基于LabVIEW的温湿度测量系统

0 引 言
    计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。虚拟仪器是基于计算机的仪器，是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。
    虚拟仪器的主要特点有：尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件；可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能强大的仪器；用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。
    随着气象事业的逐步发展，气象要素的数据测量也步入自动化。传统的气象要素测量系统体积庞大，所需要的硬件设备较多，使用时受人员、地点、空间等诸多因素的影响较大。而且这类测量系统和传统仪器一样，功能、作用都由生产商在生产时定义好，一旦成型，用户就无法在使用过程中根据自身的需要对仪器的功能和作用进行重新定义。而如果借助虚拟仪器技术的易开发、灵活性强和使用方便等优点，将其和传统测量系统结合起来，就可以利用虚拟仪器技术并结合无线数据传输模块，来完成气象要素的数据采集和处理功能，还可以根据用户自身的需要来对系统的功能和作用进行自我定义和修改，节省了大量的人力、物力，使得对于气象要素的数据采集和处理变得更加简单、方便。

l 硬件设计
    该系统采用DAQ(Data Acquisition)系统结构。它包括数据采集卡、驱动程序、应用软件和计算机等。整个测量系统的结构框图如图1所示。

1．1 温湿度传感器
    在该系统中，采用了瑞士Sensirion数字式温／湿度传感器SHT75。该传感器将相对湿度和温度测量合二为一，它包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料的温度敏感元件，这两个元件与一个14位的A／D转换器以及一个串行接口电路设计在一个芯片中，在使用上更加方便。它的温度测量范围为一40～120℃，在25℃时精度为0．5℃，0～40℃时精度为O．9℃，反应时间20 s，分辨率为O．01℃。其相对湿度测量范围为O～100% RH，精度为±2．0%，反应时间为4 s，分辨率达到0．03％RH。该传感器具有反应时间短，极高的可靠性和长期稳定性等优点，已经被广泛地应用于数据采集、自动化过程控制、汽车行业、电力、计算测量以及医学等领域。
1．2 数据采集卡
    数据采集卡可以轻松地实现外部数据和计算机的通信。这里采用美国NI(National Instruments)公司的USB一6210数据采集卡。USB不仅是一种非常流行的总线，它还十分易于使用。NI公司的USB数据采集卡可以充分利用USB的即插即用功能，从而使其安装变得极为简单。
    使用NI公司的数据采集卡，大大简化了安装和驱动，NI公司开发的虚拟仪器开发平台LabVIEW中含有的数据采集助手控件可以提供硬件驱动程序，使得可以轻松、便捷地实现软件和硬件的通信。

2 软件平台
    实现该系统功能的软件也是该系统的核心部分采用NI公司的LabVIEW。
    LabVIEW是一种基于图形化的计算机编程语言，其全称为Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench(实验室虚拟仪器集成环境)，是由美国NI公司创立的功能强大的虚拟仪器开发平台。
    传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序的执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序。它用图标表示函数，用连线表示数据流向。LabVIEW还提供了很多外观与传统仪器类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在LabVIEW中被称为前面板。如图2所示，即为该温湿度测量系统的前面板。

使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G(Graphics)代码。LabVIEW的图形化源代码在某种程度上类似于数据流流程图，因此又被称作程序框图代码。前面板上的每一个控件对应于程序框图中的一个对象，当数据“流向”该控件时，控件就会根据自己的特性以一定的方式显示数据，例如开关、数字或图形。
    LabVIEW中的DAQ软件NI—DAQmx包含支持200多种NI数据采集设备的驱动，并提供相应的VI函数。此外它还包含Measurement & Automation Ex—plorer(MAX)、数据采集助手(DAQ Assistant)以及VILogger数据记录软件，可以节省大量的系统配置、开发和数据记录时间。在该系统中，利用LabVIEW中的数据采集助手(DAQ Assistant)可以轻松实现对数据采集卡的配置，完成对采集通道的具体设置。
    图3为该系统的部分程序框图。由于温湿度随时间变化不大，所以每十分钟对环境要素进行一次测量。为减小干扰对采集造成的误差，每次测量采集6个数据，去掉1个最大值和1个最小值，并对剩下的4个值取平均值，作为这一时间内的有效数据。

数据进入计算机后使用LabVIEW进行显示和存储。LabVIEW有强大的文件I／O函数，可以将采集到的数据以一定的格式存储在文件中保存，用以满足用户不同的文件操作需要。系统设计采用表单文件对数据进行存储记录。它将数据数组转换成ASCII码存放在电子表格文件中，设计中将以测量日期作为文件的命名，每一天测量的数据存放在一个表格中。用户可以通过前面板界面输入日期来查看历史数据，还可以通过Excel等第三方软件进行查看。

3 结语
    该测量系统利用LabVIEW开发，将气象要素和虚拟仪器结合在一起，具有体积小、使用灵活、方便等特点。此外，只要用户对LabVIEW有所熟悉，就可以根据自身对仪器作用的要求自行改变功能，轻松实现用户需要的操作，具有较强的功能拓展性。不过该系统还存在着需要改进的地方，采集数据时对外界环境的抗干扰能力还有待加强。