蔬菜大棚控制系統(tǒng)設(shè)計的硬件虛擬設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u18770蔬菜大棚控制系統(tǒng)設(shè)計的硬件虛擬設(shè)計案例 118162第一章系統(tǒng)的硬件介紹 129661.1溫度采集模塊 1181251.1.1AMT2001溫濕度傳感器概述 2298731.1.2接口定義 370631.1.3傳感器性能 4265271.1.4電氣特性 625691.2USB數(shù)據(jù)采集卡V1.2 8300101.2.1板卡簡介 8190831.2.2數(shù)據(jù)采集卡的主要特點、性能 1069971.2.3軟件支持 11139391.2.4性能指標(biāo) 11321511.2.5安裝與連接 13235241.2.6板卡量程設(shè)置說明 18282301.2.7軟件的安裝與使用 195616第二章系統(tǒng)溫濕度采集測試 2136912.1虛擬系統(tǒng)溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計 21293742.2虛擬系統(tǒng)實際化 21184092.3溫濕度采集系統(tǒng)的實物連接圖 21163022.4系統(tǒng)溫濕度值的采集與儲存 23系統(tǒng)的硬件介紹1.1溫度采集模塊在目前，一般的溫度采集的主要方法有：熱敏電阻、熱電偶測量和水銀溫度計和數(shù)字化集成溫度傳感器。（1）水銀溫度計利用了物體的熱脹冷縮原理，水銀溫度計根據(jù)水銀的體積隨溫度的變化來計算溫度，這種測溫方法已廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中。當(dāng)然，水銀溫度計中的水銀液體也可以被其他液體代替，比如酒精、煤油等等。隨著科技的不斷發(fā)展，目前也有一種利用金屬膨脹系數(shù)的物理性質(zhì)制成的金屬片溫度計，金屬片溫度計也是利用物體受熱膨脹和受冷收縮的原理。（2）熱電偶測量熱電偶測溫是由兩種不同的金屬連接由于兩金屬的熱電勢不同，那么兩金屬之間就會產(chǎn)生一個熱電勢差，這就會輸出一個電壓值，這個電壓值就是溫度的一個函數(shù)。再通過計算從顯示器上顯示溫度值（3）數(shù)字式集成溫度傳感器數(shù)字式采集溫度傳感器就是把被測量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量輸出，最大的一個特點就是它把采集模塊和處理模塊放在了一個芯片上，數(shù)字式集成溫度傳感器有分辨率高、功耗低、低成本的特點。1.1.1AMT2001溫濕度傳感器概述（1）產(chǎn)品概述AMT2001溫濕度傳感器供給電壓為直流電壓，相對濕度通過電壓輸出進行計算，AMT2001溫濕度傳感器具有精度高、體積小、成本低、可靠性高、檢測穩(wěn)定等特點，特別適用于對質(zhì)量和溫濕度測量有更嚴(yán)格成本要求的企業(yè)，如REF_Ref15239\h圖11、REF_Ref15269\h圖12所示。圖SEQ圖\*ARABIC11AMT2001溫濕度傳感器實物圖圖SEQ圖\*ARABIC12AMT2001外形尺寸（mm）（2）應(yīng)用場景主要用于智能家居、加濕機、地鐵車站、煙葉發(fā)酵、車間生產(chǎn)、除濕機、智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖、智慧畜牧養(yǎng)殖、智慧農(nóng)業(yè)、除濕機、環(huán)境監(jiān)測、天氣監(jiān)測等。（3）產(chǎn)品亮點該傳感器具有小體積、方便隨身攜帶，而且制造的成本還低、適合大批量的使用，采集的信號準(zhǔn)確、誤差小等優(yōu)點。1.1.2接口定義傳感器引腳分配的描述如REF_Ref15494\h表1所示。表SEQ表\*ARABIC1引腳分配（1）引腳分配，如REF_Ref15628\h圖13所示。圖SEQ圖\*ARABIC13引腳分配圖（2）電源引腳（VDDGND）這個傳感器正常工作的電壓在2.2V到5.5V之間，工作電壓一般建議在5.5V左右，所以在設(shè)計中我們可直接用計算機的USB接口為傳感器供電。（3）電壓輸出信號線（Hout）在這次設(shè)計中我們用到的傳感器溫濕度信號輸出的方式都為電壓信號輸出，傳感器把采集的物理信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，從而實現(xiàn)對溫濕度的采集，輸出電壓的大小在0~3V之間，實際溫濕度的值和輸出電壓之間的關(guān)系可根據(jù)相關(guān)的公式進行計算。（4）溫度輸出信號線（Tout）兩種溫度輸出的選擇：第一種：LM35溫度傳感器的輸出信號為模擬電壓信號輸出，復(fù)合我們在本設(shè)計中的要求，它能測量0攝氏度到80攝氏度這個范圍內(nèi)的溫度，假如測量出來的電壓為0那么所測量的溫度也為0攝氏度，LM35溫度傳感器的接線方式為REF_Ref30426\h圖14中的（3）。第二種：如果采取的10KNTCB.3435熱敏電阻的話溫度傳感器的接線方法為REF_Ref30426\h圖14中的（2）這中接線方式，而這種接線方式的輸出信號不是模擬信號輸出，所以在本次設(shè)計中我們選擇第一種。（5）溫度傳感器接線方式示意圖如REF_Ref30426\h圖14所示圖SEQ圖\*ARABIC14溫度接線方式示意圖1.1.3傳感器性能(1)相對濕度性能表如REF_Ref15905\h表2。表SEQ表\*ARABIC2相對濕度性能表(2)相對溫度性能表如REF_Ref15905\hREF_Ref8809\h表3。表SEQ表\*ARABIC3相對溫度性能表1.1.4電氣特性采集卡的電氣特性，就比如說輸入、輸出電壓、能源的消耗這些參數(shù)于供電電源有著密不可分的關(guān)系，電源的大小影響著這些參數(shù)。在REF_Ref16121\h表4中已經(jīng)向我們清楚的介紹了AMT2001溫濕度傳感器的特征，如果表中沒有提到的話，那么供電的電壓我們就自動默認(rèn)他的大小為5V。表SEQ表\*ARABIC4AMT2001傳感器直流特性(1)標(biāo)準(zhǔn)濕度輸出電壓（單位：V）表SEQ表\*ARABIC5AMT2001標(biāo)準(zhǔn)濕度輸出電壓對應(yīng)表相對濕度（%RH）012345678910輸出電壓（V）01.0傳感器濕度計算公式濕度換算公式：濕度=輸出電壓÷0.03(%RH)電壓輸出與濕度的線性曲線如REF_Ref16248\h圖15所示。圖SEQ圖\*ARABIC15輸出電壓和濕度的關(guān)系(2)LM35溫度傳感器的輸出電壓與實際溫度值的對應(yīng)關(guān)系，如REF_Ref16369\h表6所示。表SEQ表\*ARABIC6LM35標(biāo)準(zhǔn)溫度輸出電壓對應(yīng)表溫度（℃）01020304050607080電壓（V）00.70.8LM35溫度傳感器電壓值與溫度值的計算公式：溫度值=輸出電壓÷0.01(3)如REF_Ref16565\h圖16所示LM35溫室傳感器輸出的電壓和實際的溫度之間的關(guān)系曲線。圖SEQ圖\*ARABIC16LM35輸出電壓和溫度的關(guān)系曲線1.2USB數(shù)據(jù)采集卡V板卡簡介USB數(shù)據(jù)采集卡V1.2是由恒凱科技公司生產(chǎn)的一款功能信號采集卡，如REF_Ref16725\h圖17所示，恒凱科技是一家從事一線科研工作，十年如一日的高校教師團隊，與2014年創(chuàng)立，專注于測量、智能系統(tǒng)、工業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，為客戶提供專業(yè)化、全方面的軟硬件、系統(tǒng)整合方案服務(wù)的研發(fā)制造商。數(shù)據(jù)采集卡有8路差分信號采集模式和16路單端信號采集模式兩種采集模式。AD最高采樣速度100Ksps，滿足大多數(shù)常規(guī)測量、支持差分、單端AD采集模式、支持單極性、雙極性多種量程；DA可以輸出0-10V的固定值或者輸出正弦波、三角波、方波以及任意周期波形；簡易的PWM測量可以用于頻率及占空比測試，簡易的32位加計數(shù)器可以實現(xiàn)簡單的脈沖個數(shù)記錄、同時可以輸出兩路頻率及占空比可調(diào)的PWM用于控制電機或控溫等應(yīng)用。另外還有獨立的6路開關(guān)量輸入和6路開關(guān)量輸出USB數(shù)據(jù)采集卡USB-DAQ-V1.2可工作在XP/WIN7/WIN8/WIN10等常用操作系統(tǒng)中并提供可LabVIEW、labwindows/CVI、VB.net、C#、delphi、Matlab、Vc，QT，Python等常用編程語言調(diào)用的動態(tài)鏈接庫，支持Windows、Linux常用操作系統(tǒng)，支持筆記本、個人PC、工控機、ARM嵌入式開發(fā)板及樹莓派等硬件平臺，編程函數(shù)接口簡單易用，易于編寫應(yīng)用程序。圖SEQ圖\*ARABIC17數(shù)據(jù)采集卡實物圖1.2.2數(shù)據(jù)采集卡的主要特點、性能（1）輸入端口部分8路差分采集通道/16路單端采集通道；輸入通道支持連續(xù)通道的自動掃描；開關(guān)量輸入輸出1.2.3軟件支持本次設(shè)計中用到的USB數(shù)據(jù)采集卡支持的系統(tǒng)有：winXP/Vista/Win7/Win8/Win10。1.2.4性能指標(biāo)（1）USB數(shù)據(jù)采集卡的性能數(shù)據(jù)采集卡2.0高速傳輸；采集卡的使用非常方便，把線連接好既可開始工作（2）模擬信號輸入（3）模擬信號輸出（4）數(shù)字信號輸入/輸出（5）PWM測量輸入（6）計數(shù)器（7）工作的溫度USB數(shù)據(jù)采集卡在0℃-70℃這個溫度間可正常工作。1.2.5安裝與連接安裝數(shù)據(jù)采集卡的尺寸如REF_Ref17075\h圖18所示。圖SEQ圖\*ARABIC18數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)品尺寸（2）信號連接注意事項模擬輸入：設(shè)計中用到的數(shù)據(jù)采集卡V1.2擁有16個模擬輸入端口，他的采集模式有單端采集模式和差分采集模式兩種，如REF_Ref17231\h圖19就是USB數(shù)據(jù)采集卡_DAQV1.2的模擬輸入電路圖。圖SEQ圖\*ARABIC19模擬輸入電路圖模擬輸入電路圖中的主要組件如下：連接模擬輸入信號在數(shù)據(jù)采集卡連接使用前，需要檢查數(shù)據(jù)采集卡的采集模式、量程的選擇是否正確，模擬信號的電壓最大值為10V，超過10V的話過大的電壓會導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部元件的損壞。當(dāng)采集模式為單端采集模式時，正電壓信號線接在USB數(shù)據(jù)采集卡的AD1~AD16端口，參考地接口接在USB數(shù)據(jù)采集卡的AGND模擬信號地端口，如REF_Ref18306\h圖20所示。圖SEQ圖\*ARABIC20單端模式要是采集模式為差分模式的時候，正電壓信號線只能接在數(shù)據(jù)采集卡的AD1~AD8端口，參考地接口則接在采集卡的AD8~AD16端口，并在AGND模擬信號地端口與參考地接口間連接一個大電阻，如REF_Ref18342\h圖21所示。圖SEQ圖\*ARABIC21差分模式連接圖開關(guān)量：1.-0.3V到+5.5V之間為開關(guān)量輸入電平的電壓范圍2.假如驅(qū)動的設(shè)備功率很大的話，輸出應(yīng)與設(shè)備隔離，防止干擾端子定義及排序說明如REF_Ref18521\h圖22所示。圖SEQ圖\*ARABIC22端子排序說明圖表SEQ表\*ARABIC7端子定義1.2.6板卡量程設(shè)置說明打開外殼在板卡左下角可以設(shè)置板卡AD量程，跳線W1可以選擇放大倍數(shù)（1倍或10倍），撥碼開S1可以設(shè)置衰減（1/2、1/4、1/8）和偏置（1.250V）。圖SEQ圖\*ARABIC23數(shù)據(jù)采集卡AD量程設(shè)置如REF_Ref19576\h圖23所示板卡的量程設(shè)置為±1V，取下上方跳線帽則為出廠默認(rèn)量程（±10V）。1.2.7軟件的安裝與使用驅(qū)動的安裝1、將板卡連接至計算機。2、打開與USB數(shù)據(jù)采集卡V1.2使用的資料，在文件中點擊打開“驅(qū)動安裝包”。按照自己的計算機版本和文件夾里面的步驟安裝USB數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序，假如電腦的系統(tǒng)是XP的話，安裝的驅(qū)動程序就選擇“驅(qū)動安裝包”文件夾中的XP版本的文件，電腦的系統(tǒng)是Win7、Win8、Win10的話選擇相應(yīng)的版本來安裝驅(qū)動。3、在找到適合自己電腦的驅(qū)動安裝包后點擊安裝程序，選擇“l(fā)ibusbK(v)”，在點擊“InstallDriver”。在安裝界面顯示的對話框中點擊“安裝”。5、這個時候驅(qū)動就安裝完成，點擊“Close”即可。6、當(dāng)驅(qū)動正常安裝后，在計算機的設(shè)備管理器的頁面中就會有安裝好的顯示，如下圖所示。

系統(tǒng)溫濕度采集測試2.1虛擬系統(tǒng)溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計本設(shè)計的虛擬儀器蔬菜大棚的溫濕度采集系統(tǒng)的構(gòu)成部分由計算機、傳感器、USB數(shù)據(jù)采集卡、電源組成。蔬菜大棚溫濕度采集系統(tǒng)的設(shè)計思路是將傳感器模塊采集到的溫濕度轉(zhuǎn)換為電壓信號，傳輸?shù)経SB數(shù)據(jù)采集卡進行處理并在軟件的波形圖上顯示，以便計算機進行下一步處理。本系統(tǒng)采用AMT2001溫濕度傳感器，數(shù)據(jù)采集卡為USB數(shù)據(jù)采集卡V1.2采集卡，本采集卡有體積小巧，重量小，方便攜帶等優(yōu)點。通過數(shù)據(jù)采集卡自帶的USB接線直接由計算機供電，有差分和單端兩種采集模式。AMT2001溫濕度傳感器具有精度高、體積小、成本低、可靠性高、檢測穩(wěn)定等特點。2.2虛擬系統(tǒng)實際化利用溫濕度傳感器AMT2001和USB數(shù)據(jù)采集卡將設(shè)計的溫濕度采集系統(tǒng)的功能實現(xiàn)，具體有以下的操作：溫濕度傳感器AMT2001采集溫濕度的數(shù)據(jù)，USB數(shù)據(jù)采集卡V1.2把所采集到的的數(shù)據(jù)由電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號再發(fā)到電腦，然后在由電腦上的LabVIEW平臺上編寫好的程序?qū)Σ杉降男盘栠M行顯示。設(shè)計流程圖如REF_Ref29792\hREF_Ref29802\h圖24所示。圖SEQ圖\*ARABIC24設(shè)計流程圖2.3溫濕度采集系統(tǒng)的實物連接圖溫濕度采集系統(tǒng)的實物連接圖如REF_Ref31811\h圖25所示。圖SEQ圖\*ARABIC25溫濕度采集系統(tǒng)的實物連接圖（1）溫濕度傳感器與USB數(shù)據(jù)采集卡的接線AMT2001溫濕度傳感器的黃色接線為濕度采集信號線、白色接線為溫度采集的信號線，濕度采集的信號線接在USB數(shù)據(jù)采集卡V1.2的AD1端口，AD1端口為USB數(shù)據(jù)采集卡V1.2的通道0端口，溫度采集信號線接在USB數(shù)據(jù)采集卡V1.2的AD2端口，AD2端口為USB數(shù)據(jù)采集卡的通道1端口。紅色接線是AMT2001溫濕度為傳感器的電源接口，電源電壓為2.2V-5.5V，黑色的與電源的負(fù)極并聯(lián)接在USB數(shù)據(jù)采集卡的模擬信號地接口。USB數(shù)據(jù)采集卡與計算機的接線USB數(shù)據(jù)采集卡與電腦的連接如REF_Ref2785\h圖25所示，直接把USB數(shù)據(jù)采集卡用USB數(shù)據(jù)采集卡配套的USB端口接線接入計算機的USB接口既可，如REF_Ref2785\h圖26所示。圖SEQ圖\*ARABIC26USB數(shù)據(jù)采集卡的連接圖2.4系統(tǒng)溫濕度值的采集與儲存接線完成后我們首先調(diào)試好電源電壓，確定電源電壓可以正常工作后接通電源。電源電壓給系統(tǒng)提供5V的直流電壓，所以要先對電源電壓進行調(diào)試，測量蔬菜電壓在所需電壓內(nèi)，這里我們可以用電壓表進行測量，等輸出電壓就穩(wěn)定后，最后檢查其他元器件是否正常工作，一切正常后我們就可以進行系統(tǒng)與電源的連接進行可以將系統(tǒng)與電腦連接進行溫濕度的檢測，首先我們把USB數(shù)據(jù)采集卡與計算機的USB端口連接，再用一個USB端口為AMT2001溫濕度傳感器提供電源，然后在計算機上利用LabVIEW2014軟件，打開我們之前編譯好的程序進行測試。打開我們編譯好的程序的軟件界