浅析基于虚拟仪器的温湿度监控系统设计方案

1 引言

虚拟仪器简称VI是具有虚拟面板的PC机仪器，由硬件设备与接口、PC机、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可以是各种以PC机为基础的内置功能卡如DAQ、通用接口总线GPIB接口卡、串行口和VXI总线仪器接口等，或者其他可程控的外部测试设备设备驱动软件是直接控制各种可控制硬件接口的驱动程序。虚拟仪器通过低层设备驱动软件与真实的仪器系统进行直接通信，并通过虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示真实仪器操作元素相对应的各种控件虚拟仪器面板应用程序负责对采集来的数据进行数据分析、图像显示、数据存储以及数据打印等操作，面板上的按钮对应各种功能，并伴有动态帮助，这样不仅充分实现单键操作和OSD，而且用户对虚拟仪器面的操作比对真实仪器的操作更为方便。

2 设计原理

一个具有一定规模的博物馆或图书馆一般是由好几个馆藏室组成的。本设计采用计算机中分时系统中给多任务的各个任务分配时间片的原理，来实现用一台计算机和一个数据卡对多个馆藏室的温度和湿度进行检测与控制。利用数据采集卡中的模拟多路开关实现各个硬件数据通道之间的切换，来达到各个通道分时间片采样和控制的目的。该方法适用于对时间变化不太敏感的参量的控制如温度和湿度等。这样可以一定程度地减少监控系统的复杂程度。

馆藏室温湿度监控系统的结构如图1所示，温度与湿度等被控参数通过传感器检测后经由数据采集卡送到计算机中，由计算机按照一定的控制算法进行数据处理与显示，处理后输出的控制信号再经数据采集卡送至执行机构空调机与去湿机，达到控制馆藏室温湿度的目的。

3 硬件设计

系统的硬件主要由PC机、数据采集卡、信号调理电路、温湿度传感器和执行机构空调机与去湿机等组成。

3. 1 　数据采集卡

数据采集的正确与否将直接影响整个虚拟仪器测控系统的精度。因此，在数据采集卡的选择上，首先应该考虑采样精度和采样速度两个基本指标。综合考虑本系统待定参数的特征，以及数据采集卡的可靠性、精度和性价比等因素，选用PCI总线/100Ksps/12 位32 通道AD/2 通道DA 板/8 路输入输出板AD7202。

3. 2 　信号调理电路

信号调理电路中一般包括小信号的放大、滤波、零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等电路。在本系统中加入前置放大电路对传感器输入的小信号进行放大和加入低通滤波器滤去高频噪声。

3. 3 　传感器

温度传感器元件的选择：选用AD590L温度传感器，测温范围为-55℃～ 125℃，其中在-10℃～ 85℃的范围内的测量精度为±0. 5℃，此传感器可满足馆藏室温湿度测控系统的工作要求。湿度传感器的选择：采用HONEYWELL公司生产的集成湿度传感器IH3605，其测量湿度范围为0～100RH,固有精度为±2 RH，工作的温度范围为- 40℃～ 85℃。

4 软件设计

系统开发基于虚拟仪器技术，以图形化编程语言LabView 8.2作为开发工具。采用计算机本身的PCI 总线，以传感器、数据采集卡、PC 机为基础，组成仪器硬件平台的插卡式虚拟系统。系统借助于传感器，对馆藏室温湿度进行测量，同时对采集到的数据进行模数转换、结果显示、控制算法处理、数据查询及控制信号输出等操作。本系统的主要功能模块和结构框图如图2 所示。

4.1 参数设置模块

由于系统的硬件资源比较多，在进行信号采集之前应首先对数据采集卡上的数字通道进行初始化。AD卡进行数据采集时有两种采集方式：单缓冲方式和多缓冲方式。本检测系统中AD卡采用的是多缓冲方式。馆藏室温湿度测控系统需要对采集信号的通道个数、采样频率、总的缓冲区的数目、每个缓冲区的采样点数等参数进行设置。通过对这些参数的综合设置可以得到合适的信号采集时间和总的采样点数。它们之间满足下面的关系：

共采集到的点数 = 频率 × 采集时间

共采集到的点数 = 每个缓冲区采集的点数 × n 个缓冲区

4.2 数据采集模块

数据采集模块主要包括信号采集和模数转换两部分。由于所使用的A/D数据采集卡均可以直接应用于LabView软件平台中的.dll 格式的统一接口ADCard驱动程序。这样就避免了应用其它语言开发驱动程序，只需正确调用ADCard下的相关函数。数据采集中应用的数据传输原理是：数据采集卡在驱动程序的控制下, 将采集到的外部信号先存放在采集卡上的缓冲区中，驱动程序再将采集卡缓冲区中的数据放到驱动程序的缓冲区中，再经过动态连接库接口函数，将数据传输到上层应用软件的数据内存中。

在LabView的后台程序中，使用LabView提供的调用动态连接库方法来实现数据采集的输入。整个采集过程分为调用DllInitial函数初始化采集功能、调用DllStartIntr函数启动A/D 卡开始数据采集、调用DllADResult函数读取数据采集结果和调用DllStopIntr函数停止数据采集几个步骤完成。

4.3 数据处理模块

馆藏室的温湿度不仅受室外环境变化的影响，而且文物、书籍和文献资料的随机存入与取出都将影响馆藏室的温湿度，这给温湿度的控制带来困难，并难以用数学模型来表达。

本系统由LabView虚拟仪器软件实现智能控制原理中的模糊控制方法。其基本思路是：当采集的数据在设定值的阈值范围内时，系统不调节当采集的数据偏离给定值的阈值范围，新采集的数据与上次采集的数据进行比较，若其变化趋向设定值，系统仍然不调节若其变化偏离设定值，系统进行调节。由于被控参数的时滞大，该调节机理能够在保证控制精度的前提下，不仅避免了执行机构动作频繁引起系统振荡，而且可以延长执行机构的使用期限。

为防止意外情况如执行机构失效发生，本系统还设计了温湿度的上下限报警功能。通过虚拟仪器的前面板和框图程序可实现声光报警，提醒工作人员及时处理意外情况。

4.4 数据显示模块

在数据显示模块中，采集到的数据和报警信号可以曲线、数值两种方式显示出来，以便进行人机交互。另外设置了数据存盘函数，保存采集数据以备后用。图形和数据的显示可以从虚拟仪器面板上看到，如图3所示。数据存盘的实现在后台框图程序里体现出来，选用函数- 文件 I/O - 写入电子表格文件节点完成对数据存储功能。

4.5 信号输出模块

采集到的数据经控制算法处理后，将产生相应的控制信号，系统采用两种方式进行输出，若是对图书馆馆藏室的温湿度进行监控，则相应的控制要求比较低，可以采用开关量来进行控制，故输出的是一个开关量信号若是对珍藏有珍贵文物的博物馆的温湿度进行监控，则相应的控制要求比较高，则采用模拟量进行控制，这时输出的是一个模拟电压信号，通过调整空调机或去湿机的转速来达到实时控制的目的。