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0802班学号设计日期2011年11月目录第一章虚拟仪器课程设计任务及总体设计方案 (1)1.1设计内容及要求 (1)1.2 总体设计方案 (1)第二章硬件设计 (1)2.1 硬件设计总述 (1)2.1.1 硬件设计总述 (1)2.1.2 硬件接线要求 (1)2.2 硬件模块简介 (1)2.2.1 传感器 (1)2.2.2 信号调理电路 (1)2.2.3 数据采集 (1)第三章软件设计 (1)3.1 软件设计概述 (1)3.2 labview设计总体介绍 (1)3.3 设计系统有关参数的介绍及其计算 (14)3.4 labview设计分块介绍 (14)3.4.1 前面板设计 (14)3.4.1 总体程序框图 (14)3.4.1 程序框图分部设计 (14)第四章系统调试及使用说明 (19)4.1 软、硬件调试 (19)4.2 使用说明 (20)4.3 功能缺陷说明 (20)第五章收获、体会 (22)参考文献 (22)第一章虚拟仪器课程设计任务及总体设计方案1.1设计内容及要求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称的系统电路；2.利用DAQ MAX配置PCI-6024E卡；3.完成电子称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，应用编写的电子称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400g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。

1.2总体设计方案本设计结合传感器技术、数据采集技术和虚拟仪器技术开发了一种基于LabVIEW的智能电子秤,该系统采用普通PC 机为主机，利用图形化可视测试软件LabVIEW为软件开发平台,将被测重量转换处理进行数据采集，实时进行处理、显示。

本系统通过传感器得到反映重量信息的模拟电压信号后，经过调理电路滤波放大处理后，经DAQ采集卡送入电脑处理显示并保存。

理论上，传感器上产生的信号不可避免的有一些干扰信号，而且采集卡采集数据时也有一定误差，因此采集的数据与真实的数据多少会有一定的出入。

采用多次测量求平均值的方法能够更好的接近真实值，可把它作为真实值。

具体而言，就是以温度压力试验平台的压力传感器所产生的相应电压值作为输入，利用DAQ assistant以1kHz频率对其进行200点的单位采集，将其求和并取平均值即得本设计最关键的平均电压，接下来就是通过对平均电压的一系列运算，得出实验所需参数及其相关显示。

系统的初始化功能由直接赋值实现；系统的清零功能同样是由直接赋值实现；系统数据及其运算通过while循环进行不断采集、更新与运算；称量数据文件的存储通过文件I/O功能实现；称量数据记录的读取通过文件I/O功能对称量数据文件进行读取；时间显示由“格式化时间/日期字符串”在while中不断刷新实现；内容输入由前面板输入控件及条件结构等实现。

第二章硬件设计2.1硬件设计总述2.1.1 硬件设计总述本系统主要由压力传感器、信号调理电路、数据采集卡和计算机组成,原理框图如图4.1所示。

压力传感器为桥路压力传感器。

当桥路中的某臂电阻发生变化时，桥路就不平衡，桥路输出的变化量就反映了压力的变化量。

该变化量通过二级放大，将微弱信号放大到A/D转换器可以分别的模拟信号。

A/D将模拟信号转换成数字信号，利用采集并存储采集到的数据。

W3为测压系统放大倍数调节器（调节系统满度），系统出厂时已调定，用户不要随意调节；W2为测压系统零点调节器，用户可以利用该电位器调节系统零点。

图2.2 电子秤系统原理框图2.1.2 硬件接线要求：只需将如下图所示的压力实验平台上的电平输出端Pout 接至DAQ采集卡的模拟输入口ai0即可。

图2.1 压力实验平台电子称2.2 硬件模块简介2.2.1 传感器2.2.1.1 传感器概述是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

通常有敏感元件和转换元件组成。

其中，敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。

一般讲传感器由敏感原件和转换元件组成。

但是由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。

随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体或与敏感元件一起集成在同一芯片上。

因此，信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器组成的一部分。

力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器等。

电阻应变片压力传感器是国内外应用较为广泛的一种，它具有精度高、测量范围广、频响特性好等优点。

本系统采用的压力传感器是电阻应变式传感器。

2.2.1.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器具有悠久的历史，是应用最广泛的传感器之一。

将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，的构成测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感器。

电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。

弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。

而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。

这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。

电阻应变式传感器是一种利用电阻应变式将应变或应力转换为电阻的传感器，可以用于测量应变、力、压力、位移、加速度、力矩等参数。

具有动态响应快、测量精度高、使用简便等优点。

根据敏感元件的材料形状的不同，电阻应变式传感器的应变片可分为金属应变片和半导体应变片两种。

金属应变式有金属丝式、金属箔式和金属薄膜式；半导体应变片有扩散型、体型、和薄膜型。

电阻应变式传感器主要由电阻应变片和测量电路两部分组成。

当电阻应变式传感器在外力作用下产生机械形变时，其电阻值也相应发生变化，其电阻变化与应变的关系为ΔR/R=K0ε，其中K0为灵敏系数由金属材料决定；ε为应变，当压力F在一定范围内时，ε以一个常数正比于F,应变由物体质量产生的荷重而形成,因此可得： m=ɑ×F+b(a,b为常数)。

2.2.2 信号调理电路由于由传感器得到的信号可能会很微弱，或者含有大量噪声，或者是非线性的，这种信号在进入采集卡之前必须经过信号调理。

信号调理的方法主要包括放大、衰减、隔离、多路复用、滤波、激励和数字信号调理等。

(1)放大放大器提高输入信号电平以更好的匹配ADC的输入范围，从而提高测量精度和灵敏度。

此外，使用放置在更近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号——噪声比。

(2) 衰减衰减即与放大相反的过程。

它在电压（即将被数字化的）超过数字化仪输入范围时是十分必要的。

这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于ADC范围内。

(3) 隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无须物理连接即可将信号它的源传输至测量设备。

除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而即保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。

(4)多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪表，从而提供了一种节省成本的方式来极大的扩大系统通道数量。

多路了服用对于任何高通倒数的应用都是十分必要的。

(5)滤波滤波器在一定的频率范围内去除不希望的噪声。

几乎所有的数据采集应用都会受到一定程度的50Hz或60Hz的噪声（来自于电线或机械设备）。

大部分信号调理装置度包括了为最大程度上抑制50Hz或60Hz噪声而专门设计的低通滤波器。

(6)激励激励对于一些转换器时必需的。

例如应变计、电热调节器和RTD需要外部电压或电流激励信号。

通常RTD和电热调节器测量都是使用一个电流源来完成的，这个电流源将电阻的变化转换成一个可测量的电压。

应变计是一种超低电阻的设备，通常利用一个电压激励来用于惠斯登电桥配置。

(7)线性化许多传感器感应的电信号和物理量之间并不是呈线性关系，因而需要对其输出信号进行线性化以补偿传感器带来的误差。

(8)数字信号调理数字信号在某些情况下也必须经过调理才能进入DAQ卡。

譬如，不能将工业环境中的数字信号直接接入DAQ卡，接入之前必须经过隔离来防止可能的高压放电或者经过削减来调整电平以适应DAQ卡的输入要求。

2.2.3 数据采集2.2.3.1数据采集概述在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。

它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。

数据采集系统的基本任务是物理信号的产生与测量，要使计算机能够测量物理信号，首先需要把被测物理信号通过专用的传感器转换为电压或电流等电信号。

通常被测物理信号不能够直接接到数据采集卡上，还需要利用所谓的信号调理电路转换为标准的电压信号或电流信号。

信号调理模块具有滤波、放大、同步采样等功能。

如采样频率、滤波，假设现在对一个模拟信号x(t)每隔△t时间采样一次。

时间间隔△t被称为采样间隔或者采样周期。

它的倒数1/△t被称为采样频率，单位是采样数/每秒。

t=O，△t，2△t，3△t……等等，x(t)的数值就被称为采样值。

所有x(0)，x(△t)，x(2△t)都是采样值。

这样信号x(t)可以用一组分散的采样值来表示:{ x(0)，x(△t)，x(2△t)，x(3△t)，…，x(k△t)，…}如果对信号x(t)采集N个采样点，那么x(t)就可以用下面这个数列表示: X={x[0]，x[l]，x[2]，x[3]，…，x[N-l]}这个数列被称为信号x(t)的数字化显示或者采样显示。

注意这个数列中仅仅用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率(或△t)的信息。

所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号x(t)的频率。

根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。

反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。

如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。

采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。

这种信号畸变叫做混叠。

出现的混频偏差是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。

采样的结果将会是低于奈奎斯特频率(fs/2=50Hz)的信号可以被正确采样。

为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集(A/D)之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。