顏園園　張宏群

摘 要：隨著虛擬儀器的飛速發(fā)展和氣象事業(yè)的自動(dòng)化,將虛擬技術(shù)和氣象要素測量相結(jié)合成為可能。將傳感器測量到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī),再利用虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW進(jìn)行編程,向用戶提供操作界面和顯示界面,實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫度、濕度的數(shù)據(jù)采集、傳送、分析和顯示,并向用戶提供歷史查詢。利用虛擬儀器,用戶還可以根據(jù)自身需求自行改變系統(tǒng)功能,節(jié)省了大量的人力、物力,使測量工作更加方便、快捷。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器;LabVIEW;溫度;濕度

中圖分類號(hào)：TP311.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)01-120-02

System of Temperature and Humidity Measurement Based on LabVIEW

YAN Yuanyuan,ZHANG Hongqun

(College of Electronic & Information Engineering,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing,210044,China)

Abstract：With the rapid development of virtual instruments and meteorological automation,combining virtual technology and meteorological measurement is possible.It can realize the data acquisition of temperature and humidity as well as data transmission,analysis and display,with the development software of virtual instruments-LabVIEW,sensors,data acquisitions and so on,in addition to provide users with historic data inquire.It saves a lot of labor power and material resources so that it makes measurement more convenient and fast.

Keywords：virtual instruments;LabVIEW;temperature;humidity

0 引 言

計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器,是將儀器裝入計(jì)算機(jī),以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托,實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。

虛擬儀器的主要特點(diǎn)有：

盡可能采用通用的硬件,各種儀器的差異主要是軟件;可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力,有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能,可以創(chuàng)造出功能強(qiáng)大的儀器;用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。

隨著氣象事業(yè)的逐步發(fā)展,氣象要素的數(shù)據(jù)測量也步入自動(dòng)化。傳統(tǒng)的氣象要素測量系統(tǒng)體積龐大,所需要的硬件設(shè)備較多,使用時(shí)受人員、地點(diǎn)、空間等諸多因素的影響較大。而且這類測量系統(tǒng)和傳統(tǒng)儀器一樣,功能、作用都由生產(chǎn)商在生產(chǎn)時(shí)定義好,一旦成型,用戶就無法在使用過程中根據(jù)自身的需要對(duì)儀器的功能和作用進(jìn)行重新定義。而如果借助虛擬儀器技術(shù)的易開發(fā)、靈活性強(qiáng)和使用方便等優(yōu)點(diǎn),將其和傳統(tǒng)測量系統(tǒng)結(jié)合起來,就可以利用虛擬儀器技術(shù)并結(jié)合無線數(shù)據(jù)傳輸模塊,來完成氣象要素的數(shù)據(jù)采集和處理功能,還可以根據(jù)用戶自身的需要來對(duì)系統(tǒng)的功能和作用進(jìn)行自我定義和修改,節(jié)省了大量的人力、物力,使得對(duì)于氣象要素的數(shù)據(jù)采集和處理變得更加簡單、方便。

1 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用DAQ(Data Acquisition)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它包括數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件和計(jì)算機(jī)等。

整個(gè)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 溫濕度傳感器

在該系統(tǒng)中,采用了瑞士Sensirion數(shù)字式溫/濕度傳感器SHT75。該傳感器將相對(duì)濕度和溫度測量合二為一,它包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料的溫度敏感元件,這兩個(gè)元件與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)串行接口電路設(shè)計(jì)在一個(gè)芯片中,在使用上更加方便。它的溫度測量范圍為-40~ 120 ℃,在 25 ℃時(shí)精度為0.5 ℃,0~40 ℃時(shí)精度為0.9 ℃,反應(yīng)時(shí)間20 s,分辨率為0.01 ℃。其相對(duì)濕度測量范圍為0~100% RH,精度為±2.0%,反應(yīng)時(shí)間為4 s,分辨率達(dá)到0.03% RH。該傳感器具有反應(yīng)時(shí)間短,極高的可靠性和長期穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)化過程控制、汽車行業(yè)、電力、計(jì)算測量以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

1.2 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡可以輕松地實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)的通信。這里采用美國NI(National Instruments)公司的USB-6210數(shù)據(jù)采集卡。USB不僅是一種非常流行的總線,它還十分易于使用。NI公司的USB數(shù)據(jù)采集卡可以充分利用USB的即插即用功能,從而使其安裝變得極為簡單。

使用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡,大大簡化了安裝和驅(qū)動(dòng),NI公司開發(fā)的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW中含有的數(shù)據(jù)采集助手控件可以提供硬件驅(qū)動(dòng)程序,使得可以輕松、便捷地實(shí)現(xiàn)軟件和硬件的通信。

2 軟件平臺(tái)

實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)功能的軟件也是該系統(tǒng)的核心部分采用NI公司的LabVIEW。

LabVIEW是一種基于圖形化的計(jì)算機(jī)編程語言,其全稱為Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench(實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境),是由美國NI公司創(chuàng)立的功能強(qiáng)大的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)。

傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序的執(zhí)行順序,而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式,程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序。它用圖標(biāo)表示函數(shù),用連線表示數(shù)據(jù)流向。LabVIEW還提供了很多外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件,可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在LabVIEW 中被稱為前面板。如圖2所示,即為該溫濕度測量系統(tǒng)的前面板。

使用圖標(biāo)和連線,可以通過編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼,又稱G(Graphics)代碼。LabVIEW的圖形化源代碼在某種程度上類似于數(shù)據(jù)流流程圖,因此又被稱作程序框圖代碼。前面板上的每一個(gè)控件對(duì)應(yīng)于程序框圖中的一個(gè)對(duì)象,當(dāng)數(shù)據(jù)“流向”該控件時(shí),控件就會(huì)根據(jù)自己的特性以一定的方式顯示數(shù)據(jù),例如開關(guān)、數(shù)字或圖形。

LabVIEW中的DAQ軟件NI-DAQmx包含支持200多種NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備的驅(qū)動(dòng),并提供相應(yīng)的VI函數(shù)。此外它還包含Measurement & Automation Explorer(MAX)、數(shù)據(jù)采集助手(DAQ Assistant)以及VI Logger數(shù)據(jù)記錄軟件,可以節(jié)省大量的系統(tǒng)配置、開發(fā)和數(shù)據(jù)記錄時(shí)間。在該系統(tǒng)中,利用LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集助手(DAQ Assistant)可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的配置,完成對(duì)采集通道的具體設(shè)置。

圖3為該系統(tǒng)的部分程序框圖。由于溫濕度隨時(shí)間變化不大,所以每十分鐘對(duì)環(huán)境要素進(jìn)行一次測量。為減小干擾對(duì)采集造成的誤差,每次測量采集6個(gè)數(shù)據(jù),去掉1個(gè)最大值和1個(gè)最小值,并對(duì)剩下的4個(gè)值取平均值,作為這一時(shí)間內(nèi)的有效數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)進(jìn)入計(jì)算機(jī)后使用LabVIEW進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。LabVIEW有強(qiáng)大的文件I/O函數(shù),可以將采集到的數(shù)據(jù)以一定的格式存儲(chǔ)在文件中保存,用以滿足用戶不同的文件操作需要。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用表單文件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)記錄。它將數(shù)據(jù)數(shù)組轉(zhuǎn)換成ASCII碼存放在電子表格文件中,設(shè)計(jì)中將以測量日期作為文件的命名,每一天測量的數(shù)據(jù)存放在一個(gè)表格中。用戶可以通過前面板界面輸入日期來查看歷史數(shù)據(jù),還可以通過Excel等第三方軟件進(jìn)行查看。

3 結(jié) 語

該測量系統(tǒng)利用LabVIEW開發(fā),將氣象要素和虛擬儀器結(jié)合在一起,具有體積小、使用靈活、方便等特點(diǎn)。此外,只要用戶對(duì)LabVIEW有所熟悉,就可以根據(jù)自身對(duì)儀器作用的要求自行改變功能,輕松實(shí)現(xiàn)用戶需要的操作,具有較強(qiáng)的功能拓展性。不過該系統(tǒng)還存在著需要改進(jìn)的地方,采集數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)外界環(huán)境的抗干擾能力還有待加強(qiáng)。

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［10］http://www.cpubbs.com/bbs/thread-54495-1-1. html.

作者簡介顏園園 女,1983年出生,南京信息工程大學(xué)在讀碩士研究生。研究方向?yàn)樘摂M儀器的研究和應(yīng)用。