虚拟仪器技术及LabVIEW在温湿度复合探测器中的应用

２００６钜　仪表技术与传感器　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　２ＯＯ６　Ｎｏ．９　第９期　虚拟仪器技术及ＬａｂＶＩＥＷ在温湿度复合探测器中的应用　黄（浙江理工大学静，黄晓杰　３１００１８）　信息电子学院，浙江杭州摘要：在虚拟仪器技术环境下，结合了ＬａｂＶＩＥＷ的功能，针对温湿度的复合探测和湿度的温度补偿算法，做了比较细　致的研究，同时对测量的补偿算法实现和虚拟仪器的构架做了必要的程序设计，旨在完成一个温湿度复合探测的平台：　软件部分采用了ＬａｂＶＩＥＷ图形编程环境创建，温湿度信号的产生采用了软件模拟，在补偿算法上采用了根据实际实验得　到的精确的补偿值进行逐一补偿。　关键词：虚拟仪器；ＬａｂＶＩＥＷ；温湿度复合探测；湿度的温度补偿　中图分类号：ＴＰ２１６　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００２—１８４１（２００６）０９—００５７—０２　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｃｏｍｐｏｕｎｄ　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ｗｉｔｈ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ａｎｄ　ＬａｂＶⅡ　Ｗ　ＨＵＡＮＧ　Ｊｉｎｇ，ＨＵＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｊｉｅ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００１８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ　ｉｓ　ｊｕｓｔ　ｕｎｄｅｒ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｉｓｔｎｒｕｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃｌａ　ｅｎｖｉｏｒｎｍｅｎｔ，ｃｏｍｂｉｎｅ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ＬａｂＶｌＥＷ，ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｍ—　ｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｏｆ　ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｒＥｆｌ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ，ｄｏ　ｍｏｒｅ　ｃａｒｅｆｕｌ　ｌ￣Ｓｅａｒｃｈ，ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｌｇｏｒｉａｔｈｍ　ｔｈａｔ　ｉｓ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｔｈａｔ　ｄｉｄ　ｅｓｓｅｎｔｉａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｇｒａｍ＋ｄｔｈ　ｔｈｅ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｃｔｉｔｉｏｕｓ　ｉｓｔｎｒｕｍｅｎｔ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ａｉｍ　ａｔ　ｆｉｎｉｓｈ—　ｉｎｇ　ａ　ｗａｒｍ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ｃｏｍｐｏｕｎｄｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｓｕｒｖｅｙｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｐａｒｔ　ｈａｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　Ｕ．Ｓ．Ａ．ＮＩ　Ｃｏｍｐａｎｙ　ＬａｂＶＩＥＷ　ｆｉｇｕｒｅ　ｐｍ—　ｇｒａｍｍｉｎｇ　ｅｎｖｉｍｕｍｅｎｔ　ｔｏ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈ，ｔｈｅ　ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｒｎ３　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ｓｉｎａｌｇ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｃｏｍ—　ｅｎｓａｔｐｉｏｎ　ｖａｌｕｅ　ｒｅｃｅｉｖｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｉｎ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｉｔｕａｒｌ　ｉｓｔｎｒｕｍｅｎｔ；ＬａｂＶＩＥＷ；ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ；ｅｑｕａｌｉｚｅ　ｈｕｍｉｉｔｄｙ　ｂｙ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　０引言　虚拟仪器技术的优势在于用户自定义仪器功能、结构等，　且构建容易、转换灵活，因此在科研开发、计检、测控等领域得　到了广泛的应用。　该系统采用的温湿度　合探测器中安置１个Ｎ＇ＩＥ温敏电　阻、１个高分子亲水型湿欲咀，通过电路配置，传感器对测得的　温湿度数值采用电阻输出；采用数据采集卡，将传感器输出的电　压进行采集。由于在信号传输过程中存在各种干扰，可以采用　ＬａｂＶｌＥＷ使用了一种称为Ｇ的数据流编程模式，它有别于　基于文本语言的线性结构。在ＬａｂＶＩＥＷ执行程序的顺序是由　块之间的数据流决定的，而不是传统文本语言的按命令行次序　连续执行的方式。ＬａｂＶｌＥＷ程序称为虚拟仪表程序，简称Ⅵ．　Ⅵ包括３个部分：前面板、框图程序和图标／连接器ｌ７　ｒ。　并联电容的方法，滤去干扰信号，实现信号的平稳输出，减少不　必要的脉动；安装有ＬａｂＶＩＥＷ软件的计算机，通过编写好的程『芋　对温湿度信号进行记录，实时显示温湿度及针对湿度进行温度　补偿，构成一个基于ＬａｂＶＩＥＷ的温湿度复合探测器的平台：　２实验数据处理和程序设计　２．１实验数据处理　整理得到的实验数据，用平均法计算出各温度及其对应的　湿度下的湿敏电阻阻值，见表１。　表１各温度、湿度下对应的湿敏电阻阻值　图１复合探测器基本框架　１温湿度复合探测虚拟仪器总体设计　在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。　在影响湿度误差的各个因素中，温度的影响是最大的，温度每　变化ｌ℃，将产生０、５％ＲＨ的湿度变化（误差）。因此，测试时需　把２０℃各湿度下的湿敏电阻值作为基准值，这是因为该温　度下为常温，在此温度下温度对湿度的影响不大，而且很稳定　要进行湿度的温度补偿算法。　收稿日期：２００６—０２—２０　收修改稿日期：２００６—０５—２２　其他各温度下对应的湿度与２０℃下的进行比较，相除后得到　４０℃，５０＇Ｅ，６５℃下各湿度的补偿值，取平均后得到该温度下的　补偿值，见表２。　维普资讯 http://www.cqvip.com

５８　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｅｐ．Ｓ２００６　表２以２０℃时湿度阻值为标准值的不同温度下的补偿系数　§　８　Ｅ　｛　罐瓣藏　—－§　；３０－　／　、　；：：　＼　／｝　　、　｛　。　■。ｌ嘣－■　。Ⅱ＋——■　一ｌｏ．、Ｊ－　・　ｉ　５　Ｔ口　１　・　黛黛　ｔ　。’．Ｄ　１・１　”Ｉ　把２０℃的标准值作为基准值，把温度划分为若干个区段，把　通过插值得到的在该区间内的补偿值进行标定，在通过确定实　际温度落在哪个温度区间段，从而取得补偿值，再通过补偿公　：　二线　。　－熹１　目Ｉ墨　……　：　瓣一　《　黻黪　ⅢＰ　｜　，．１。　Ｉ　￣ｃｍｓｓｓｌ】．Ｉ＝Ｉ　　ｉ　Ｉ　１　１　…ＩＪ∞　；∞一　｝　ＩＩ　｝　擅ｒ件　卜　墓嚣嚣．翼里垦堕Ｉ　垂羹蒸囊　，一　．：Ｉ　式，类似ＲＨ：ＲＨ＇／ａ（ｎ为该区间内的补偿值），进行补偿　以０．５￣Ｃ为一个温度区段，达到的测量湿度的精度在１％左　右。这样补偿的好处是避免因为使用统一公式系数而出现一　些误差，由于区间段划分的比较密集，所以同时也能发挥计算　机和ＬａｂＶＩＥＷ处理大量数据的性能和强大的计算能力，达到很　高的测量精度。在采用湿敏电阻的基础上，结合高精度温度测　量，用温度针对湿度进行一个有效的高精度补偿，得到一个相　对较精确的湿度值。　２．２　ＶＩ模块功能分析　程序前端界面如图２所示。左边的２个曲线图上面显示的　是温度趋势图，下面显示的是湿度趋势图，右边是控制器件，有　控制模拟温度曲线及其模拟系数的设定，有显示当前温湿度监　控数值，有控制当前仪器采样间隔的设定。这里的程序采样间　隔的单位为ｍＳ．默认设定的是２００ｍｓ，即在每２００ｍｓ在趋势图绘　制１个数值点，可以按照具体的实际情况自行设定。　程序的整个后台框图如图３所示，程序按功能又划分若干　个子模块，如果整个项目过大可以把这些子模块封装起来做成　单独的子ｖＩ（ｖＩ指的是ＩａｂＶｉｅｗ程序，其后缀名是ｖＩ），再把这　些ｖＩ构成这个项目的ＶＩ．所采用的是整个ＶＩ形式，这样可以　很清晰地显示出程序的内部机制，便于分析程序的结构和数据　流的传递形式。　湿度的温度补偿模块：湿度的温度补偿采用了露点算法，　通过对模拟信号产生的温度值的获取，便利整个温度结点数　组，找到对应的结点的数组位置，再把这个位置传到补偿值数　组找到补偿的数值，可以直接同步实现湿度的温度补偿。获取　到补偿值后，程序对湿度进行动态的补偿。　显示模块：以图表的形式显示温度和校准后的湿度。在系　统的前面板中放入Ｗａｖｅｆｏｒｍ　Ｃｈａｒｔ（显示效果见系统的前面板），　在流程图中将与Ｗａｖｅｆｏｎｎ　Ｃｈａｒｔ对应的图标和温度或湿度的最　终输出相连，并在前面板上修改图表坐标的刻度值，就可以显　示温湿度的变化曲线。　程序测试模块：在程序完成后对程序的算法作一个准确的　测试，使得程序在开发完成后，对程序内部运行的数据进行校　验。　３结论　（１）温湿度复合探测器利用Ｌａｂｖｉｅｗ平台和湿度的温度补　偿算法达到对温湿度的精确测量。在温湿度复合测量上对温　湿度进行同时模拟输出，模拟信号的频谱图可以根据不同的系　数设置而产生变化，在湿度的温度补偿算法方面，对测量的湿　度值通过算法进行校正，然后显示出测量的温度值和经过修正　的湿度值　保证湿度偏差在规定的误差范围内　ｍ鞫■一ｊ・ＩｌＩ——一Ｉ　。ｌ　Ｉ＿１｝Ｔ。　Ｕ　Ｉ　凋一　、，　ｊ０：』　二，　—ＩＩ　　－　ｌ　｜ｏ　Ｔ　图２程序前端界面　图３后台框图程序　（２）可以根据具体的测量环境而定制不同的测量采样率：　同时发挥了计算机强大的处理数据能力以及ＩａｂＶｌＥＷ良好的　界面操作和简单的数据流图形化编程的模式：　参考文献：　［１］董湘．邹国奎．基于ＬａｂＶＩＥＷ的远程测控方法研究自动化仪表．　２００５（９）：６—１３．　［２］周箭，许昌．虚拟仪器——测试技术的新领域．科技通报，１９９９（１）：　２４—２９．　１３ｊ　ＬＥＥ　Ｓ　Ｇ，ＫＩＭ　Ｃ　Ｍ，ＨＷＡＮＧ　Ｋ　Ｓ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｔｏｏｌ　ｆｏｒ　ｉｎ　ｓｉｌｉｃｏ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｓｃｈｅｆｉｅｈｉａ　ｃｏｌｉ　ｕｓｉｎｇ　ａ　ｖｉｓｕａｌ　ｐｍｇｒａｒｎｍｉｎｇ　ｅｍ｛ｍｎ—　ｍｅｎｔ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｉｏｔｅｅｈｎｏｌｏｇｙ　１１９．２００５：８７—９２．　１４ｊ　ＫＡＴＲＡＮＡＳ　Ｇ　Ｓ，ＭＥＹＤＡＮ　Ｔ，ＯＶＡＲＩ　Ａ，ｄ　ａ１．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｂｉｌａｙｅｒ　ｓｅｎｓｏｒ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ａ，２００６，　ＳＮＡ一５１８５：４．　［５］刘金颂，严洁，郑庆红．基于ＬａｂＶＩＥＷ和单片机的空调温度场测量　系统的研究．测控技术，２００５（８）：７８—８ｏ、　［６］李杨，郑莹娜，朱铮涛．图形化编程语言Ｌａｂ￣ｑＥＫ　环境及其开放　性．计算机工程，１９９９，２５（４）：６３—６５．　［７］　ＦＡＲＡＣＯ　Ｇ，ＧＡＢＲＩＥＬＥ　Ｌ．Ｕｓｉｎｇ　ＬａｂＶＩＥＷ　ｆｏｒ　ａｐｐｌ￣ｉｎｇ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌｓ　ｉｎ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇ　ｐｈｅｎｏｍｅｎａ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ＆Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ．２００６：９６一　ｌｌ２．　１８ｊ　ＤＭＥＲ　Ａ　Ｍ．，ＣＡＲＶＥＴＨ　Ｃ　Ｊ，ＫＥＦＦＬＥＲ　Ｊ　ｗ，ｅｔ　ａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ．ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ，ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ　ａｑｕａｒｉａ　ｓ２，ｓｔｅｍ．Ａｑｕａ—　ｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２００６，ＡＱＵＥ一１３８７，９．　作者简介：黄静（１９６５一），博士，主要研究方向嵌入式系统、毒性算法方　向，计算材料学等。