器收集在一起的仪器功能卡接口部分测量电路的功能卡，该仪器插入到计算机的内部插槽或外部插件。 PC 总线仪表系统是一种卡式设备，它是使用 PC 里面的总线，块仪器卡插入电脑，形成内部或外部扩展机箱。 ，通过 GPIB 接口总线、Rs-232 或以太网
22、等进行 PC 机间与插卡总线机箱的联系。各大厂家纷纷对卡式仪器进行提升和改进，这就使得在市场上没有统一的标准，很多设备的兼容性很差。为了顺应市场的要求，美国惠普等五家公司一第一章 绪 论- 5 -同提出了一个统一的标准，定义了 PIX 总线。后来又经过美国国家仪器公司的完善与发展，在十九世纪末，虚拟仪器测试平台因其操作简单、成本低廉、携带便捷等优势为人么所普遍接受。后来又经过不断的完善，虚拟仪器的系统开发功能更加强大，开发周期不断缩短，成本费用更低，准确性、灵敏度不断提高。利用这些操作平台能够让用户根据自己的需求，简便灵活的进行仪器设计，可以自己定义所需的仪器来满足各种各样不同的要求。虚拟仪器
23、的问世和不断发展不仅为数据采集系统的发展指明了新的方向，而且也克服了很多传统数据采集系统的缺点和弊端，可以对实验数据进行实时的监控、检测、处理和记录。它的产生是仪器发展史上的一次革命，一个里程碑，它将为信息技术的发展奠定一个良好的基础，为仪器采集的发展指明了一条光明的康庄大道。1.3 虚拟仪器的开发软件1.3.1 虚拟仪器语言的开发目前仪器系统开发的方式主要有两种形式，一种是程序语言编程，另一种是图形化编程。我们熟悉的程序开发语言有标准 C 语言、Visual Basic、Visual C+,但是这几种程序语言要求专业性较强，不利于扩大用户的适用范围，使得仪器系统开发不能够普及。为了顺应市场的要求，美国仪器公司开发了LabVIEW 软件平台，用户可以通过形象的图形化编程的方式，简便灵活的完成自己所需要的系统。与以前的程序语言相比，图形化编程更加易于掌握，风靡整个市场。1.3.2 图形化虚拟仪器开发平台LabVIEW当前，LabVIEW 因为它易于掌握、操作方便、使用便捷等特点，在工业生产、实验室操作、学术研究等各个领域所普及。它内部设置了数量庞大、功能强大的函数库，能够为用户提供更多的程序功能。同时可以满足数据采集卡的功能以及 RS-485 和 RS-232 协议的硬件。使用 LabVIEW 能够使得编程的过程变得更加快捷更加方便。
