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课程设计

基于LabVIEW的库房温湿度监测系统的设计

一、研究目的和意义

1.1设计背景

库房是存放物品的重要地点，环境因素对库房物品影响非常大，在高温与高湿的环境下，库房容易滋生霉菌，害虫等[3]，使得物品寿命减短，损坏严重。

因此科学的监测调节库房温湿度，加强对库房的监测，保护库房物品是一项有重要意义的工作。

我国的大部分地区一年中有很长一段时间的高温高湿气候，适合细菌生长繁殖，对库房物品的保管非常不利，库房中的物品会受到外界空气温湿度变化的影响，会使库房物品发生变质，腐化，失效等问题[3]，在有些地区，夏季库外最高温度可达40度，相对湿度达80%以上，即使在密闭的条件下，库房内温度仍然达到30度以上，而在库房管理中，30度及视为高温，相对湿度达到70%即为高湿。

目前，各库房普遍采取密闭、通风与吸潮相结合的手段控制和调节库房温湿度。

但这种方法需要依靠大量人力资源，控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。

即使有些用户采用半导体二极管作为温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。

由于温度过高或过低引起的库存品失效或由于环境湿度过高而引起的事故时有发生，甚至危及到人员的安全。

所以实施对温湿度的监控十分重要，同时有利于促进企业管理建设与高新科技的结合，把企业库房监测等监控管理行业发展成为功能丰富多彩的数字家园。

对库房温湿度监测系统除了应用于库房还可以应用于其他行业。

例如像纺织工艺对温湿度有严格要求，纺织厂空调系统的可靠性和安全性直接影响正常生产和经济效益。

目前纺织厂大部分空调系统控制方式落后、操作不方便。

而且空调系统能耗大、机器受损严重、运行成本较高。

因此，设计一个操作方便、功能完善、工作可靠的温湿度监测系统，对提高设备的工作效率、降低事故率有积极作用。

本设计即以上述问题为出发点，设计了温度、湿度的监测系统，该系统不仅能实时的采集各抽样点的温度值与湿度值，而且能迅速处理，友好的将数据结果显示给用户。

1.2传统的温湿度监测方法

最早的库房温湿度监测采用人工的方式，每天读取库房的温度计和湿度计，这种方式不仅效率低，劳动时间长，而且会由于抽样的不具代表性使得监测结果失去意义。

随着传感器技术和测量测试技术的发展，为了更好地了解特殊要求库房的温湿度变化规律，传统的测试装置已经不能适应高标准的需要，需要研发新的监测装置，计算机技术的发展，出现了以计算机为核心的新一代仪器—虚拟仪器。

由美国NI公司推出的虚拟仪器开发平台软件LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境的简称，具有简洁图形化编程环境和强大的功能。

它广泛应用于数据采集与控制、信号处理、数据显示、数据分析等领域。

采用虚拟仪器技术，有以下优点：

（1）突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制；

（2）利用计算机丰富的软件资源，增加了系统灵活性；（3）通过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对测试数据进行各种分析和处理，通过图形用户界面（GUI）技术，真正做到界面友好，人机交互。

虚拟仪器利用通用的硬件平台（计算机、数据采集卡等）结合专用的硬件（如传感器、调理电路）实现数据的采集，再用相应的仪器功能软件对数据进行处理，实现传统仪器的功能，而且只要改变软件中的参数就能实现不同仪器的功能。

同时界面友好，可视化软件LabVIEW工具，更是向着效率高、功能强大的方向努力。

二、系统总体方案设计

2.1设计方案的选择

库房温湿度控制在国内外设计比较多，很多都是直接采用单片机进行设计的，所有的数据处理都是有单片机来处理，这样就会增加单片机的负担。

本次的设计是基于LabVIEW来进行设计的，将检测的数据送到上位机LabVIEW进行数据处理，这样就会减少单片机的处理数据的负担，而且在LabVIEW的图形界面可以看的很清楚，数据的变化过程，比较方便。

而且设计起来比较方便，因为LabVIEW都是图形化的程序，设计程序的时候比较直观，而且易懂，设计起来比较容易，在它的前面板上就直接可以看到数据的变化过程。

2.2设计方案

该系统整体上分为三大部分：

一部分为基本的硬件电路；二是检测部分电路；三是上位机现场数据处理和管理。

本文主要介绍第三部分。

在库房的关键部分设置温度传感器（DSl8B20）湿度传感器（HSll01），利用Dsllas公司的单总线协议和单线检测信号将温湿度的值送到单片机进行相应的处理，然后经过串口通信，将温湿度的检测值经过RS-232送到计算机上，然后经过DAQ数据采集将数据送到LabVIEW，LabVIEW将数据送到数据处理程序进行数据的处理，然后将数据送到报警程序与设定值进行比较，在设定值之间将在LabVIEW前面显示工作正常。

如果工作不再设定值之内，将会产生报警，在前面板将会有报警信号提示，同时在下位机将会有报警信号，同时将驱动相应的电路控制风扇和加热器工作，使库房的温湿度能够工作在我们设定的理想状态。

2.3设计的实现的任务与目标

设计的任务主要实现库房温湿度的测量与控制。

数据采集模块利用单片机实现温度实时采集、湿度实时采集、电路状态信号采集及数据预处理；数据传输模块将检测信号传输到计算机；计算机I/O接口为计算机与外部数据连接的硬件支持。

当数据进入计算机后，在LabVIEW平台上，经数据处理子程序、温湿度控制子程序输出系统控制信号，并通过计算机I/O接口输出；输出信号驱动相应的驱动电路，分别控制加热电路及风扇电路，实现对库房温、湿度的实时监测及控制;程序实时监测系统状态;同时在前面板实时显示输出温度、湿度控制曲线。

设计的目标是上位机的监测程序需利用LabVIEW设计，包括温湿度测量数据、曲线实时显示，报警指示，上下限设定、数据分析判断和下位机通信，同时，系统提供历史数据回读、历史数据打印功能，以便用户查看系统的历史状态；单片机部分需要编制测量、数据转换、滤波、标度变换、通信、显示、报警、控制等程序。

三、上位机程序设计

3.1设计思路

上位机的程序设计主要接受来自下位机的温湿度的数据，然后将温湿度数据送到数据处理子程序进行数据的处理，然后把处理后的数据送到报警子程序，与设定的上下限进行比较，如果工作早设定的区间就显示正常工作，如果不在设定的区间就提示工作不正常，由于要有历史数据的存储，所以应当设计数据存储子程序，这次设计的LabVIEW存储子程序，当有数据送到上位机时，会自动生成报表形式的历史数据,以便历史回读。

其设计流程图如下图3-1所示。

图3-1上位机LabVIEW程序设计流程图

3.2温湿度平均值的计算

在库房中，经常需要知道所测温度的平均值及实时温度与平均值之间的偏差以便更好的控制温度，从而使它能够更好的影响产品的数量与质量。

而在统计学中，取平均是最常用的改进期望值的标准技术。

有两种取平均值的方法：

1.RMS平均或称“功率平均”，即均方根值平均[6]。

它是将所有采集到的数据值平方之后相加，然后除以数据个数，再取该平均值的平方根，其数学表达式如式下所示：

式中：

N为数据个数，xi为各次数据值。

2.叠加平均，它可用来改善叠加的信噪比。

它对一点数据连续采用多次，然后计算其平均值，以平均值作为该点的采样结果。

对温度数据的处理用算术平均值的方法，将采集到的数据用软件的方法来实现。

其程序框图如图3-2所示。

图3-2平均值VI

3.LabVIEW实现数据收发的程序[15]

在LabVIEW中，实现数据的收发，其程序前面板与后面板如图3-3和图3-4所示。

图3-3程序后面板

图3-4程序前面板

3.3LabVEW温湿度报警模块程序

在LabVIEW中，温湿度当高于或者低于上限或者下限的时候都要发出警报，下位机的电路就要产生进行相应的控制。

其报警模块程序后面板如图3-5所示。

图3-5程序前面板图

3.4LabVIEW中温湿度滤波程序

由于有下位机传输到上位机的数据时，避免不了要产生杂波信号，这样会干扰上位机对温湿度的判断这样，就会就会造成温湿度的报警不是很准确，对库房的温度控制不准确，造成不必要的损失，所以要数据传输到上位机的时候要将这些杂波信号经过滤波电路过滤掉，这样就会可以对温湿度进行实时的控制和检测。

在LabVIEW中，实现温湿度数据的滤波电路，其温湿度滤波程序[4]前面板如图3-6所示。

图3-6程序前面板图

3.5上位机整体程序

上位机的整体程序如图3-7和图3-8所示。

图3-7上位机主程序前面板

图3-8上位机主程序后面板

四、系统的仿真与调试

4.1系统调试

整个温度测控系统的主界面只有一个屏，它充分利用了计算机在运算、显示、存储、回放、调用等方面的功能构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分结合PC机优点的全新仪器系统。

其中仪器的按键功能和面板、控件都是由软件形成的，因此整个温度测控系统的监控界面就是一个典型的虚拟仪器。

它可以实现对温度数据的实时采集与显示，温度报警系统的建立、温度概率分布的显示、温度平均值的计算等。

因为该测控系统的数据需要进行保存，而且事后还需要进行分析以确定温度数据对整个系统的影响，所以需要用数据库的形式来存储温度数据。

由于条件与时间限制，本次设计所以调试都是在模拟的条件下进行的，通过产生随机温度可以很直观的看到整个温度数据分布的情况。

使用这一个界面就能很好的实现整个测控系统的功能。

可以看出LabVIEW强大的数据处理功能。

4.1.1温湿度报警调试

利用随机数产生一个1-50随机温度和随机湿度，测试温湿度报警的程序，测试结果见下图。

图4-1温度报警后面板

图4-2温湿度报警前面板

图4-3温湿度报警前面板

根据测试，系统可以正确的判断温湿度，并实施报警。

此部分程序符合设计要求。

4.1.2温湿度波形调试

依然采用随机数的原理产生一个20-35的温度，进行模拟测试。

测试结果见下图。

图4-4随机温度的产生程序

图4-5随机温度的变化波形

利用随机数产生一个40-60的湿度，进行调试

图4-6随机湿度的产生程序

图4-7湿度的变化波形

图4-8温湿度的变化波形图

4.1.3温度滤波测试

温度测试也是采用产生的模拟温度进行测试。

测试结果见下图。

图4-9温度滤波电路程序框图

图4-10温度滤波前面板

4.2系统演示

将上位机和下位机连接好以后，进行温湿度的检测和处理，上位机前面板显示数据如图4-11所示。

图4-11上位机前面板

报表生成格式如下图4-12所示。

图4-12报表格式

生成报表如图4-13所示。

图4-13生成报表

总结

本次设计经过多次的修改，能够基本实现设计的功能，在这次毕业设计中，我深深感觉到了自己基本知识的不足，以及自己没有深入课题的实际调查和研究，由于时间和实际的条件限制，通过模拟测试，各项指标基本达到了设计的要求，实现了温湿度的采集与报警，温湿度的波形显示与滤波。

而温湿度的数据采集比较准确，系统工作良好，各部分都已经过测试，设计基本达到预期的目标，但是由于条件有限，并没有进行现实条件下的测试，所以现实条件下的测试还有待于进一步的论证。

本次设计基本可以达到所有要求，但还是存在一些缺陷，由于上下位机采用的是串口通讯方式，温度传感器DS18B20和湿度传感器HS1101采集的数据要实时的传送到上位机，让上位机的程序进行实时的处理数据，因此上位机处理的信号就不能将上位机的控制信号发送到下位机进行对风扇和加热器的控制了，否则由于只有一个串口，所以需要分时序进行数据的传输，这样温湿度的数据传输就有间隔了，就达不到实时控制的要求，为了解决这一个问题，将对风扇和加热器的控制改为对用单片机进行控制，这样就不会出现冲突，控制的也会比较准确。

同时风扇和加热器对于温度与湿度的调节作用不强，所以将改用空调与加湿器进行调节温湿度。

参考文献：

[1]赵会兵.虚拟仪器技术规范与系统集成[M].北京：

清华大学出版社.2003

[2]强锋.库房防潮与除湿[M].北京：

高等教育出版社.1991

[3]杨乐平，李海涛，肖相生.LABVIEW程序设计与应用[M].北京：

电子工业出版社．2004

[4]张重雄.虚拟仪器技术分析与设计[M].北京：

电子工业出版社.2007

[5]詹惠琴.虚拟仪器设计[M].北京：

高等教育出版社.2007

[6]张凯.LabVIEW虚拟仪器工程开发与设计[M].北京：

国防工业出版社.2004

[7]杨乐平.LabVIEW程序设计与应用[M].北京：

电子工业出版社.2001

[8]刘其和，李云明.虚拟仪器程序设计与应用[M].北京：

化学工业出版社.2011

[9]杨运强，测试技术与虚拟仪器[M].北京：

机械工业出版社.2010

[10]赵国忠，陶宁.虚拟仪器设计实训入门[M].北京：

国防工业出版社.2008