虛擬儀器課程設計報告

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 測控系統(tǒng)實踐課程設計目標及實現(xiàn)功能3</p><p>　　1.1課程設計目標3</p><p>　　1.2 系統(tǒng)功能3</p><p>　　第二章 虛擬電子秤的設計基礎4</p><p>　　3.1 虛擬電子秤原理4

2、</p><p>　　3.2 虛擬電子秤硬件設計4</p><p>　　3.2.1系統(tǒng)組成4</p><p>　　3.2.2傳感器原理介紹5</p><p>　　3.2.3數據采集卡原理6</p><p>　　3.2.4信號調理電路原理7</p><p>　　3.3虛擬電子秤的軟件設計

3、9</p><p>　　第三章 虛擬電子秤系統(tǒng)的實現(xiàn)11</p><p>　　3.1 放大電路設計11</p><p>　　3.2程序框圖設計11</p><p>　　3.2.1數據采集模塊11</p><p>　　3.2.2用戶登陸界面設計13</p><p>　　3.2.3保存功

4、能設計14</p><p>　　3.2.4標定15</p><p>　　3.2.5查看歷史記錄16</p><p>　　3.2.6稱重17</p><p>　　第四章 虛擬電子秤系統(tǒng)的實驗18</p><p>　　4.1 系統(tǒng)實驗18</p><p>　　4.1.1實驗系統(tǒng)裝置18

5、</p><p>　　4.1.2測量前的調試18</p><p>　　4.2實驗結果19</p><p><b>　　第五章 結論22</b></p><p>　　5.1 存在的問題22</p><p>　　5.2 改進建議22</p><p><b>

6、　　參考文獻23</b></p><p>　　測控系統(tǒng)實踐課程設計目標及實現(xiàn)功能</p><p><b>　　1.1課程設計目標</b></p><p>　　電子秤的稱重原理是，壓力傳感器將重物的壓力信號轉換秤電壓信號，電壓信號經過前端放大器、濾波器之后，通過數據采集卡采集并轉換成數字信號輸入到計算機里，稱重VI子程序對采集到的信

7、號進行處理，完成電壓——重量的量程變換，最終在顯示控件上將實際重量值顯示出來。具體內容如下：</p><p>　　基于電阻應變片的壓力傳感器設計；</p><p>　　放大電路，濾波電路的設計；</p><p>　　USB9826采集卡的配置、驅動程序的編寫</p><p><b>　　可以現(xiàn)場標定；</b></p

8、><p>　　可以稱量體重并且在LabVIEW界面顯示結果，而且能夠保存結果和時間，以便以后查看；如果稱量物品，可以輸入數量、單價，計算出總金額；</p><p>　　材料承受的重量是有限的，設置一個上限值對電子秤保護，當大于這一設置值時程序彈出對話框進行提示。</p><p><b>　　1.2 系統(tǒng)功能</b></p><p

9、>　　本設計結合傳感器技術、數據采集技術和虛擬儀器技術設計一種基于LabVIEW的智能電子秤,該系統(tǒng)采用普通PC 機為主機，利用圖形化可視測試軟件LabVIEW為軟件開發(fā)平臺,將被測重量轉換處理進行數據采集，實時進行處理、顯示.為了減小誤差，可以現(xiàn)場標定；如果稱量物品，可以輸入數量、單價，計算出總金額;最后，可以設置一個上限值對電子秤進行保護。</p><p>　　虛擬電子秤的設計基礎</p>

10、<p>　　3.1 虛擬電子秤原理</p><p>　　電子秤的稱重原理是，重物放在稱重托盤上，壓力傳感器將重物的壓力信號轉換秤電壓信號，電壓信號經過前端放大器、濾波器之后，通過NI數據采集卡采集并轉換成數字信號輸入到計算機里，稱重VI子程序對采集到的信號進行處理，完成電壓——重量的量程變換，最終在顯示控件上將實際重量值顯示出來。電壓——重量的變換關系可用下式表示：</p><p&

11、gt;<b>　　其中：</b></p><p>　　y表示物品重量，x表示采集到的壓力信號</p><p>　　關系式中的a和b可通過標定VI子程序確定，其方法是將采集到的壓力信號值和相應的實際重量值通過線性擬合，求出a、b。</p><p>　　3.2 虛擬電子秤硬件設計</p><p><b>　　3.2

12、.1系統(tǒng)組成</b></p><p>　　電子秤的硬件結構包括測量傳感器電路、數據采集和數據處理三部分。</p><p>　　圖3-1為電子秤的硬件結構圖。</p><p>　　圖4-1電子秤硬件結構圖</p><p>　　在測量電路中使用了電阻應變式傳感器，它是將被測量的力，通過它產生的金屬彈性變形轉換成電阻變化的元件。由電阻應

13、變片和測量線路兩部分組成。</p><p>　　電阻應變片也會有誤差，產生的因素很多，所以測量時我們一定要注意，其中溫度的影響最重要，環(huán)境溫度影響電阻值變化的原因主要是：</p><p>　?。?）電阻絲溫度系數引起的。</p><p>　?。?）電阻絲與被測元件材料的線膨脹系數的不同引起的。</p><p>　　測量電路是電子秤設計電路中是

14、一個重要的環(huán)節(jié)，我們在制作的過程中應盡量選擇好元件，調整好測量的范圍的精確度，以避免減小測量數據的誤差。</p><p>　　本次課程設計中，需要一個放大電路，我們將采用三運放大電路，主要的元件就是三運放大器。</p><p>　　3.2.2傳感器原理介紹</p><p>　　傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常有敏感元件和轉

15、換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受被測量的部分，轉換元件指傳感器中能將敏感元件輸出轉換為適于傳輸和測量的電信號部分。</p><p>　　一般講傳感器由敏感原件和轉換元件組成。但是由于傳感器輸出信號一般都很微弱，需要有信號調節(jié)與轉換電路將其放大或轉換為容易傳輸、處理、記錄和顯示的形式。隨著半導體器件與集成技術在傳感器中的應用，傳感器的信號調節(jié)與轉換電路可能安裝在傳感器的殼體或與敏感元件一起集成在同一

16、芯片上。因此，信號調節(jié)與轉換電路以及所需電源都應作為傳感器組成的一部分。</p><p>　　力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器等。電阻應變片壓力傳感器是國內外應用較為廣泛的一種，它具有精度高、測量范圍廣、頻響特性好等優(yōu)點。本系統(tǒng)采用的壓力傳感器是電阻應變式傳感器。</p><p>　　1．電阻應變式傳

17、感器</p><p>　　電阻應變式傳感器具有悠久的歷史，是應用最廣泛的傳感器之一。將電阻應變片粘貼到各種彈性敏感元件上，的構成測量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數的電阻應變式傳感器。電阻應變式傳感器由彈性敏感元件與電阻應變片構成。彈性敏感元件在感受被測量時將產生變形，其表面產生應變。而粘貼在彈性敏感元件表面的電阻應變片將隨著彈性敏感元件產生應變，因此電阻應變片的電阻值也產生相應的變化。這樣，通過測量電阻應

18、變片的電阻值變化，就可以確定被測量的大小了。</p><p>　　電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變式將應變或應力轉換為電阻的傳感器，可以用于測量應變、力、壓力、位移、加速度、力矩等參數。具有動態(tài)響應快、測量精度高、使用簡便等優(yōu)點。</p><p>　　根據敏感元件的材料形狀的不同，電阻應變式傳感器的應變片可分為金屬應變片和半導體應變片兩種。金屬應變式有金屬絲式、金屬箔式和金屬薄膜式；半導

19、體應變片有擴散型、體型、和薄膜型。</p><p>　　電阻應變式傳感器主要由電阻應變片和測量電路兩部分組成。</p><p>　　當電阻應變式傳感器在外力作用下產生機械形變時，其電阻值也相應發(fā)生變化，其電阻變化與應變的關系為 ΔR/R=K0ε， 其中K0為靈敏系數由金屬材料決定；ε為應變，當壓力F在一定范圍內時，ε以一個常數正比于F,應變由物體質量產生的荷重而形成,因此可得： m=

20、ɑ×F+b　　(a,b為常數)。</p><p>　　3.2.3數據采集卡原理</p><p>　　數據采集模塊主要作用是采集電信號，并將其傳入計算機中進行處理。在本系統(tǒng)中，采用的是高速USB數據采集卡。數據采集卡中，影響系統(tǒng)的關鍵技術參數有：分辨率和采樣率。</p><p>　　數據采集卡在采集信號的時候，首先將模擬的電信號轉化為數字信號。模數轉換的位數

21、主要分為8、12、14、16位，它決定了模數轉換的量化誤差。因此分辨率能影響壓力精度。本系統(tǒng)采用的數據采集卡為12位，采集范圍為-5~+5V，因此，量化誤差約為±2mV。</p><p>　　數據采集系統(tǒng)框圖如下圖所示：</p><p>　　將得到的電壓送到數據采集卡中進行數據采集，再通過USB線將數據送入計算機，由計算機利用軟件平臺(LabVIEW)進行控制和處理。</p

22、><p>　　數據采集（DAQ）是指從傳感器和其他待測設備等模擬或數字北側單元中自動采集信息的過程。數據采集系統(tǒng)是結合基于計算機的測量軟件硬件產品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。一個完整的DAQ系統(tǒng)包括傳感器或交換器、信號調理設備、數據采集和分析硬件、計算機、驅動程序和應用軟件等。當然，很多設備制造商已經把傳感器、信號調理甚至DAQ卡即成為標準的設備，這種情況下用戶不再需要考慮傳感器、信號調理和DAQ卡，而只需要

23、考慮如何與硬件設備通信以及如何開發(fā)上層應用程序。</p><p>　　3.2.4信號調理電路原理</p><p>　　由于由傳感器得到的信號可能會很微弱，或者含有大量噪聲，或者是非線性的，這種信號在進入采集卡之前必須經過信號調理。信號調理的方法主要包括放大、衰減、隔離、多路復用、濾波、激勵和數字信號調理等。</p><p><b>　　(1)放大</

24、b></p><p>　　放大器提高輸入信號電平以更好的匹配ADC的輸入范圍，從而提高測量精度和靈敏度。此外，使用放置在更近信號源或轉換器的外部信號調理裝置，可以通過在信號被噪聲影響之前提高信號電平來提高測量的信號——噪聲比。</p><p><b>　　(2) 衰減</b></p><p>　　衰減即與放大相反的過程。它在電壓（即將被

25、數字化的）超過數字化儀輸入范圍時是十分必要的。這種形式的信號調理降低了輸入信號的幅度，從而經調理的信號處于ADC范圍內。</p><p><b>　　(3) 隔離 </b></p><p>　　隔離的信號調理設備通過使用變壓器、光或電容性的耦合技術，無須物理連接即可將信號它的源傳輸至測量設備。除了切斷接地回路之外，隔離也阻隔了高電壓浪涌以及較高的共模電壓，從而即保

26、護了操作人員也保護了昂貴的測量設備。</p><p><b>　　(4)濾波 </b></p><p>　　濾波器在一定的頻率范圍內去除不希望的噪聲。幾乎所有的數據采集應用都會受到一定程度的50Hz或60Hz的噪聲（來自于電線或機械設備）。大部分信號調理裝置度包括了為最大程度上抑制50Hz或60Hz噪聲而專門設計的低通濾波器。</p><p&g

27、t;<b>　　(5)激勵 </b></p><p>　　激勵對于一些轉換器時必需的。例如應變計、電熱調節(jié)器和RTD需要外部電壓或電流激勵信號。通常RTD和電熱調節(jié)器測量都是使用一個電流源來完成的，這個電流源將電阻的變化轉換成一個可測量的電壓。應變計是一種超低電阻的設備，通常利用一個電壓激勵來用于惠斯登電橋配置。</p><p><b>　　(6)線性化

28、 </b></p><p>　　許多傳感器感應的電信號和物理量之間并不是呈線性關系，因而需要對其輸出信號進行線性化以補償傳感器帶來的誤差。</p><p><b>　　(7)數字信號調理</b></p><p>　　數字信號在某些情況下也必須經過調理才能進入DAQ卡。譬如，不能將工業(yè)環(huán)境中的數字信號直接接入DAQ卡，接入之前必須經過

29、隔離來防止可能的高壓放電或者經過削減來調整電平以適應DAQ卡的輸入要求。</p><p>　　3.3虛擬電子秤的軟件設計</p><p>　　LabVIEW作為軟件處理核心環(huán)境，其軟件流程圖如下：</p><p>　　圖3-2 電子秤軟件流程圖</p><p>　　LabVIEW虛擬儀器前面板布局圖如上圖所示。當我們編寫一個有多個獨立的子程序

30、時，為方便管理，希望有一個統(tǒng)一的界面，從這個界面進入到每個分立的子程序中去執(zhí)行，一般這種情況可以使用事件結構來實現(xiàn)。</p><p>　　利用事件結構可以實現(xiàn)用一個主程序去控制多個子程序。這種方式對編寫比較繁瑣的應用程序非常有用，它不但可以使界面看上去整潔，而且便于管理和維護。</p><p>　　虛擬電子秤系統(tǒng)的實現(xiàn)</p><p>　　3.1 放大電路設計<

31、;/p><p>　　由于由傳感器得到的信號可能會很微弱，或者含有大量噪聲，或者是非線性的，這種信號在進入采集卡之前必須經過信號調理。信號調理的方法主要包括放大、衰減、隔離、多路復用、濾波、激勵和數字信號調理等。本電路主要由一個差分放大電路和一個同相比例放大電路構成，如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 放大電路</p><p><b>　　3.2

32、程序框圖設計</b></p><p>　　程序框圖相當于程序的源代碼,只有創(chuàng)建了程序框圖后，該程序才能真正運行。本系統(tǒng)采用模塊化設計，所以整個系統(tǒng)軟件層次清晰、易于理解、便于修改、利于開發(fā)新功能。</p><p>　　程序框圖大體分為4個模塊：主控模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、數據輸入模塊及判斷保存功能模塊。數據處理子VI的主要作用是將超過正常范圍的數據用合理的數據代替，最

33、后得出真實值，并與測量值比較，算出誤差。</p><p>　　3.2.1數據采集模塊</p><p>　　數據采集流程圖如圖3-2所示</p><p>　　圖3-2 數據采集流程</p><p>　　源程序如圖3-3所示：</p><p>　　圖3-3 數據采集源程序</p><p>　

34、　3.2.2用戶登陸界面設計</p><p>　　1）用戶初始文件的建立</p><p>　　Labview的數據記錄文件具有較強的功能，并且不能用寫字本打開，因此作為一般的保密級別可以用來存儲初程序運行環(huán)境數據，本文用來存儲登陸系統(tǒng)的用戶數據</p><p>　　圖3-4 用戶初始文件建立的源程序</p><p><b>　　

35、2）登陸界面</b></p><p>　　圖3-5 登陸界面流程圖</p><p>　　圖3-6 登陸界面源程序</p><p>　　3.2.3保存功能設計</p><p>　　判斷保存子VI的主要作用是采集程序運行的當前時間得出的結論，并將這些和實際重量、測量重量、誤差一起寫入文件中。如果輸入誤差大于0.01，則判斷為不

36、符合要求，反之合理。</p><p>　　圖3-7 判斷保存子VI的程序框圖</p><p>　　圖3-8 保存功能的運行結果</p><p><b>　　3.2.4標定</b></p><p>　　標定程序的主要任務是求出物品重量與測量電路輸出電壓的關系，即求出等式中的系數a和b，并將物品重量與測量電路輸出電壓的關

37、系用圖形表示出來，實現(xiàn)這部分功能的程序如下圖所示。</p><p>　　圖3-9 標定過程</p><p>　　圖3-9 標定采集樣本</p><p><b>　　3.2.6稱重</b></p><p>　　將采集到的電壓信號濾波、求平均值之后，根據等式計算出實際重量值，結果可以顯示并保存。如果有系統(tǒng)誤差的話，還可以進

38、行調零。該虛擬電子秤的最大量程為100kg，當物品重量超過100kg時，程序會彈出對話框提示物品超重。其程序如圖3-11所示。</p><p>　　圖3-11 稱重程序框圖</p><p>　　虛擬電子秤系統(tǒng)的實驗</p><p><b>　　4.1 系統(tǒng)實驗</b></p><p>　　根據前幾章的分析，搭建整個實驗

39、系統(tǒng)，編寫LabVIEW軟件。在壓力傳感器上放上不同質量的準確砝碼，觀察實驗結果。</p><p>　　4.1.1實驗系統(tǒng)裝置</p><p>　　整個系統(tǒng)主要實驗儀器：電源、壓力傳感器、放大濾波電路、采集卡等。如圖4.1，即為整個系統(tǒng)的實物圖。</p><p>　　圖4.1 整個系統(tǒng)實物圖</p><p>　　4.1.2測量前的調試&l

40、t;/p><p>　　用采集卡采集數據前，分別對壓力傳感器的輸出信號和放大濾波電路的輸出信號進行測量，觀察是否和理論值相吻合。</p><p>　　第一次測量：讓放大濾波電路輸入端懸空，給741一個12V的偏置電壓，用萬用表測量電路的輸出，發(fā)現(xiàn)輸出7.71V。理論上零輸入應該是零輸出。后來發(fā)現(xiàn)741的第四個引腳偏置電壓接錯了，直接接的地，又仔細看了741的說明使用手冊，發(fā)現(xiàn)4引腳應該接負12V

41、。改正錯誤后，發(fā)現(xiàn)輸出還是7.71V。</p><p>　　第二次測量：讓放大濾波電路輸入端接入傳感器的輸出信號，沒有對傳感器使用力時，傳感器的輸出電壓為3.1mv,理論上應該是有壓力才有輸出信號。放大電路的輸出信號不在是7.71V，而是63.3mv。</p><p><b>　　結論：</b></p><p>　　放大電路的輸入端懸空還是有7

42、.71V電壓輸出的原因是芯片內部有電路構成回路。</p><p>　　沒有對傳感器施加壓力還有信號輸出的原因是，傳感器是電阻應變片組成的橋式電路，通過測量，它的電阻值不是完全對稱，所以造成有信號輸出。</p><p>　　使用芯片時，應該認真讀它的使用手冊了解引腳的具體功能，防止接錯，造成不必要的困擾。</p><p>　　下面是傳感器輸出不同的電壓值對應放大電路輸

43、出的電壓值：</p><p>　　結論：放大電路的輸入和輸出不是嚴格的線性關系，在23.5倍左右波動。</p><p><b>　　4.2實驗結果</b></p><p>　　系統(tǒng)運行結果有下圖可以看出，運行情況良好。</p><p>　　圖4-2 電子秤的標定完成界面</p><p>　　圖4-

44、3 電子秤的設置界面</p><p>　　上圖左邊顯示的是采集到的信號，一次讀取來了4096點，右邊是進行疊加平均去噪后的信號。</p><p>　　圖4-4 電子秤稱重界面</p><p>　　圖4-4 查看歷史稱重記錄</p><p><b>　　結論</b></p><p><b>

45、;　　5.1 存在的問題</b></p><p><b>　　傳感器安裝有待改善</b></p><p>　　軟件部分功能還沒有實現(xiàn)，有待完成</p><p>　　放大電路是拿洞洞板焊的，可以PCB制版</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>

46、;　　書籍：Robert H.Bishop . LabVIEW 8實用教程[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2007.</p><p>　　劉恩博等. 數據采集與串口通信測控應運實戰(zhàn)[M]. 北京：人民郵電出版社, 2010.</p><p>　　章佳榮等.精通LabVIEW虛擬儀器程序設計與案例實現(xiàn)[M].北京：人民郵電出版社, 2013.</p><p>