虚拟电子秤报告.doc

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1、中南大学虚拟仪器课程设计报告设计题目 虚 拟 电 子 秤 设 计 指导老师 熊红云 吴同茂 设计者 专业班级 测控0801班 设计日期 2011年11月 目 录第一章 课程设计目的意义及任务31.1 选题目的及意义31.2 设计内容及要求3第二章 总体设计方案42.1 电子秤总体设计方案42.2 电子秤总体设计框图5第三章 硬件设计63.1 DAQ虚拟仪器硬件平台63.1.1 DAQ简介63.1.2 PCI-6024E卡安装及配置73.2 温度压力实验平台DVCC-TES383.2.1 系统工作原理83.2.2 参数设定93.2.3 压力传感器的测量电路93.3 数据采集及接线10第四章 软件

2、设计114.1 软件设计概述114.2 标定114.3 称量计算124.4 查看历史记录15第五章 系统调试及使用说明175.1 软、硬件调试175.2 使用说明17第六章 心得体会19参考文献20第一章 课程设计目的意义及任务1.1 选题的目的及意义 虚拟仪器是随着计算机技术，电子测量技术和通信技术发展起来的一种新型仪器。在国外，虚拟仪器技术已经比较成熟了，由于其很强的灵活性，使得该技术非常适用于现代复杂的测试测量系统中。近几年，虚拟仪器技术在国内的发展形势也越来越受到重视。成熟的虚拟仪器技术由三大部分组成：高效的软件编程环境、模块化仪器和支持模块化I/O集成的开放的硬件架构，该课程设计的目

3、的就是，通过一些功能简单的仪表系统的设计，要在这三个方面有更深一步的了解。随着人们对电子称量数据的精确要求越来越高，电子秤已成为现实生活中不可缺少的称重仪，即电子秤是各行业对物料经行计量的新一代重量计量器具。作为重量测量仪器，电子秤在各行各业中开始显现其测量精度高，测量速度快，操作简单，可以实时监控的巨大优点，使其已经开始逐步取代传统性的机械杠杆测量秤，成为测量领域的主流产品。结合压力传感器技术、数据采集技术和虚拟仪器技术开发设计了一种基于LabVIEW的虚拟仪器电子秤，该系统采用图形化可视测试软件LabVIEW为软件开发平台，将被测重量转化处理进行数据采集，实行处理、显示，设备成本低，使用方

4、便灵活。1.2 设计内容及要求题目：虚拟仪器电子秤设计要求：（1）参考“CSY-XS传感器与检测技术实验仪用户手册”，设计基于应变直流全桥的虚拟电子秤的系统电路；（2）利用DAQ MAX配置PCI-6024E卡；（3）完成电子秤虚拟仪器的标定程序、测量程序设计；（4）进行测量数据的低通滤波，应用编写的电子秤VI进行重量测量，记录数据并与实际值进行比较。简要分析引起测量误差的原因；（5）模拟实际电子称称小于200g的重物，并输入品名及单价，在显示器上显示品名、单价、重量及金额。第二章 总体设计方案2.1电子秤总体设计方案 电子秤的称重原理是，重物放在称重托盘上，压力传感器将重物的压力信号转换秤电

5、压信号，电压信号经过前端放大器、滤波器之后，通过 NI 数据采集卡采集并转换成数字信号输入到计算机里，称重VI子程序对采集到的信号进行处理，完成电压重盘的盘程变换，最终在显示控件上将实际重量值显示出来。电压一一重盘的变换关系可用下式表示：y =ax+b 其中：y 表示物品重量x表示采集到的压力信号。关系式中的a和b可通过标定 VI 子程序，确定，其方法是将采集到的压力信号值和相应的实际重量值通过线性拟合，求出 a、b 。 本虚拟电子称系统主要由压力传感器、数据采集卡和计算机组成 ,原理框图如图：重量压力传感器数据采集卡微型计算机（Labview）图2-1 虚拟电子称原理图本系统由硬件和软件两部

6、分组成。硬件部分利用DVCC-TES压力试验平台和PCI-6024E数据采集卡采集压力信号并进行A/D转换，将实物的重量通过压力传感器转换成电压信号，作为软件部分的输入信号。软件部分又分为前面板设计和程序框图设计两部分，前面板为系统运行时的显示面板。打算用选项卡的形式进行显示，主要有设置、称量、历史称量三个选项卡。程序框图设计部分主要完成输入信号采集、标定、总价计算、保存、历史记录生成、显示及清楚等功能。2.2 电子秤总体设计框图 图2-2 总体设计框图第三章 硬件设计3.1 DAQ 虚拟仪器硬件平台3.1.1 DAQ简介DAQ(Data Acquisition)，即数据采集仪器，是一种比较典

7、型的虚拟仪器，它的出现和发展与计算机密切相关。DAQ仪器以微型计算机为平台，将计算机硬件和计算机软件结合起来，实现特定的仪器测量和分析功能，它具有性价比高、设计手段灵活、通用性强等优点，应用前景非常广阔。DAQ仪器设计都是基于某一种总线进行的，因此总线的标准和规范将对所设计的仪器系统的性能，包括结构上的先进性、可靠性、兼容性及扩充和升级等方面起到关键作用。DAQ 虚拟仪器的硬件平台由 PC计算机与数据采集卡(DAQ卡)组成。数据采集卡(DAQ卡)由以下几个部分组成：I 多路开关。将各路信号轮流切换到放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。II 放大器。将前一级多路开关切换进入待采集的信号

8、进行放大(或衰减)至采样环节的量程范围内。通常实际系统中放大器做成增益可调的放大器，设计者可根据输入信号不同的幅值选择不同的增益倍数。III 采样保持器。取出待测信号在某一瞬时的值(即实现信号的时间离散化)，并在A/D转换过程中保持信号不变。IV A/D转换器。将输入的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量化。随着电子技术的发展，目前通常将采样保持器与A/D 转换器集成在一块芯片上。以上四个部分都处在计算机的前向通道，是组成数据采集卡的主要环节，与其它有关电路如定时/计数器、总线接口电路等制作在一块印刷电路板上，即构成数据采集卡(DAQ卡)，完成对信号数据的采集、放大和模/数转换任务。很多

9、数据采集卡印刷电路板上，还装有数模转换器(D/A)，D/A处在PC计算机的后向通道，即输出通道，用于将计算机输出的数字量转换为模拟量，从而实现控制功能。在 LabVIEW 中DAQ 设备的配置通常情况下，在 LabVIEW 中安装和配置DAQ设备的步骤如下： DAQ 硬件板卡的安装； 使用LabVIEW 自带的I/O配置工具选择确定地址、中断等基本参数； 使用DAQ Channel Wizard配置I/O通道； 进行LabVIEW DAQ 编程。3.1.2 PCI-6024E卡安装及配置一、PCI-6024E卡安装PCI-6024E卡将作为本次课程设计的数据采集卡，VI程序通过它来实现虚拟仪器

10、的输入输出功能。PC1 -6024E 数据采集卡是一块基于32位PC1总线的多功能数据采集控制卡，支持 DMA方式和双缓冲区板式，保证了实时信号的不间断采集和存储它支持8 路单极和 4 路差动模拟输入，信号为0 l0V 和-1010V，2 路独立的O/A输出通道，16线TTL数字 I/O， 3个16 位的定时计数器等多种功能。将 PC1 -6024E 数据采集卡插到计算机主板上的一个空闲 PC1插梢中，接好各种附件，包括条50芯的数据线和一个转接板。二、PCI-6024E卡I/O配置和通道配置PC1 -6024E 卡同 N1 公司的绝大部分数据采集卡 样是即插即用型的设备，硬件正确安装后，如果

11、机器安装了 LabV1EW 和 N1-DAQ，就会出现在Measurement & Automation Explorer的ConfigurationMysystem Devices and Interfaces列表中。在设备名PC1 -6024E上单击右键，弹出对话框，选择 N1 PC1 - 6024E, DEVl ，然后进行Properties对话框配置、自我配置、Test Panels、AO测试、DI/O 测试、Counter I/O 测试、复位设备、创建任务。在使用DAQ设备的模拟I/O 或数字I/O 功能时，必须首先配置设备的通道。在Measurement & Automation

12、Explorer中配置迢迢步骤如下：右键单击 Data Neighbourhood 阁标，选择弹出菜单中的Insert ，系统会弹出Insert New 对话框。单击 Finish。在弹出的 Create New Channel对话框中将通道类型设置为 AnalogInput. 单击下步。在 Enter Channel Name and Description对话框中，将迢迢名称设置为ScropA. 并甜上适当的遥远描述，单击下一步。在Channel Wizard对话框中，选择传感器或测量信号类型，单击下一步。设置单位为Volts。量程为5V5V，单击下一步。设置缩放比例因子为NoScalin

13、g，单击下一步。指定DAQ硬件为Dev1：PC1-6024E通道编号为0，模拟输入方式Differential，单击完成。3.2 温度压力实验平台DVCC-TES33.2.1系统工作原理利用CZL-1R型桥路(应变片)压力传感器(量程500克)实现R-V物理量变换,将压力传感器输出的小信号经过放大和低通滤波后,送至A/D转换器ADC0809转换成8位数字量信号。编制程序，微控制器采集并显示压力值（显示质量）。在测量过程中，当压力超过容限后，通过电压比较器开通硬件报警电路报警。另外，在当压力超出量程后，输入A/D的模拟信号也有过压保护，不会损坏 A/D转换器。加压和降压可以采用增加和减少砝码来实

14、现。 图3-1 系统原理图3.2.2参数设定设定空载时(0.0Kg)变换放大电路输出模拟量为0.0V，500g时输出模拟量为4.0V，平均每2.5g对应1LSB变化量，对应电压值为0.02mV。压力的报警值为625g,输出电压仍为5.0V左右。 压力调零/调满度：（1） 压力托盘空载，调节W2，先使放大器A1输出为0V，然后再微调W3，使放大器A2输出为0V或压力显示为000。（2） 压力托盘加500克法码，调节W3，使放大器A2输出为4.0 V，或压力显示为500。3.2.3 压力传感器的测量电路 在测量电路中使用了电阻应变式传感器，它是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的

15、元刊。由电阻应变片和测量线路两部分组成。常用的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片，本设计中采用的是电阻丝应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上丽粘有覆盖层，起保护作用。电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时一定要注意，其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：1. 电阻丝温度系数引起的。2. 电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘

16、贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的报度范围内使用。全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1=R2=R3=R4 ，其变化值R1=R2=R3=R4时，其桥路输出电压：Uout=KE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。全桥测量电路图如图3-3所示。图3-2 全桥测量电路图常

17、规的电阻应变片K值很小，约为2，机械应变度约为 0.0000010.001，所以， 电阻应变片的电阻变化范围为 0.00050.1欧姆。所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另一个对角线为输出电压 Uo。其特点是当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。测量电路是电子秤设计电路中是 个重要的环节，我们在制作的过程中应尽量选择好元件，调整好测量的范围的精确度，以避免减小测量数

18、据的误差。3.3 数据采集及接线 对单通道模拟输入的操作：AI Sample Channel函数对指定通道的信号进行测量，每次只采集一个点并返回测量的电压。AI Acquire Waveform 函数对指定通道的信号以规定的采样速度，采样点数进行采样，输出参数以伏为单位的模拟输入信号的一维数组。本系统的硬件接线只要接2根线，一根是采集卡和压力平台的共地线，一根压力平台的电压信号输出AOUT端和AI0连接线。 第四章 软件设计4.1 软件设计概述电子秤的软件程序在Labview8.5软件环境下，用图形化编程语言进行编辑。该软件主要由三部分组成：标定模块、测量模块和历史记录存储模块。标定模块的功能

19、主要是实现电子秤标度的标定。测量模块的主要功能是显示所测物品的重量、单价和金额，还可以显示所称的所有物品的总金额，并有超重报警功能，即所测物品的重量超过251g,报警灯亮。历史记录模块的功能是当点击保存记录功能键时，能按照时间、单价、重量、金额的顺序保存，可保存任意多的记录，当点击清楚记录时，系统自动将所有记录清除，下面分别予以介绍。4.2标定系统开始运行时，首先要进行标定，本电子称系统标定时给出0g重量对应的电压进行一次标定，给出200g对应的电压值进行二次标定，然后由此得到标度，如下图所示： 图4-1 0g标定 图4-2 200g标定根据以上得到的0g和200g电压，点击完成标定“OK”就

20、可得到标度，即1V对应的重量，程序如下： 图4-3 求标度标定前面板如下图所示： 图4-4 标定前面板4.3称量计算 称量部分前面板如上图所示。进入此界面后，系统将采集进来的电压根据标定结果换算成重量，左边的圆盘式模拟现实电子秤，但压力平台上有重物时，指针会偏转向对应重量，同时圆盘下面的数值输出控件中显示。给单价输入控件中输入一个值，金额控件就会同时显示该物品的金额，若还有物品待秤，则点击“总金额”，系统就会把之前称重的所有物品金额相加，若点击“保存”，系统就会把物品信息保存。系统的称重范围是0250g，若超出该范围，报警灯亮。 图4-5 称量前面板该模块设计的思想是先对数据采集卡采集的数据取

21、平均值，然后低通滤波，保证数据的有效，然后与0g电压做差，求出所称物品的对应的纯电压，由标度计算出这个电压表示的重量，即为物品的重量。将物品的重量送到秤盘和重量输出控件显示。其程序图如下： 图4-6 数据采集 图4-7 重量显示由称重的重量，和单价可以算出当前物品的金额，多次称量之后，按累加，可以算出所累加物品的总金额。 图4-8 一个物品的金额计算 图4-9 总金额的计算 图4-10 总金额清零程序还有保存控件，点击“保存”时，系统将时间、单价、重量、金额捆绑，保存成电子表格格式的文件，如下图： 图4-11 保存记录4.4 查看历史记录 在历史称量选项卡了，可以查看之前称量所保存的历史记录，

22、若需要清空记录，只需点击“清除记录”即可，程序如下： 图4-12 打开历史称量记录及删除记录程序前面板如下： 图4-13 历史称量前面板第五章 系统调试及使用说明5.1 软、硬件调试在整个系统设计过程中，遇到很多大大小小的问题，经过我学习和翻阅有关资料，及时和同学探讨，或者在老师的指点下都基本得到了解决，当然还有很多地方需要完善。所遇的主要问题如下：1、一运行就会显示错误，而且指明错误是发生在文件显示的打开/创建/记录数据文件控件上，最后发现只要把操作类型换成open or create就能成功运行；2、在设计文件清除的过程中，开始想到的使用文件初始化，将所有记录初始化为0即可，虽然理论上是完

23、全行的通的，但就是不成功，在考虑很久后，只能换另一种方式，即用删除文件来实现记录的清除，且一定要将删除文件的程序设计放到显示文件程序循环的内部，否则会出错；3、在设计历史记录的前面板时，试了很多种显示方式，比如列表、数组显示等，但总不能跟框图设计很好连接，最后在很多尝试后，决定采用簇和数组集合起来显示；4、刚开始单价，金额都是设成一位小数，但实际的币值有元、角、分，所以在老师的建议下均设置成两位小数，还有一些单位、重量的小问题，都在老师的指导的进行了改善。该系统还有很多方面可以完善：1、为了更人性化，可以设置成对话框的形式，比如“是否继续称量？”，“确定要删除记录吗？”等一系列的设置；2、选项

24、卡之间目前都是手动切换，可以设成自动切换；3、清除记录必须持续按键1s以上，否则不能成功清除，这方面还有待改善。5.2 使用说明1、进行硬件线路的连接，即将外界接入的电压信号接至DAQ采集卡的AI0通道，两者一定要共地；2、运行程序。首先进行设置，即0g电压和200g电压的标定，点击“OK”确定标度，标定完成；3、称重。将待测物体放到称重台上，手动输入单价，单件物品称重完成，点击“总金额”，进行物品金额的累加，点击“保存”按钮对物品信息进行保存；4、继续称重，则重复步骤3的过程，直至称重完成；5、称重完成后查看历史记录，则按照称重日期，单价、重量、金额的形式对所称物品信息进行保存；6、按下总金

25、额“清零”按钮，则总金额清零，如若需要，可通过点击“清除记录”按钮对历史记录进行清除。第六章 心得体会 两周的课程设计很快就结束了，我真的收获良多。由于这学期初忙于找工作，并没有在这门课上下过多的功夫，甚至没怎么用心，基础知识掌握的相当的不扎实，这也直接反应到我的考试成绩中，我本课程的裸分只得了60分。直到课程设计之后，工作也确定了，有更多的精力投入到这个上面，我突然发现对这种新颖的可视化的图形编程软件产生极大的兴趣，它不同于我之前所接触的所有编程软件，都是一大段一大段乏味的代码，而是以直观的图形控件进行设计，简单易懂，还有很强的趣味性。于是我抓紧有限的时间把LabVIEW最基础的内容快速的看

26、了一下，总算对这门课程的使用设计方法有了基本的了解。在设计的过程中，我遇到不懂的，就及时的翻阅资料书籍，整个过程就是一个边学边用，循序渐进的过程，所以感觉对这方面知识的掌握程度进步很快。在整个设计过程中，我觉得遇到问题最多的部分就是“文件”的存储读取，在保存格式、新建文件、文件清空、读取、显示都不同程度遇到了问题。比如在清除记录的设计时，之前想的是将以保存的文件初始化，及全部赋初值0，但是总不成功，后来就换成删除文件，而且把删除部分放在读取文件循环的内部，就可以了，还有一些小问题，当时很难发现，怎么都不行，但最后找到问题所在发现是很简单的问题，这些小问题反而不容易发现，所以设计的过程中一定要认

27、真仔细，全面考虑，这也是我们以后工作态度和方式的养成。总之，通过这两周的实践，我从对LabVIEW掌握很差的状态，到现在可以独立的进行一些基本设计，解决一些简单的问题，真的进步很多，课程设计真的是一个快速掌握所学知识的很有效的方法，再好的理论知识脱离了实践只能是变得空洞不实际，我以后也一定会坚持这种理论结合实际的学习方式。参考文献：虚拟仪器设计基础教程, 黄松岭.， 清华大学出版社, 2008 LabVIEW 7.1编程与虚拟仪器设计, 侯国屏，清华大学出版社, 2005 labview6.1编程技术实用教程.，石博强，中国铁道出版社，2002labview高级程序设计，杨乐平，清华大学出版社，2003基于Labview的虚拟仪器设计，刘君华，北京电子工业出版社，2003