虛擬儀器課程設計 --基于紅外反射傳感器虛擬轉速計的設計

1、<p>　　課 程 設 計</p><p><b>　?。ㄕ撐模?lt;/b></p><p>　　題目 基于紅外反射傳感器虛擬轉速計的設計 </p><p>　　班 級 </p><p>　　學 號 </p><p>

2、;　　學 生 姓 名 </p><p>　　指 導 教 師 </p><p>　　課 程 設 計 任 務 書</p><p>　　課 程 名 稱 虛擬儀器課程設計 </p><p>　　院（系） 自動化學院 專業(yè) 測控技術與儀器 &l

3、t;/p><p>　　課程設計題目 基于紅外反射傳感器虛擬轉速計的設計 </p><p>　　課程設計時間: 2012 年 12 月 10 日至 2012 年 12 月 21 日</p><p>　　課程設計的內(nèi)容及要求：</p><p><b>　　1. 內(nèi)容</b></p><p>　　

4、紅外反射傳感器內(nèi)部有發(fā)光管和光電管，發(fā)光管發(fā)出的光在轉盤上反射后由光電管接受轉換成電信號，由于電機轉盤上有黑白相間的12個反射點，轉動時將獲得相應的反射脈沖數(shù)，將該脈沖數(shù)進行處理，即可測得轉速。利用紅外反射傳感器和Labview設計一個能實現(xiàn)電機轉速測量及顯示的虛擬儀器。轉速顯示為XXX轉/分，范圍為0--200轉/分。存儲實驗數(shù)據(jù)，可設定閾值，并具有超值報警功能。</p><p><b>　　2. 要

5、求</b></p><p>　　制定設計方案，并繪制出系統(tǒng)工作框圖。利用CSY-G型光電傳感器實驗儀進行硬件電路設計及調試。用LabVIEW進行軟件程序設計與調試，要求虛擬儀器前面板的設計美觀大方、操作方便，后面板的設計簡潔、布線合理、功能完善。</p><p>　　指導教師 年 月 日</p>&l

6、t;p>　　負責教師 年 月 日</p><p>　　學生簽字 年 月 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前言1</b></p>

7、<p>　　1. 總體方案設計2</p><p>　　2. 硬件介紹與設計2</p><p>　　2.1 紅外反射傳感器電路2</p><p>　　2.2 PCI-NI6024E數(shù)據(jù)采集卡2</p><p><b>　　3. 軟件設計3</b></p><p>　　3.1數(shù)

8、據(jù)采集部分3</p><p>　　3.2數(shù)據(jù)處理與圖形顯示部分5</p><p>　　3.2.1 數(shù)據(jù)處理5</p><p>　　3.2.2 圖形顯示5</p><p>　　3.3 閾值設定與報警部分5</p><p>　　3.4 前面板的排版顯示部分7</p><p>　　3.4.

9、1前面板的設計7</p><p>　　3.4.2 框圖程序的設計7</p><p><b>　　4. 調試分析7</b></p><p>　　5. 結論及進一步設想8</p><p><b>　　參考文獻9</b></p><p><b>　　課設體會1

10、0</b></p><p>　　附錄1 元件清單11</p><p>　　附錄2 軟件原理圖112</p><p>　　附錄3 軟件原理圖213</p><p>　　基于紅外反射傳感器虛擬轉速計的設計</p><p>　　摘要：本次課程設計的課題是基于紅外反射傳感器的虛擬轉速計，其核心思路是以紅外反射

11、傳感器為敏感元件，對信號進行采集，然后通過數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)輸入計算機中，最后通過LabVIEW軟件的編程對信號進行處理并且能夠顯示，從而實現(xiàn)對轉速的測量。</p><p>　　本課設可以分為兩個步驟，其一是紅外反射傳感器的安裝、使用與信號的輸出，其二是對LabVIEW軟件的編程。其中，步驟一并不難解決，主要需要解決的是步驟二。根據(jù)課題所示電機轉盤上有黑白相間的12個反射點，轉動時基于紅外反射傳感器的測量原理將獲得

12、相應的反射脈沖數(shù)，將該脈沖數(shù)進行處理，即可測得相應的轉速。通過計算可以得到如下關系：v=60/（12*T）=5*f，其中，T是脈沖的周期。由此可以測得轉速。最后，本課設還設置了閾值，當測得值小于閾值時，顯示正常；當測得值大于閾值時，顯示-1，并且指示燈亮。經(jīng)過調試與修改，本課設的各項技術指標均得到了完美地實現(xiàn)。</p><p>　　關鍵詞：紅外反射傳感器；數(shù)據(jù)采集卡；LabVIEW軟件</p>&l

13、t;p><b>　　前言</b></p><p>　　虛擬儀器技術是基于計算機的儀器，是軟硬件相結合的測量技術。虛擬儀器的最終實現(xiàn)是通過軟件的編程，其中LabVIEW軟件是當今比較完善的一款軟件，下面本文將對LabVIEW軟件進行簡要的介紹。</p><p>　　LabVIEW是美國國家儀器公司（NI）專門為開發(fā)虛擬儀器應用軟件而設計的圖形化編程環(huán)境，它的最大優(yōu)

14、點是直觀簡單易學，編程效率高，用它來開發(fā)各種儀器及虛擬電路有獨到之處。</p><p>　　LabVIEW的核心是VirtualInstrument簡稱VI，VI由一個人機對話的用戶界面——前面板和類似于源代碼功能的方框圖（程序框圖）組成。前面板接受來自方框圖的指令。在前面板中，控件模擬了儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供給VI；而指示器則模擬了儀器的輸出裝置并顯示由程序框圖獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。</p>&l

15、t;p>　　LabVIEW不僅廣泛應用于科學研究及工業(yè)自動化中，在學校的實驗室及電子課程輔助教學中也有著較好的應用。由于LabVIEW的控件模板中不僅提供了仿真度較高的各種儀器面板、按鈕、開關、指示燈、波形顯示器等電路器件，而且提供了易使用的繪圖工具。并且，在教學輔助模板中提供了各種波形信號發(fā)生器的仿真程序，在圖形分析與處理模板中有各種圖形處理的集成控件，在LabVIEW功能模板的布爾運算子模板中，包含著功能齊全的邏輯運算功能，因

16、此可很容易的利用其制作數(shù)字電路示教板及仿真演示實驗。</p><p>　　基于這種情況，本文設計了一個能應用于實際的虛擬轉速計程序，功能較為簡單，包含一定的算法和數(shù)據(jù)處理能力。本課題要求測量范圍為0—200轉/分，可設定閾值，并具有超值報警功能。</p><p><b>　　1. 總體方案設計</b></p><p>　　紅外反射傳感器虛擬轉速

17、計的原理框圖如圖1所示。</p><p>　　整個電路的工作原理是利用紅外反射傳感器內(nèi)部有發(fā)光管和光電管，發(fā)光管發(fā)出的光在轉盤上發(fā)射后由光電管接受轉換成電信號，由于電機轉盤上有黑白相間的12個反射點，轉動時將獲得相應的反射脈沖數(shù)，將該脈沖數(shù)進行處理，即可測得轉速。將采集得到的數(shù)據(jù)擬合得到擬合曲線一般方程式Z=5*f 轉/分，同時由PCI-NI6024E數(shù)據(jù)采集卡將采集到的電壓數(shù)據(jù)與方程式系數(shù)進行數(shù)據(jù)處理得到轉速值

18、，并判斷是否超出預設范圍，超出則報警。</p><p>　　2. 硬件介紹與設計</p><p>　　2.1 紅外反射傳感器電路</p><p>　　整個電路的所需要的工作元件包括光電轉速傳感器、＋5V直流電源、F/V表、轉速電機及其電源。</p><p>　　其工作原理是利用紅外反射傳感器內(nèi)部有發(fā)光管和光電管，發(fā)光管發(fā)出的光在轉盤上發(fā)射后由

19、光電管接受轉換成電信號，由于電機轉盤上有黑白相間的12個反射點，轉動時將獲得相應的反射脈沖數(shù)，將該脈沖數(shù)進行處理，即可測得轉速。</p><p>　　2.2 PCI-NI6024E數(shù)據(jù)采集卡</p><p>　　NI是美國國家儀器公司(National Instrument)的簡稱，該公司出品的PCI-NI6024E是一塊應用在普通個人計算機上，使用內(nèi)插式PCI插槽的數(shù)據(jù)采集卡。使用一根C

20、able連接至CB-68LP這塊具有68個接線柱的接線板上，從而達到數(shù)據(jù)采集卡上的輸入輸出與CB－68LP上一一對應。這68個接線柱中常用的是：68(AI 0+)，67(AI 0 GND)，34(AI 0-)，以上是模擬輸入通道一；22(AO 0)；55(AO GND)，以上是模擬輸出通道一；52(D I/O 0)，44(D GND)，以上是數(shù)字輸入輸出口的第一位。并且從56到62是沒有定義的。</p><p>

21、　　PCI-NI6024E的有關技術資料如下：</p><p>　　使用的總線：PCI總線</p><p>　　模擬輸入：16個單端輸入通道或8個差分輸入通道</p><p><b>　　輸入位數(shù)：12位</b></p><p>　　輸入最大采樣率：200kS/s</p><p>　　輸入電壓范圍

22、：±0.05到±10V</p><p><b>　　模擬輸出：2個通道</b></p><p><b>　　輸出位數(shù)：12位</b></p><p>　　輸出最大采樣率：10kS/s</p><p>　　輸出電壓范圍：±10V</p><p>

23、<b>　　數(shù)字輸入輸出：8個</b></p><p>　　定時器/計數(shù)器：2個 各24位</p><p><b>　　觸發(fā)方式：數(shù)字觸發(fā)</b></p><p><b>　　3. 軟件設計</b></p><p>　　軟件設計是本次課程設計的核心部分，其中包括數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)

24、據(jù)處理與圖形顯示部分、閾值設定與報警部分和前面板的排版顯示部分。通過對這些部分的設計，才能最終實現(xiàn)轉速的測量和顯示。</p><p><b>　　3.1數(shù)據(jù)采集部分</b></p><p>　　數(shù)據(jù)采集的主要過程為紅外反射傳感器內(nèi)部有發(fā)光管和光電管，發(fā)光管發(fā)出的光在轉盤上發(fā)射后由光電管接受轉換成電信號，由于電機轉盤上有黑白相間的12個反射點，轉動時將獲得相應的反射脈沖

25、數(shù)，將該脈沖數(shù)進行處理，即可測得轉速。</p><p>　　本段程序主要是通過對數(shù)據(jù)的連續(xù)采集來實現(xiàn)的，并且使用了經(jīng)典的采集程序——基于中級模入VI的連續(xù)采集程序，因此該段程序使用了死循環(huán)并通過對出錯的判斷來決定循環(huán)是否繼續(xù)。流程圖如圖3所示。</p><p>　　圖3 數(shù)據(jù)采集流程圖</p><p>　　數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖4所示。</p><

26、;p>　　圖4 數(shù)據(jù)采集程序框圖</p><p>　　3.2數(shù)據(jù)處理與圖形顯示部分</p><p>　　該部分可分為兩部分，主要使用了兩個集成度非常好控件和一個圖形顯示控件。第一部分是對圖形數(shù)據(jù)的處理，第二部分是對圖形的顯示。</p><p>　　3.2.1 數(shù)據(jù)處理</p><p>　　數(shù)據(jù)處理主要使用了一個濾波器VI和調（tone

27、）測量VI。其中，使用濾波器的目的是為了使波形更加穩(wěn)定便于下一步的測量，調測量是為了測波形的頻率f。由于軟件的高度集成使得程序更加簡明，設計更加方便。</p><p><b>　　圖5是濾波器VI。</b></p><p>　　顯示采集到的電機轉速信號的幅值和頻率只需要插入一個顯示幅值、頻率的函數(shù)即可實現(xiàn)。該函數(shù)為Tone Measurements，在Analysis

28、>>Tone Measurements中找到, 如圖7所示。</p><p>　　其中Signals為信號輸入口，F(xiàn)requency為頻率輸出口。</p><p>　　3.2.2 圖形顯示</p><p>　　由于圖形顯示直接調用圖形顯示控件就能實現(xiàn)，因此在此不在過多敘述。</p><p>　　3.3 閾值設定與報警部分</

29、p><p>　　超值報警電路流程圖如圖7所示。</p><p>　　圖7 閾值比較流程圖</p><p>　　Case結構含有兩個或者更多的子程序（Case），執(zhí)行那一個取決于與選擇端子或者選擇對象的外部接口相連接的某個整數(shù)、布爾數(shù)、字符串或者標識的值。必須選擇一個默認的Case以處理超出范圍的數(shù)值，或者直接列出所有可能的輸入數(shù)值。Case結構中，各個子程序占有各自的

30、流程框（每次只能看見一個框架），在其上沿中央有相應的子程序標識：True、False或1，2，3…。按鈕用來改變當前顯示的子程序（各子程序是重疊放在屏幕同一位置）。</p><p>　　將閾值寫入控制變量，當大于200或小于0則報警，LED發(fā)光，并且速度顯示-1；否則不報警。</p><p>　　圖8為超值報警程序框圖。</p><p>　　圖8 超值報警程序框圖

31、</p><p>　　3.4 前面板的排版顯示部分</p><p>　　3.4.1前面板的設計</p><p>　　用File菜單的NEW選項打開一個新的前面板窗口。把所需指示部件放入前面板窗口。在前面板窗口的空白處點擊鼠標右鍵，然后從子模板中選取所需器件。重新設定器件的屬性，使用標簽工具，可輸入相應地文字說明。</p><p>　　3.4.

32、2 框圖程序的設計</p><p>　　從Windows菜單下選擇Show Diagram功能打開框圖程序窗口。點擊框圖程序窗口的空白處，彈出功能模板，從彈出的菜單中選擇所需的對象。注意：（數(shù)值常數(shù)：用連線工具，點擊你希望連接一個數(shù)值常數(shù)的對象，并選擇Create Constant功能。若要修改常數(shù)值，用標簽工具雙擊數(shù)值功能，再寫入新的數(shù)值。字符串常量：用連線工具，點擊你所希望連擊字符串常量的對象，在選擇Crea

33、te Constant功能。）。使用移位工具（Positioning Tool），把圖標移至圖示的位置，在用連線工具連接起來。選擇前面板窗口，使之變成當前窗口，并運行VI程序。點擊連續(xù)運行按鈕，使程序運行于連續(xù)運行模式。再點擊連續(xù)運行按鈕，關閉連續(xù)運行模式。</p><p><b>　　4. 調試分析</b></p><p>　　根據(jù)課設要求進行了實物連接并調試，過程

34、如下：</p><p>　?。?）了解光電轉速傳感器的結構，它有三根引線，其中紅色為正電源輸入端，藍色為信號輸出端，黑色為地線。</p><p>　　（2）拆下光纖探頭及反光片，將光電轉速傳感器裝在原光纖探頭處，探頭對準白色部分，并離開電機轉盤2-3mm。</p><p>　　（3）紅色接直流電源+5V、黑色接地端、藍色接F/V表頻率檔。</p>&l

35、t;p>　?。?）打開電機轉速開關，逐漸調快，從F/V表觀察電機轉速情況，如轉速顯示不穩(wěn)定，需調節(jié)傳感器與電機轉盤的距離。</p><p>　　（5）轉速計算公式： Z=5*f 轉/分 </p><p>　　Z為轉速；f為F/V表頻率（赫茲） </p><p>　　（6）已進行的轉速實驗中用了多種傳感器測量，試分析比較一下在本儀器上哪種方法最簡單、方便。

36、并分析一下各種傳感器的使用場合有什么不同。</p><p>　　圖9為主程序前面板。</p><p>　　圖9 主程序前面板</p><p>　　5. 結論及進一步設想</p><p>　　通過應用LabVIEW，可以對數(shù)字電路進行編成，以此實現(xiàn)數(shù)字電路仿真演示實驗。這樣既可更好的為教學服務，同時在學習使用LabVIEW的過程中，使學生仿真

37、的在計算機屏幕上進行實驗，提前接觸比較前沿的設備，有利于新知識的掌握和教學效果的提高。與傳統(tǒng)示教板相比，成本低廉，制作簡單。</p><p>　　根據(jù)實驗結果，本設計基本完成了設計要求，但是由于在實際操作過程中，紅外反射傳感器與實驗臺不匹配，所以在采集數(shù)據(jù)的過程中會產(chǎn)生偏差，而PCI-NI6024E數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)又比較精確，所以采集到的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，可以通過增加濾波器來改善電路的性能。</p>

38、<p>　　本文通過介紹虛擬儀器圖形化編成功能完成數(shù)字電路實驗的編程的例子，說明虛擬儀器技術可以應用到數(shù)字電路的各種實驗中，表明虛擬儀器技術能夠保持其技術的前瞻性，展現(xiàn)給學生的實驗設備代表了較先進的實驗手段，滿足了現(xiàn)在教學大綱所要求的更多更新的測試要求。使用此技術改變了傳統(tǒng)臺式儀器價格相對較貴，所占用的空間大，更換不方便的缺點，節(jié)約了經(jīng)費，提高了實驗效率。</p><p><b>　　參考文獻

39、</b></p><p>　　[1] 謝希仁.計算機網(wǎng)絡.大連理工大學出版社，2006</p><p>　　[2] 閻石.數(shù)字電子技術基礎（第四版）[M] .高等教育出版社，1999 </p><p>　　[3] 計算機虛擬儀器圖形編程LabVIEW實驗教材.北京中科泛華測控技術有限公司，1998</p><p>　　[4] 陳

40、敏、湯曉安. 虛擬儀器開發(fā)環(huán)境LabVIEW及其數(shù)據(jù)采集. 計算機工程與設計，第22卷第5期，2001年10月</p><p>　　[5] 郭會軍、趙向陽、賈惠芹編著. 基于LabVIEW的虛擬儀器設計. 電子工業(yè)出版社，2003年</p><p>　　[6] （美）Gary W Johnson, Richard Jennings編著. LabVIEW圖形編程. 北京大學出版社，2002年

41、</p><p>　　[7] 禹延光. 激光自混合干涉理論及其位移測量方法的研究. 哈爾濱工業(yè)大學</p><p>　　[8] 石博強、趙德永、李暢編著. LabVIEW6.1編程技術實用教程. 中國鐵道出版社，2002年</p><p>　　[9] 侯國屏 王坤 葉齊鑫. LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計. 電子工業(yè)出版社，2003年</p>

42、<p>　　[10] 汪敏生等譯. LabVIEW基礎教程. 電子工業(yè)出版社，2002年</p><p><b>　　課設體會</b></p><p>　　通過兩星期的LabVIEW課程設計，對一學期來學習的LabVIEW的基本操作和編程技巧有了進一步的掌握，LabVIEW作為一門新式的以圖形化編程的語言，不僅提供了簡單易學的編程方法，而且提供了海量的可調用

43、的模塊，涉及到各個方面。LABVIEW應用領域廣泛，我們可以十分方便地找到各種適用于測試測量領域的LabVIEW工具包。這些工具包幾乎覆蓋了所需的所有功能，在這些工具包的基礎上設計程序相對于其他編程方法顯得容易多了，這也讓我對這門課程產(chǎn)生了更加濃厚的興趣。LabVIEW包含多種多樣的數(shù)學運算函數(shù)，特別適合進行模擬、仿真、原型設計等工作。在設計機電設備之前，可以現(xiàn)在計算機上用LabVIEW搭建仿真原型，驗證設計的合理性，找到潛在的問題。使

44、用LabVIEW進行軟件模擬，可以達到同樣的效果，使我們獲得實踐的機會同是也大大縮短程序開發(fā)時間。通過一個學期的學習，我深刻地體會到LabVIEW的高效，對這種編程語言有很大的興趣。在課程設計的這樣兩星期里，我把教材又看了一遍，還在網(wǎng)上查了不少資料，從中學到了大量的技巧。不過在設計過程中也越來越感到LabVIEW入門很容易，深入做下去完成一個像樣的工程，</p><p><b>　　附錄1 元件清單&l