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基于虚拟仪器的温湿度测量

Nedyu Nedev⁽¹⁾, Zvezditza Nenova⁽¹⁾, Stefan Ivanov⁽²⁾

⁽¹⁾Dept. of Fundamentals of Electrical and Power Engineering and

⁽²⁾Dept. of Automation, Information and Control Systems

Technical University of Gabrovo,

Gabrovo, Bulgaria

e-mail: nedyu.nedev@gmail.com

摘要: 虚拟仪器越来越多地与传统的测量设备一起使用。它们允许测量和控制各种参数，模拟真实过程模型，并通过提供建立基于互联网的虚拟实验室的机会提供方便的用户界面。本文介绍了基于计算机的数据采集系统和用于测量湿度和温度的LabVIEW虚拟仪器的开发结果，可以创建基于互联网的虚拟实验室。这种虚拟仪器可以远程测量湿度和温度，并可以在教育实验室外进行培训。所提出的方法允许远程进行真实实验，并且可以在必须具有实践时间的培训工科学生的领域中使用虚拟仪器。

关键词：虚拟仪器；数据采集；测量；湿度；温度

1. 引言

虚拟仪器的出现与微电子和信息技术的发展密切相关。它补充了传统仪器的功能[1，2]。虚拟仪器建立在通用个人计算机( PC)，专用硬件和软件的基础上，设备屏幕由计算机显示器代替，开关和按钮-由键盘和鼠标代替[3-5]。除了测量仪器的构造外，虚拟仪器还广泛用于自动测量和控制系统的构建。LabVIEW软件包( Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) 为构建虚拟仪器提供了极大的便利[6,7]。它特别面向数据采集和控制工具的开发[5-9]。互联网的发明导致了基于Web的测量和控制应用的发展[10-16]。基于互联网的测量系统为能够进行和测试其新发展的研究人员提供了一个便利的平台。除了研究任务和执行远程监控和控制，虚拟实验室的使用越来越被用于培训目的[17-20]。在虚拟仪器的帮助下以及真实实验的训练中，可以模拟许多参数的变化，并且可以测试许多实际上很难实现的因素的影响。一个重要的优势是可以通过互联网进行自我教育和远程学习[21-30]。

在这方面，本文提出了一个基于计算机的数据采集系统( DAQ系统) 和用于测量和监测温度和湿度的LabVIEW虚拟仪器，可用于进行真实实验和监测这些参数，以及培养工科专业的学生。拟议的虚拟仪器允许实施基于网络的测量，提供远程测量和远程学习，以及教育实验室外的学生的自学。

1. DAQ系统

湿度和温度的测量是环境监测，工艺流程控制，食品储存条件，温室艺术，温室控制，室内空气控制等的重要任务。用于测量湿度和温度的基于PC的系统的结构方案如图1所示。该系统建立在湿度和温度传感器元件的基础上，温度和湿度测量模块用于连接传感元件和多功能模块，用于数据采集和控制NI USB-6008 [31]。通过溶胶-凝胶法制备的薄膜传感元件用作温度和湿度的传感器元件。湿度传感元件基于：掺杂有Bi的SiO₂; 掺杂有Ce的SiO₂；掺杂有Ce的TiO₂和SiO₂。这些传感器元件分别由HUM_I，HUM_2，HUM_3表示，并且它们是阻抗型的。它们的等效电路图通常包括并联连接的电阻和电容[32,33]。温度传感元件基于V2O5，在不同温度下烧结。这些传感器元件分别表示为TER_1，TER_2，TER_3。它们是NTC热敏电阻，它们随着温度的变化而改变它们的电阻。

图1. 用于湿度和温度测量的系统的结构图

湿度测量模块建立在Nernst桥的基础上，用于交流电、可调差分放大器和精确幅度检测器。它设计用于在15至93％相对湿度(RH)范围内操作传感元件。 湿度测量模块的结构图如图2所示。

图2. 湿度测量模块结构图

在桥接电路的一个臂中连接测量传感器元件并且在其相邻的臂中，有一个与操作元件相同的传感器元件以补偿温度影响。后者定位成在对应于测量范围的最小值（在这种情况下为15％RH）并且在测量湿度传感器元件操作的相同温度下的参考湿度下工作。为了在低相对湿度水平下增加模块的灵敏度，差分放大器和检测器的增益由其结构中包含的软件控制多路复用器改变。该模块具有电压输出U，该电压输出U形成在电子检测器的输出端，并且在处理来自PiclS系列微控制器的模拟输入信号之后，与相对湿度成比例地形成脉冲宽度调制（PWM）输出。此外，它还提供了通过USB接口将模块直接连接到PC的机会，通过UART / USB转换器实现。

温度测量模块基于555定时器构建。其结构图如图3所示。

它设计用于测量-10至 120°C范围内的温度。 相应的晶体管元件连接到555定时器的时间设定电路，该定时器电路以多谐振荡器模式工作。从定时器电路形成频率信号f，其表现为模块的输出信号和关于测量温度t的信息参数。通过温度变化用作温度传感元件的热敏电阻的电阻变化特性是高度非线性的并且是指数型的。通过选择定时器电路的其他时间设定元件的值，减小了特性f = F(t) 的非线性，并且实现了不同传感元件所需的输出频率范围[34]。

图3. 温度测量模块结构图

此外，在Pic 16系列微控制器的模块输出端，形成与测量温度成比例的PWM信号。两个测量模块都具有提供稳定直流电压 5 V的电源，这些电源连接到网络，交流电压为220V。

湿度和温度测量模块的特征U = F(RH) 和f = F(t)，如图4和图5所示。

图4. 湿度测量模块的特性U = F (RH)

图5. 温度测量模块的特性f = F(t)

为了根据测量的量U和f确定所需参数-相对湿度RH和温度t的值，获得逆特征RH = F^-1(U) 和t = F^-1(f) 的数学回归模型。为此，通过最小二乘法，分别通过m (mle; n)阶多项式对这些特征进行近似，

RH=a₀ a₁.U a₂.U² ... a_m.U^m (1)

t=a₀ a₁.f a₂.f² ... a_m.f ^m (2)

其中n是近似值中使用的点数。

由于特征RH = F^-1(U) 是高度非线性的，因此将它们中的每一个分成两个部分，为此找到类型(1)的相关数学模型。 特征t = F^-1(f) 由整个测量范围的类型(2)的多项式近似。

为了将测量模块的输出信号转换为数字代码并连接到PC，采用了DAQ模块NI USB-600S，可实现S单端(SE) (范围plusmn;10V)或4个差分(DI)模拟输入，采样频率为10kHz，测量频率/时间间隔时为一个计数器输入。 此外，该模块具有12个数字输入/输出和2个模拟输出。

三、虚拟仪器

为了控制系统的运行，设计了基于LabVIEW软件包的虚拟仪器(VI）。该软件是基于图形编程G语言的开发环境，设计用于与具有GPTB，VXI，PXI，RS-232，RS-4S5，USB接口的设备，以及使用PC[6,7]的系统数据总线进行数据采集的板一起使用。它使用熟悉的术语和图标，并主要使用图形符号而不是文本来解释程序活动。VI使用硬件和软件模仿真实设备的操作。在LabVIEW中，每个VI由两个面板表示：前面板和框图[7]。在前面板上，类似于真实设备的面板，控制工具和指示器被定位。框图是确定相应虚拟仪器功能的程序。

1. 湿度测量的虚拟仪器

虚拟仪器DAQ Hum Measurement.vi设计用于通过使用湿度测量模块端部各自的湿度传感元件来测量湿度。VI的前面板和框图如图6所示。

a)

b)

图6. 虚拟仪器DAQ Hum Measurement.vi的前面板 a) 和框图b)

虚拟仪器用于测量湿度模块的输出U连接到DAQ USB NI-600S模块的模拟电压输入时的操作。物理通道的配置是通过Express Library中的虚拟仪器“DAQ Assistant”进行的。

通过切换Case结构Hum _Select选择工作传感器（HUM_1，HUM_2或HUM_3），由开关“Sensor Select”控制。 对于每个使用的传感器，通过“ormula”表达虚拟仪器提供了特征的数学模型(1)的介绍。对于每个传感器元件，引入了两个用于相应电压范围的模型。在框图中，设置U的阈值水平，并且当到达它时，切换相应的数学模型。

虚拟仪器的前面板上使用模拟和数字显示，显示相对湿度的当前值。它们可以通过“最小值”和“最大值”指标监控相对湿度的最小和最大测量值。此外，确定和可视化平均值和标准偏差的统计估计。它们是根据测量值计算的，其数量由DAQ Assistant Express.vi设置。完成测量后，按下位于虚拟仪器前的STOP按钮。然后终止测量并打开一个对话框，允许选择Excel文件的路径和文件名以保存测量数据。

1. 温度测量的虚拟仪器

虚拟仪器DAQ_Temp_Measurement.vi专为温度测量模块的温度测量而设计。 VI的前面板和框图如图7所示。

a)

b)

图7. 虚拟仪器DAQ_Temp_Measurement.vi的前面板 a) 和框图b)

要配置DAQ USB NI-6008模块的通信通道，使用快速虚拟仪器“DAQ Assistant”。可能使用到三个温度传感元件。特定传感器元件(TER_1，TER_2或TER_3)的选择通过使用“Telmistor Select”开关来执行，控制Case结构TER Select。通过快速VI“公式”，介绍了包括相应温度传感器的传感器模块的特征(2)的数学模型。

在前面板上显示模拟和数字指示器，显示来自传感器模块的信号频率的当前值和测量的温度。虚拟示波器监控温度随时间的变化。 读取最高和最低温度的指标以及统计估算-平均值和标准偏差也位于前面板上。在虚拟仪器中，一个测量周期的时间可以通过“时间间隔”控制和用于确定统计估计的测量数量来设置-通过“周期数”控制。

按STOP按钮终止测量，此时温度的测量值可以保存在Excel文件中。

四、基于Web的测量

互联网为研究和教育目的创建各种应用程序提供了新的媒介。内置的LabVIEW Web服务器用于组织基于Web的测量和控制[12,14,24]。客户端站只需要VI支持。通过安装LabVlEW或LabVIEW Run Time Engine程序提供此支持，该程序自动将必要的软件组件添加到系统，以通过Internet或本地网络打开和控制虚拟仪器。

服务器需要安装LabVIEW软件。内置的LabVIEW HTTP服务器为消费者提供了使用VI的访问和程序。在某些时候，一个VI可以仅由一个用户使用，而其他VI可以监视该仪器的性能结果。一旦用户请求控制某个虚拟仪器，HTTP服务器就会检查它是否被其他用户加载和使用。如果满足两个条件，则允许对所请求的虚拟仪器进行访问控制。在完成操作并保存必要的数据后，用户必须释放受控VI，以便其他用户可以使用它。TCP连接用于从服务器访问和控制虚拟仪器。 通过此连接，当用户控制虚拟仪器并保存数据时，不存在数据丢失的风险，因为在用户自己停止执行之前，不会关闭到服务器的链接。

使用嵌入式虚拟仪器的HTML页面是使用主菜单“LabVIEW的工具”中的Web发布工具[35]创建的。 从下拉菜单“VI name”中，选择VI以集成到HTML文件中。 默认情况下，它显示当前VI启动的标题。 要选择另一个VI，请使用“浏览”选项。 在Internet页面上可以选择三种类型的VI面板视图：

- 内置工具 - 它可以控制VI;

- 图像 - 它在前VI面板上显示静态图像;

- 监视器 - 它呈现以一定时间间隔刷新的VI图像。 刷新时间以秒为单位指定。

Web Publishing Tool提供了两个选项，用于为正在创建的Web页面提供标题，以及为虚拟仪器输入澄清报文。

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