探讨虚拟仪器的温湿度测控系统设计

江泓昱 南京理工大学紫金学院

温湿度测控系统是实验室所必须配备的较为特殊的测量仪器，最初测试仪器的核心是单片机，湿度值是通过数码管呈现出来的，按照湿度的不同要求，根据硬件对调节终态进行设定，这样就能够把实验室湿度调至设定范围内。在测量技术和传感技术的不断发展下，实验室为了更好的适应湿度变化，就需要改变已无法满足实验室需要的传统测试装置，转而创新测量装置。随着科学技术的飞速发展，围绕着计算机研发出了虚拟仪器这一最为先进的仪器。虚拟仪器通过对计算机等硬件平台的利用，并将调理电路、传感器等硬件结合起来，由此进行数据采集，然后在利用功能软件处理数据，进而发挥出传统仪器功能，另外，只要对专用硬件和软件进行改变，也能突显出不同仪器功能。

1 温室度测控系统概述

1.1 系统功能划分

本系统将相应硬件与LabVIEW结合起来，就能控制、显示和测量温湿度。对系统功能进行划分，主要分成以下几个方面：

1.1.1 温度测显

通过对传感器的利用，使环境温度向电压信号转化，且电压信号是连续的，经过调理后，再通过数据的采集卡实现对A/D的转换，然后把数据上传至计算机，相关功能软件会对数据进行处理，最后呈现出来。

1.1.2 湿度测显

温度测显与系统实现有较大相似性，但调理电路的过程中，需要通过温度信号做出相应的补偿。

1.1.3 数据测显

温湿度信息数据在经过功能软件对其的处理后，会特指一个电子表格，把数据储存进去。

1.1.4 温湿度控制

在温湿度被用户输入设定值后，利用仪器的功能软件将当前量与其做比较，然后控制量会得到相应的输出。

2 温湿度测控系统结构

系统主要由两部分构成，分别是硬件和软件。首先是硬件部分，使温湿度的信号向电信号转变，并实现A/D转换和调理，把数据上传至计算机，同时根据功能软件的相关指令，加以控制温湿度，它的组成包括了DAQ卡、加湿器、电吹风、风扇、控制电路、调理电路和传感器。风扇的功能是排气，由此使实验空间温湿度降低，而加湿器则是为了实现空间湿度的上升，电吹风就被用来增加实验空间温度。

而软件部分就负责对输入到DAQ卡中的数据做相应的处理，使其想温湿度值转换，然后通过显示器将相应图线呈现出来，最后存入硬盘，另外还需要对用户所输的设定温湿度值进行接收，控制信号也由此生成。

3 硬件模块设计

3.1 温湿度信号的捕获

捕获温度信号还是需要用到相应电路和硅单晶材质的传感器，使温度向电压信号转换。另外，捕获湿度信号，则需要用到相应电路和UD-08型号的传感器，以实现湿度向电压信号的转换。

3.2 控制电路设计

12VDC利用最为常见的继电器实施对风扇工作电压的控制；加湿器和电吹风都在220VAC电压下运行，分别利用两个固态的继电器对加湿器和电吹风实施控制。

系统所采用的DAQ卡是由美国NI公司自主研发的PCI-6251，这一款DAQ卡是通用的，可以将其直接插入到微型计算机PCI总线的接口。

为了提高数字IO通道和DAQ卡的安全性，可以利用三级管实施对继电器的驱动。Port端口接DAQ采集卡数字IO通道中的输出端，R2和R0对Port中流过的电流进行控制，最好不超过3mA，R1电阻为200Ω，这样常见的继电器电压会受到限制，最多不超过5v。

4 软件设计

4.1 软件工作原理描述

系统核心就在于对软件模块的设计，软件也就是仪器虚拟技术。仪器的功能软件创建是通过LabVIEW编程软件实现的。

设计系统软件的核心思想是：通过DAQ采集卡所特指的通道，系统对相关数据进行读取，在完成相应的数据处理后，再将数据储存，并利用前面板呈现出来，控制信号也由此生成，并传送至输出通道。这个过程中各个节点的驱动执行是由数据流实现的，由此可知，只有前面的节点成功传输相应数据后，之后的节点才可以开始执行。

所以，可以按照功能的实现，将系统划分成若干模块，然后分别对虚仪器进行创建，再把这些模块当作子VI，从最新建立的VI中把它们调用出来，由此组成整个系统。

4.2 滤波设计

在采集温湿度信号的过程中，由于脉冲会对其有所干扰，因此程序中需要判断温湿度原始信号的输入，一旦发现干扰过甚，就必须按照一定的算法对脉冲做相应的处理，不然输入信息就会被直接输入进去。

放电、爆炸是造成脉冲干扰的主要原因。而脉冲干扰产生在本系统中也是电路短路，或者不完善的A/D转换硬件和软件带来的坏值采样造成的。由时域波形带来的窄脉冲就是其的主要表现。

在对脉冲干扰进行判断时，本系统可以采取以下方法：先通过实验对一阈值M进行确定，然后将当下信号输入值X与前面一个值Y（采样点）相减，取二者差的绝对值，如果发现绝对值比M值小，就需要直接输出X，不然便将S定作脉冲干扰。

脉冲干扰的处理方式有很多种，由于本系统中存在着连续变化的温湿度，但变化力度偏小，因此也就可以用前面的采样值来替代干扰值X，通过这种方法能够降低脉冲的干扰，但实际操作中仍然存在一些问题。

4.3 控制设计

子VI控制字是当下设定值与温湿度值相互比较后所生成的，再利用程序开发软件LabVIEW中带有的子仪器推动控制字在数字I/O通道的辅助下输出。

温度的算法思想主要是：如果设定温度比当下温度小（大），在I/O通道的特定位置写上“1”，在接通了继电器后，风扇开始启动，温度逐渐降低（上升），为了防止继电器出现反复动作，在当前温度与设定温度相减后的值的绝对值比其中一个设定值小时。在I/O通道特定位置写上“0”，这个时候关闭继电器，风扇停止，而温度值也就保持在一定范围内。控制湿度的方法与温度相同。

4.4 数据存储设计

储存数据利用的是程序开发软件LabVIEW所带有的write characters to file模块，温湿度值经过处理后，用相应的电子表格将其存入进去。

5 结束语

综上所述，虚拟仪器技术通过对性能较高的模块硬件的利用，再结合灵活、高效的软件来实现自动化应用以及各种测量和测试等。这样的软件所创建的用户界面是自定义的，同时硬件所提供的系统集成也就全方位的。在研制该系统的过程中，虚拟仪器开发时间短、性能高的优势被充分突显了出来，这为之后扩展系统奠定了坚实的基础。