基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集的項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)案例研究

閆亞紅

摘 要：信息技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)逐步走向完善。人們對(duì)這一新興學(xué)科的認(rèn)知也越來越充分，也逐步發(fā)現(xiàn)信息技術(shù)在管理方面的作用，認(rèn)識(shí)到高效的管理能力對(duì)發(fā)展的重要性。依托LabVIEW，文章對(duì)數(shù)據(jù)采集及項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并結(jié)合室內(nèi)家居環(huán)境控制系統(tǒng)的項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)案例進(jìn)行了深入分析與研究。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;數(shù)據(jù)采集;項(xiàng)目教學(xué)

LabVIEW數(shù)據(jù)采集運(yùn)用于新的技術(shù)領(lǐng)域，能夠在性能上實(shí)現(xiàn)快速、安全、穩(wěn)定、高兼容性運(yùn)行，在操作管理上也擁有極大優(yōu)勢(shì)。在數(shù)據(jù)采集類的設(shè)計(jì)中，LabVIEW的應(yīng)用非常廣泛。項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)著重在設(shè)計(jì)案例中的應(yīng)用，本文結(jié)合室內(nèi)家居環(huán)境控制系統(tǒng)中存在的數(shù)據(jù)采集，在平臺(tái)的支持下形成案例參考。在數(shù)據(jù)采集中，圍繞家居環(huán)境數(shù)據(jù)形成相應(yīng)的采集情況，并通過數(shù)據(jù)背景形成目標(biāo)依據(jù)。本文以室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)的案例為基礎(chǔ)，結(jié)合教學(xué)設(shè)計(jì)的情況進(jìn)行延伸。

一、基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集的項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及約束

（一）基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集的項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

對(duì)逐漸發(fā)展的項(xiàng)目教學(xué)平臺(tái)，LabVIEW數(shù)據(jù)采集通過其交互性的教學(xué)方式，使得項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)生動(dòng)性凸顯，較為合理地表現(xiàn)出一定的應(yīng)用價(jià)值。在項(xiàng)目教學(xué)中，LabVIEW通過功能構(gòu)建，優(yōu)化學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和教師的教學(xué)過程。LabVIEW數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)，可以對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)刺激。通過改變學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，來提高學(xué)生學(xué)習(xí)及教師教學(xué)的能動(dòng)性。其中，教師可在LabVIEW上重點(diǎn)描述關(guān)鍵模塊，提高項(xiàng)目教學(xué)的效率。LabVIEW數(shù)據(jù)采集的引入將使得學(xué)生擁有更多的學(xué)習(xí)要點(diǎn)，并從中把握項(xiàng)目教學(xué)精華，從而促進(jìn)項(xiàng)目教學(xué)效率的提高，極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。一直以來，教師在開展教學(xué)過程中過多地采用普通教學(xué)方式，使學(xué)生感覺愈發(fā)乏味。將LabVIEW技術(shù)應(yīng)用于項(xiàng)目教學(xué)中，學(xué)生可通過圖像、聲音，利用多感官加深記憶。而教師可更好地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)而提高其學(xué)習(xí)興趣。

（二）基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集的項(xiàng)目教學(xué)約束

LabVIEW數(shù)據(jù)采集選擇的是免費(fèi)教學(xué)版的開發(fā)工具，這樣在費(fèi)用上就不會(huì)有太大的顧慮，且這些工具都可以滿足使用要求。不同于其他的開發(fā)軟件，LabVIEW數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)案例由編者自主開發(fā)，在普通的電腦上即可運(yùn)行，對(duì)硬件要求不高。所以無論從時(shí)間、精力，還是金錢方面考慮，都是合理可行的。

二、基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集的項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)的案例分析

（一）系統(tǒng)任務(wù)與設(shè)計(jì)

以LabVIEW為主，對(duì)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行初步的探討，并通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)找到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方向：

（1）總體任務(wù)：通過硬件電路搭建室內(nèi)家居環(huán)境控制系統(tǒng)，采用四種傳感器將檢測(cè)到的模擬量送入控制器，可通過手動(dòng)、自動(dòng)模式控制對(duì)應(yīng)的設(shè)備，也可通過LabVIEW進(jìn)行室內(nèi)家居環(huán)境控制電路的控制、調(diào)試及數(shù)據(jù)記錄。

（2）具體內(nèi)容：①根據(jù)室內(nèi)家居環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路，確定各個(gè)元器件的類型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、空氣質(zhì)量、煙霧、聲音的檢測(cè);②通過YL-NI DAQ實(shí)現(xiàn)硬件電路與系統(tǒng)軟件的連接，完成溫度、空氣質(zhì)量、煙霧、聲音的轉(zhuǎn)化。③使用LabVIEW編寫數(shù)據(jù)采集與控制軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及系統(tǒng)加熱、排風(fēng)、噴淋、燈控的自由控制。

（二）系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及實(shí)施方案

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)通過LM35模塊將溫度轉(zhuǎn)換為電壓傳遞給控制器;系統(tǒng)通過QS-01模塊將空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)換為電壓傳遞給控制器;系統(tǒng)通過QM-N5模塊將煙霧判斷結(jié)果傳遞給控制器;系統(tǒng)通過MIC放大整形電路將噪聲電壓傳遞給控制器;控制器通過各個(gè)傳感信號(hào)的采集綜合判斷，可通過自動(dòng)、手動(dòng)、虛擬儀器程控等方式實(shí)現(xiàn)加熱、排風(fēng)、噴淋、燈控。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.系統(tǒng)實(shí)施方案

（1）信號(hào)的檢測(cè)、放大、采集和轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)溫度檢測(cè)采用LM35模塊，單電源供電模式。其輸出電壓與攝氏溫標(biāo)呈線性關(guān)系，溫度與電信號(hào)轉(zhuǎn)換公式為：。

空氣質(zhì)量檢測(cè)采用日本神榮QS-01二氧化錫半導(dǎo)體氣體傳感器，其對(duì)各種空氣污染源靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快，其傳感器電阻和各種氣體濃度之間呈線性關(guān)系。

煙霧檢測(cè)采用QM-N5氣敏元件，其主體材料為金屬氧化物SnO2，當(dāng)元件接觸還原性可燃?xì)怏w時(shí)，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。系統(tǒng)判斷比較當(dāng)前檢測(cè)結(jié)果，若出現(xiàn)偏離則通過拉低控制器引腳的方式通知控制器可燃?xì)怏w異常。

噪聲檢測(cè)采用駐極體麥克風(fēng)放大電路，通過硬件比較器檢測(cè)噪聲是否超標(biāo)，若超標(biāo)則通過拉低控制器引腳的方式通知控制器噪聲超標(biāo)。

（2）系統(tǒng)控制及工作模式的設(shè)計(jì)。

1）四種傳感器測(cè)量室內(nèi)的 4種環(huán)境質(zhì)量。

溫度：測(cè)量室內(nèi)溫度值，當(dāng)溫度高于設(shè)置的上限時(shí)，制冷繼電器開啟;當(dāng)溫度低于設(shè)置的下限時(shí)，加熱繼電器開啟。

空氣質(zhì)量傳感器：檢測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量，當(dāng)空氣質(zhì)量“較差（很）”時(shí)，自動(dòng)開啟風(fēng)機(jī)排風(fēng)換氣。

煙霧傳感器：檢測(cè)到室內(nèi)煙霧“異常 ”時(shí)，自動(dòng)打開電機(jī)（噴淋）。

聲音：當(dāng)有聲音感應(yīng)時(shí)，電燈狀態(tài)變化一次（熄滅 →點(diǎn)亮 或點(diǎn)亮→熄滅）。

2）工作模式。

將四種傳感器檢測(cè)到的 4種模擬量送入單片機(jī)，并通過液晶顯示其狀態(tài)或參數(shù)控制。電路設(shè)置手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式，按 F1按鍵可切換工作模式。

手動(dòng)：通過按鍵控制設(shè)備。

自動(dòng)：根據(jù)傳感器檢測(cè)得到數(shù)據(jù)自動(dòng)控制設(shè)備。

（3）LabVIEW監(jiān)控程序的編寫與調(diào)試。

硬件連接方案：

利用YL-NI DAQ內(nèi)置的+15V、15V、 5V電源為室內(nèi)家居環(huán)境控制系統(tǒng)運(yùn)行提供電源;

利用YL-NI DAQ的DIO數(shù)據(jù)通道，將8路通道配置為數(shù)字輸出模式，用于控制圖XX 中的開關(guān);（F2—關(guān)機(jī) ?OK—確定SET—設(shè)置F1—手動(dòng)自動(dòng)切換—向上—向下—向左—向右）

利用YL-NI DAQ模擬輸入通道，將Ai0配置模擬輸入采樣，連接LM35溫度傳感電路;

利用YL-NI DAQ模擬輸入通道，將Ai1配置模擬輸入采樣，連接空氣質(zhì)量傳感電路。

軟件編程方案：

【1】開關(guān)

在LabVIEW前面板放置一個(gè)布爾控件數(shù)組，并設(shè)置8個(gè)布爾控件元素，再使用DAQ物理通道配置8個(gè)數(shù)字輸出口，并將上述布爾控件數(shù)組連到DAQ數(shù)據(jù)端，即可輸出8個(gè)開關(guān)信號(hào)。

【2】波形圖

在LabVIEW前面板放置波形圖表控件，再將配置好的DAQ物理通道Ai0連接到波形圖表控件數(shù)據(jù)端，并設(shè)置波形圖表的X軸、Y軸標(biāo)尺等一系列參數(shù)，即可顯示Ai0波形。

【3】實(shí)時(shí)溫度

在LabVIEW前面板放置溫度計(jì)控件，將DAQ物理通道Ai0采集電壓帶入公式計(jì)算出溫度（攝氏度），將計(jì)算結(jié)果連接到溫度計(jì)控件的數(shù)據(jù)端，即可顯示溫度。

【4】制冷/制熱指示燈

在LabVIEW前面板放置制冷、制熱2個(gè)布爾控件，對(duì)計(jì)算的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)溫度處于30℃～35℃時(shí)，指示燈的顏色均為深綠色;當(dāng)溫度低于30℃時(shí)，制熱指示燈顏色變?yōu)榧t色;當(dāng)溫度高于35℃時(shí)，制冷指示燈顏色變?yōu)樗{(lán)色，判斷結(jié)果連接到布爾控件數(shù)據(jù)端。

（三）取得的良好效果

LabVIEW的自身其實(shí)就是數(shù)據(jù)采集。所有的用戶無一不關(guān)心的就是這個(gè)LabVIEW能否有效地解決問題，用戶對(duì)軟件功能的理解基本都在數(shù)據(jù)采集上體現(xiàn)出來。 所以在LabVIEW界面的使用過程當(dāng)中，筆者列出了幾個(gè)重要點(diǎn)和要素以及滿足各個(gè)要素的要求。

用戶體驗(yàn)的友好性：指的是用戶在使用LabVIEW的過程中能夠通過數(shù)據(jù)采集很好地交互。

用戶需求：指的是用戶對(duì)所使用的LabVIEW提出的各種要求，它能很好地反映出用戶對(duì)LabVIEW的期望程度。而用戶的需求應(yīng)該包含功能需求和使用需求兩個(gè)大方面。所以在使用LabVIEW之前，必須考慮到用戶使用LabVIEW時(shí)生理、心理以及外界環(huán)境所產(chǎn)生的影響，如主機(jī)的配置、顯示器的尺寸等，以讓用戶舒舒服服地使用LabVIEW完成他們的任務(wù)。

在室內(nèi)家居的數(shù)據(jù)采集過程中，LabVIEW為項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的方向，這無疑能從空間、時(shí)間的維度上減輕他們的負(fù)擔(dān)，更便于維護(hù)整個(gè)LabVIEW的運(yùn)行，節(jié)省人力資源和開銷。為了研究出更具有安全性、創(chuàng)新性和便捷性等功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，LabVIEW作出了一定的貢獻(xiàn)。

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