基于LabVIEW的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)

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(cè)量也步入自動(dòng)化。傳統(tǒng)的氣象要素測(cè)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(cè)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(cè)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(jiǎn)單、方便。

l 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(cè)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(cè)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(cè)量范圍為一40～120℃，在25℃時(shí)精度為0．5℃，0～40℃時(shí)精度為O．9℃，反應(yīng)時(shí)間20 s，分辨率為O．01℃。其相對(duì)濕度測(cè)量范圍為O～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(zhǎng)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(cè)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(guó)NI(National Instruments)公司的USB一6210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(jiǎn)單。
    使用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡，大大簡(jiǎn)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L(zhǎng)aboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench(實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境)，是由美國(guó)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(cè)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 Ex—plorer(MAX)、數(shù)據(jù)采集助手(DAQ Assistant)以及VILogger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(cè)量。為減小干擾對(duì)采集造成的誤差，每次測(cè)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(cè)量日期作為文件的命名，每一天測(cè)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(cè)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)。