基于LabVIEW光敏电阻特性测试系统设计 毕业设计

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1、安徽建筑大学毕 业 设 计 (论 文)专 业 班 级 学生姓名 学 号 课 题 基于LabVIEW光敏电阻特性测试系统设计 指导教师 年 月 日目录第一章 绪论第一节 光敏电阻的最新发展方向第二节 虚拟仪器的发展史及发展动态第三节 光敏电阻测量的基本模型第二章光敏电阻的理论研究第一节光敏电阻的工作原理第二节 光敏电阻特性及主要参数第三节 几种常见材料的光敏电阻及其特性第四节 所选光敏电阻型号第三章 虚拟仪器及LabVIEW编程第一节 虚拟仪器第二节 软件LabVIEW第三节 数据采集系统软件设计第四节 转换电路第四章 实验误差分析及补偿第一节 电阻测量误差分析及补偿第二节 改善后的实验验证第五

2、章 总结参考文献致谢 摘要在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节。由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的技术不断取得突破,应用也越来越广泛 .是基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种传感器，在国防、军事、科学试验及工农业生产都有应用，主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾

3、报警器，光电跟踪系统等方面. 本设计具有有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等特点.关键词：光敏电阻；虚拟仪器；LabVIEWAbstracts This design is entitled to the photoresistor to measure light intensity, the strength of the light to change the photosensitive resistor size, so that the output voltage changes, by measuring the size of the output voltage va

4、lue can be indirectly measuring the light intensity. The design of the light intensity alarm control system and the light intensity level display circuit and illumination brightness of the display. This design uses the STC microcontroller-based control circuit, digital display light intensity, light

5、 green, yellow, red LED display brightness levels, to do with buzzer alarm circuit. The design of the circuit design principles and functions of various parts of the circuit can achieve, requiring a variety of basic electronic components, resistors, capacitors, diodes, transistors and other familiar

6、 and master the use of Proteus simulation software Protel 99 SE software tools such as mapping software and use of them. AD of the internal microcontroller to convert analog into digital, programmed to control the various peripheral circuits and to achieve its function. The design of the circuit is

7、simple, compact, low cost, superior performance characteristics.第一章 绪论1.1 光敏电阻的最新发展方向光电传感器及其相关技术的迅速发展，满足了各类控制装置及系统的更高要求，使得各领域的自动化程度越来越高，同时光电传感器重要性不断提高。目前，光电传感器发展的主要方向是：（1）多用途,一种光电传感器不仅能这对一种物理量，而且能够对多种物理量进行同时测量；（2）新型传感材料、传感技术等的开发；（3）在恶劣条件下，如高温、高压条件，低成本传感器的开发和应用；（4）光电传感器与其他微光学技术的发展.随着测控系统自动化、智能化的发展，要求

8、传感器准确度高、可靠性高、稳定性好。而且具备一定得数据处理能力，并能够自检、自校、自补偿。传统的光电传感器已不能满足这样的要求了。目前各国科学家正在按下列技术途径开发研究新材料的开发及应用主要有一下几个方面：光电子基础材料、生长源和关键设备目标：突破新型生长源关键制备技术，掌握相关的检测技术：突破半导体光电子器件的基础材料制备技术，实现产业化。研究内容及主要指标：高纯四氯化硅(4N)的纯化技术和规模化生产技术；高纯(6N)三甲基铟规模化生产技术；可协变(Compliant)对底关键技术；衬底材料制备与加工技术；用于平板显示的光电子基础材料与关键设备技术。人工晶体和全固态激光器技术目标：研究探索

9、新型人工晶体材料与应用技术，突破人工晶体的产业化关键技术，研制大功率全固态激光器，解决产业化关键技术问题。研究内容及主要指标：新型深紫外非线性光学晶体材料和全固态激光器；面向光子声子应用的人工微结构晶体材料与器件；研究开发瓦级红、蓝全固态激光器产业化技术，高损伤闽值光学镀膜关键技术(B类)，基于全固态激光器的全色显示技术；研究开发大功率半导体激光器阵列光纤耦合模块产业化技术；Yb系列激光晶体技术。新型半导体材料与光电子器件技术目标：重点研究白组装半导体量子点、ZnO 晶体和低维量子结构、窄禁带氮化物等新型半导体材料及光电子器件技术。研究内容及主要指标：研究ZnO 晶体、低维量子结构材料技术，研

10、制短波长光电子器件；自组装量子点激光器技术；IIV族窄禁带氮化物材抖及器件技术；光泵浦外腔式面发射半导体激光器。光电子材料与器件产业化质量控制技术目标：发展人工晶体与全固态激光器、GaN基材料及器件表征评价技术，解决产：业化质量控制关键技术。研究内容：重点研究人工晶体与 同态激光器、GaN基材料及器件质量监测新方法与新技术，相关产 测试条件与数据标准化研究。利用新的加工技术 (度全色显示材料与器件应用技术)目标：研究开发用j 场致电子发射平板显示器(FED)材料和器件结构，以及超高亮度冷阴极发光管制作和应用的关键技术。说明：等离子体平板 示器和高亮度、长寿命有机发光器件(OLED)和FED 的

11、产、 化关键技术将于“平板显示专项”中考虑。研究内容：超高亮度冷阴极发光管制作和应用的关键技术；研制FED用的、能够在低电压下工作的新型冷阴极电子源结构、新型冷阴极电子发射材料。超高密度光存储材料与器件技术目标：发展具有自主知识产权的超高密度、大容量、高速度光存储材料和技术，达到国际先进水平，为发展超高密度光存储产业打下基础。研究内容： DVD光头用光源和非球面透镜等产业化关键技术：新型近场光存储材料和器件。光传感材料与器件技术目标：以特殊环境应用为目的，实现传感元器件的产业化技术开发，研究开发新型光电传感器。研究内容：光纤光栅温度、压力、振动传感器的产业化技术；锑化物半导体材料及室温无制冷红

12、外焦平面探测器技术；大气监测用高灵敏红外探测器及其列阵；基于新概念、新原理的光电探测技术。新型有机光电子材料及器件目标：研究开发新型有机半导体材料及其在光显示等领域的应用。研究内容：有机非线性光学材料及其在全光光开关中的应用： 有机半导体薄膜晶体管材料与器件技术。利用新的测量原理和方法谐振式传感器输出的数字量，可以直接和微机及接口总线连接，不用AD 转换器。另外，光纤传感器、化学传感器、生物传感器等新型传感器，为智能传感器提供了新的信息来源。光电传感器的智能化发展智能光电传感器是当今国际科技界研究的热点、尚无统一的、确切的定义。目前国内外学者普遍认为，智能光电传感器是由传统的光电传感器和微处理

13、器(或微计算机)相结合而构成的，它充分利用计算机的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并能对它的内部行为进行调节，使采集的数据最佳智能光电传感器的功能有：自补偿能力。自校准功能，自诊断功能，数值处理功能，双向通信功能，信息存储和记忆功能，数字量输出功能随着科学技术的发展，智能传感器的功能将逐步增强，它将利用人工神经网、人工智能、信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等)，使传感器具有更高级的智能具有分析、判断、自适应、自学习的功能、可以完成图像识别、特征检测、多维检测等复杂任务。1.2虚拟仪器的发展史及发展动态（1）虚拟仪器的发展虚拟仪器的起源可以追朔到20世纪70年代，那时计算机测

14、控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展，大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又可以说是同步进行的。第一阶段，利用计算机增强传统仪器的功能。由于GPIB总线标准的确立，计算机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过GPIB和RS-232同计算机连接起来，用户就可以用计算机控制仪器。随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机控制测控仪器成为一种趋势。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。 第二阶段，开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入式计算机数据处理卡 ( plug-in PC-DAQ )；二是VXI仪器总线标准的确立。这些新的技术使仪器的构成得以开

15、放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。第三阶段，虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。许多行业标准在硬件和软件领域以产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。发展到这一阶段，人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键.(2) 把虚拟仪器用于光敏电阻性能测试两者相结合的特点虚拟仪器将所有的仪器控制信息均集中在软件模块中，可以采用多种方式显示采集的数据、分析的结果和控制过程。这种对关键部分的转移进一步增加了虚拟仪器的灵活性。虚拟仪器利用计算机强大的图形用户界

16、面，用计算机直接读数。根据工程的实际需要，使用人员可以通过软件编程或采用现有分析软件，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理。虚拟仪器可实时、直接地对数据进行编辑，也可通过计算机总线将数据传输到存储器或打印机.1.3光敏电阻测量的基本模型第二章光敏电阻的理论研究2.1光敏电阻的工作原理2.1.1光敏电阻原理光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极

17、，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降.照愈强，阻值愈低.射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电

18、压，也加交流电压.导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少2.1.2 光敏电阻使用时注意事项光敏电阻在使用中应注意以下几个问题：(1)用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光电特性匹配;(2)要防止光敏电阻受杂散光的影响;(3)要防止使光敏电阻的电参数(电压、功耗)超过允许值;(4)根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。一般说，用于数字信息传输时，选用亮电阻与暗电阻差别大的光敏电阻为宜，且尽量选用光照指数大的光敏电阻;用于模拟信息传输时，则以选用光照指数值小的光敏电阻为好，因为这种光敏电阻的线性特性好 2.1.3光敏电阻检测方法光敏电阻的好坏影响着物品的使用性能，下面我们就来介绍一下光

19、敏电阻的三种不同检测方法：检测方法A:用黑纸覆盖光敏电阻,让半透明的窗口保持完好，此时指针万用表电阻为无穷大。该值越高，光敏电阻的性能就越好。如果这个值是非常小或接近零，就表明光敏电阻烧毁损坏，不能继续使用。检测方法B:将光源对准光敏电阻的半透明窗口。万用表的指针在这个时候应该出现较大幅度的摆动阻力要少得多一定数值越低，则表明它的光敏电阻性能越好。如果这个值甚至无限大，表明光敏电阻内部损坏不能再继续使用。检测方法C:将光敏电阻透光窗口对准入射光线，在阴凉处光敏电阻LDR半透明的感光窗口，用黑纸，设备指针左右摆动的黑纸颤抖着。如果仪表指针始终停在一个位置的震动和摇晃光敏电阻的光敏材料被损坏2.1

20、.4光敏电阻优缺点缺点：根据不同的温度影响较大响应速度不快，在ms到s之间，延迟时间受入射光的光照度影响（光电二极管无此缺点，光电二极管灵敏度比光敏电阻高）比较耗材 优点：环氧胶封装（环氧涂层），可靠性（可靠性高）的尺寸小（体积小）和高灵敏度（高灵敏度），反应速率（快速反应）的光谱特性（良好的频谱特性）该直流电源可独立使用的内部光电效应和电极（光电二极管仅涉及）灵敏度和半导体材料，和波长的入射光2.2光敏电阻特性及主要参数根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：紫外光敏电阻器、红外光敏电阻器、可见光光敏电阻器。光敏电阻的主要参数有： （1）光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当

21、有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示（2）暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。（3）灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。（4）光谱响应。光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。（5）光照特性。光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的

22、增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非线性。（6）伏安特性曲线。伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。（7）温度系数。光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。（8）额定功率。额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其小号的功率就降低 硫化镉光敏电阻的伏安特性 光敏电阻的光照特性 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的频率特性2.3光敏电阻各种特性实验测量一、暗电阻的测量 从GDS

23、-型实验平台备件箱中取出光敏电阻实验装置，并将光敏电阻探测器实验装置11 的引线连接到实验平台上的半导体光电传感器插孔内，并用导线将光敏电阻及测量电表连接成如图2-1所示电路，电路中的电流表用实验平台主机提供的数字微安表，电源也使用由实验平台提供的数字电压表，可调电源应该用平台上提供的12V电源、电位器、电阻与三极管等元器件自行设计装调出可调电压的电源。 实验时，应该首先测量光敏电阻的暗电阻。测量时千万不要打开光敏电阻实验装置的保护窗盖，必须使它始终处于暗室状态才能测出它的真实暗电阻，否则由于光敏电阻的惯性与前历效应使你在实验阶段无法测出准确的暗电阻。 按着如图2-1所示的测量电路测出它的暗电

24、流Id，它与电源电压Ubb之比的倒数即为光敏电阻的暗电阻Rd。将所测得的电源电压Ubb值与电流Id值分别填入表2-1，得到光敏电阻暗电阻的阻值。 表2-1光敏电阻暗电阻的测量二、亮电阻的测量 光敏电阻的亮电阻测量装置如图2-2所示，测量电路依然如图2-1所示。当光敏电阻在一定的光照下（可以用数字照度计事先测出LED光源在不同电流下的照度值确定），测得的电流IP与电源电压Ubb（测量亮电阻时为确定值如12V）之比的倒数为光敏电阻的亮电阻阻值RL。将所测得的电源电压Ubb值与电流IP填入表2-2，利用测量数据计算光敏电阻的亮电阻值。并在图2-3中画出亮电阻的特性曲线。三、光敏电阻光照特性的测量 利

25、用GDS-型光电综合实验平台，按图2-1所示的测量电路连接便可以进行光敏电阻光照特性的测量实验。实验前，先将发光二极管用数字照度计进行标定，得到发光管电流If与受光面照度Ev间的对应关系。然后，将光敏电阻的光敏面置于照度计标定过的受光面上。通过改变发光管电流If获得不同光照度Ev所对应的阻值Rp。将If与阻值Rp或（照度Ev与阻值Rp）用直角坐标系画出，该曲线即为光敏电阻的光照特性曲线。四、光敏电阻的伏安特性及其测量 利用GDS-型光电综合实验平台提供的硬件资源与示波输入端口很容易构成光敏电阻伏安特性的测量系统。光敏电阻的伏安特性是光敏电阻在一定光照下加在光敏电阻两端的电压U与流过的电流Ip间

26、的关系曲线。由于光敏电阻的本质是电阻，因此，伏安特性曲线应为直线。 先将发光二极管光源与GDS-型光电实验平台的电源连接起来，并用照度计测出光敏面的照度，并作记录；再将光敏电阻探头的光敏面安装到受照面上，用连接线将光敏电阻和电源、测量仪表连接成如图2-1所示的测量电路。改变电源电压，得到一族U与Ip间的关系值，在如图2-3所示直角坐标系下画出UIp特性曲线，即为光敏电阻的伏安特性曲线。 图2-4 锯齿波与阶梯波扫描波形图当然，利用光电实验平台提供的如图2-4所示的锯齿波扫描电压与同步阶梯波可以很方便地测出光敏电阻的伏安特性曲线。测量方式为在如图2-1 所示的电路中用锯齿波扫描电压代替电源，用阶

27、梯波给LED 光源提供阶梯光照到光敏电阻上，用锯齿波做X 轴扫描，用流过光敏电阻的电流在外接固定电阻上产生的电压为Y 轴就可以测出它的伏安特性曲线，如图2-5 所示。图2-5 光敏电阻的伏安特性实验时，应该先用平台提供的LED 光源与被测光敏电阻实验装置与连接导线和元器件构成测量电路。五、时间响应特性及其测量 光敏电阻是半导体光电器件中时间响应特性最强（或惯性最大）的器件，掌握它的测量方法有利于正确应用这类器件，同时也为测量其他光电器件的时间响应奠定基础。 1. 时间响应特性 参考“光电技术”第2 章2.2 节中光敏电阻时间响应特性的内容，掌握光敏电阻在弱辐射与强辐射条件下光敏电阻时间响应的不

28、同。(1) 弱辐射条件下的时间响应 设入射辐射如图2-6 上方的方波所示光脉冲，其辐射通量 e 表示为光敏电阻的光电导率 和光电流Ie 随时间变化的规律为如图2-6 下方所示的输出波形，其变化规律为：式中 0 与Ie0 分别为弱辐射作用下的光电导率和光电流的稳态值。显然，当t r 时， = 0，Ie =I e0；当t = r 时， =0.63 0，I =0.63I e0； r 定义为光敏电阻的上升时间常数，即光敏电阻的光电流上升到稳态值I e0 的63%所需要的时间。 停止辐射时，入射辐射通量 e 与时间的关系为同样，可以推导出停止辐射情况下的光电导率和光电流随时间的变化规律当t = f时，

29、0 下降到 =0.37 0，I e0 下降到I =0.37I e0；当t f 时， 0 与I e0 均下降到0；可见，在辐射停止后，光敏电阻的光电流下降到稳态值的37%所需要的时间称为光敏电阻的下降时间常数，记为 f。 显然，光敏电阻在弱辐射作用下的上升时间常数 r与下降时间常数 f 近似相等。 （2）强辐射条件下的时间响应 如图2-7 所示为较强的辐射通量 e （图的上方）脉冲作用于光敏电阻上时的输出波形（图的下方波形），无论对本征型还是杂质型的光敏电阻，光激发载流子的变化规律由式（2-6） 表示。设入射辐射为方波脉冲光敏电阻电导率的变化规律为 s其光电流的变化规律为显然，当t 时， = 0

30、，Ie =I e0；当t= 时， =0.76 0，Ie=0. 76 Ie0。在强辐射入射时，光敏电阻的光电流上升到稳态值的67%所需要的时间 r 定义为强辐射作用下的上升时间常数。 当停止辐射时，由于光敏电阻体内的光生电子和光生电荷需要通过复合才能恢复到辐射作用前的稳定状态，而且随着复合的进行，光生载流子数密度在减小，复合几率在下降，所以，停止辐射的过渡过程要远远大于入射辐射的过程。停止辐射时光电导率和光电流的变化规律可表示为 2.3几种常见材料的光敏电阻及其特性外观尺寸： 基板:L3.3mm0.2mmW3.0mm0.1mmH1.8mm引线长:L36mm0.2mm /引线直径：0.4mm封装类

31、型：属环氧树脂封装/直插型（DIP)常用型号：LXD3526 / LXD3537 / LXD3548规格：光敏电阻4mm外观描述: 基板:L12mm0.3mmW10.5mm0.2mmH2.5mm引线长:L36mm0.2mm /引线直径：0.4mm封装类型：属环氧树脂封装/直插型（DIP)常用型号：LXD12516 / LXD12528 / LXD12537 / LXD12539 / LXD12549 /规格：光敏电阻20mm系列 外观描述: 基板:L20mm0.4mmH2.5mm引线长:L25mm2mm /引线直径：1.0mm封装类型：属环氧树脂封装/直插型（DIP)常用型号：LXD20516

32、 / LXD20528 / LXD20537 / LXD20539 / LXD20549 /规格：光敏电阻25mm系列 外观描述: 基板:L25.5mm1.5mmW3.0mm0.1mH2.8mm引线长:L30mm0.2mm /引线直径：1.0mm封装类型：属环氧树脂封装/直插型（DIP)常用型号：LXD25516 / LXD25528 / LXD25537 / LXD25539 / LXD25549 /2.4 GL4526光敏电阻型号最大功耗(mW)环境温度（）光谱峰值(nm)亮电阻(K)暗电阻（M最大电压(VDC)价格（圆）直径（mm）GL452650-30+70 54010-20 1150

33、14 GL4526光敏电阻第三章 虚拟仪器及LabVIEW编程3.1虚拟仪器3.1.1虚拟仪器简介虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要.3.1.2虚拟仪器的系统构成 虚拟仪器由硬件设备与接口、

34、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可以是各种以PC为基础的内置功能插卡、通用接口总线接口卡、串行口、VXI总线仪器接口等设备，或者是其它各种可程控的外置测试设备，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便1.1 虚拟仪器系统的硬件构成虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬 专用虚拟仪器系统件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌

35、入式计算机等。它管理着虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。因此，计算机技术在显示、存储能力、处理器性能、网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。按照测控功能硬件的不同，VI可分为DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口总线五种标准体系结构，它们主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。1.2虚拟仪器系统的软件构成测试软件是虚拟仪器的主心骨。NI公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就用软件就是仪器来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的重要位置。NI公司从一开始就推出丰富而又简洁的虚拟仪器开发软件。使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编

36、制不同的测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试任务。在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析，使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能3.1.3虚拟仪器优势编辑本段优势同其他技术相比，虚拟仪器技术具有四大优势：性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全继承 虚拟仪器系统框图了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得

37、虚拟仪器技术展现其更强大的优势。扩展性强NI的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。这得益于NI软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。在利用最新科技的时候，我们可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。开发时间少在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器 传统仪器与虚拟仪器构成比较仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使我们轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案3.2软件

38、LabVIEW 3.2.1 软件LabVIEWLabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。LabVIEW是一个革命性的图形化开发环境，内置信号采集，测量分析和数据显示功能，作为传统的开发工具的复杂性，为您提供强大的功能，也保证了系统的灵活性。 LabVIEW进行广泛的数据采集，分析和显示功能集中在同一环境中，让你可以根据自己的平台上无缝地集成一套完整的应用程序，它广泛地被

39、工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW 2集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣特点是尽可能采用了通用的硬件，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，可以创造出功能更强的仪器。 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。3.2.2 LabVIEW优点LabVIEW有很多优点优点，尤其

40、是在某些特殊领域其特点尤其突出。测试测量：LABVIEW最初就是为测试测量而设计的，因而测试测量也就是现在LABVIEW最广泛的应用领域。经过多年的发展，LABVIEW在测试测量领域获得了广泛的承认。至今，大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的LabVIEW驱动程序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制这些硬件设备。同时，用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域的LabVIEW工具包。这些工具包几乎覆盖了用户所需的所有功能，用户在这些工具包的基础上再开发程序就容易多了。有时甚至于只需简单地调用几个工具包中的函数，就可以组成一个完整的测试测量应用程序。控制：控制与测试是两个相关度非

41、常高的领域，从测试领域起家的LabVIEW自然而然地首先拓展至控制领域。LabVIEW拥有专门用于控制领域的模块-LabVIEWDSC。除此之外，工业控制领域常用的设备、数据线等通常也都带有相应的LabVIEW驱动程序。使用LabVIEW可以非常方便的编制各种控制程序。仿真：LabVIEW包含了多种多样的数学运算函数，特别适合进行模拟、仿真、原型设计等工作。在设计机电设备之前，可以先在计算机上用LabVIEW搭建仿真原型，验证设计的合理性，找到潜在的问题。在高等教育领域，有时如果使用LabVIEW进行软件模拟，就可以达到同样的效果，使学生不致失去实践的机会。儿童教育：由于图形外观漂亮且容易吸引

42、儿童的注意力，同时图形比文本更容易被儿童接受和理解，所以LabVIEW非常受少年儿童的欢迎。对于没有任何计算机知识的儿童而言，可以把LabVIEW理解成是一种特殊的“积木”：把不同的原件搭在一起，就可以实现自己所需的功能。著名的可编程玩具“乐高积木”使用的就是LabVIEW编程语言。儿童经过短暂的指导就可以利用乐高积木提供的积木搭建成各种车辆模型、机器人等，再使用LabVIEW编写控制其运动和行为的程序。除了应用于玩具，LabVIEW还有专门用于中小学生教学使用的版本。快速开发：根据笔者参与的一些项目统计，完成一个功能类似的大型应用软件，熟练的LabVIEW程序员所需的开发时间，大概只是熟练的

43、C程序员所需时间的1/5左右。所以，如果项目开发时间紧张，应该优先考虑使用LabVIEW，以缩短开发时间。跨平台：如果同一个程序需要运行于多个硬件设备之上，也可以优先考虑使用LabVIEW。LabVIEW具有良好的平台一致性。LabVIEW的代码不需任何修改就可以运行在常见的三大台式机操作系统上：Windows、Mac OS 及 Linux。除此之外，LabVIEW还支持各种实时操作系统和嵌入式设备，比如常见的PDA、FPGA以及运行VxWorks和PharLap系统的RT设备3.3数据采集系统软件设计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.各

44、种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦.数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决. 采样频率、抗混叠滤波器和样本数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=0, t,2 t,3 t . 等等，x(t) 的数值就被称为采样值。所有 x(0),xt),x(2t) 都是采样值。下图显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。样间隔是t，注意，采样点在时域上是分散的。模拟信号和采样显示如果对信号x(t)采集 N 个采样点，那么x(t)就可以用下面这

45、个数列表示： 模拟信号和采样显示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奈奎斯特频率，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，信号将在直流和奈奎斯特频率之间畸变。 图2显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。采样率过低的结果是还原的信号的频率

46、看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠(alias)。出现的混频偏差(alias frequency)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。不同采样率的采样结果不同采样率的采样结果图3给出了一个例子。假设采样频率fs是100HZ, 信号中含有25、70、160、和510Hz的成分。说明混叠的例子采样的结果将会是低于奈奎斯特频率(fs/2=50 Hz)的信号可以被正确采样。而频率高于50HZ的信号成分采样时会发生畸变。分别产生了30 、40和10 Hz 的畸变频率 F2、F3和F4 。计算混频偏差的公式是： 混频偏差ABS(采样频率的最近整数倍输入频率其中ABS表示绝对值，例如

47、：混频偏差 F2 = |100-70| = 30 Hz混频偏差 F3 = |(2)100-160| = 40 Hz混频偏差 F4 = |(5)100-510| = 10 Hz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。在图的例子中，这个滤波器的截止频率自然是25HZ 。这个滤波器称为抗混叠滤波器。采样频率应当怎样设置呢？也许你可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率。但是，较长时间使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数据太慢。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，实际上工程中选用510倍，有时

48、为了较好地还原波形，甚至更高一些。通常，信号采集后都要去做适当的信号处理，例如 FFT 等。这里对样本数又有一个要求，一般不能只提供一个信号周期的数据样本，希望有510个周期，甚至更多的样本。并且希望所提供的样本总数是整周期个数的。这里又发生一个困难，有时我们并不知道，或不确切知道被采信号的频率，因此不但采样率不一定是信号频率的整倍数，也不能保证提供整周期数的样本。我们所有的仅仅是一个时间序列的离散的函数 x(n) 和采样频率。这是测量与分析的唯一依据3.4转换电路 转换器是将一种信号转换成另一种信号的装置。信号是信息存在的形式或载体。在自动化仪表设备和自动控制系统中，常将一种信号转换成另一种

49、与标准量或参考量比较后的信号，以便将两类仪表联接起来。一般是将电流信号转换电压信号或者电压信号转换为电流信号3.4.1 电平转换电路在数字电路系统中，一般情况下，不同种类器件(如TTL、CMOS、HCMOS等)不能直接相连；电源电压不同的CMOS、HCMOS器件因输出电平不同也不能直接相连，这就涉及到电平转换问题。所幸的是目前单片机应用系统中的MCU、存储器、P监控芯片、I/O扩展与接口电路芯片等多采用HCMOS工艺；另一方面74LS系列数字电路芯片已普遍被74HC系列芯片所取代。即数字电路系统中的门电路、触发器、驱动器尽可能采用74HC系列（或高速的74AHC系列）芯片、CD40系列或CD4

50、5系列的CMOS器件(速度较HCMOS系列慢，但功耗比HC系列芯片低、电源电压范围宽。当电源电压大于5.5V时，CMOS数字逻辑器件就成了唯一可选的数字IC芯片)，尽量不用74LS系列芯片(速度与74HC系列相同，但电源范围限制为5.0V5%、功耗大、价格甚至比74HC系列高)与74系列(在74系列中，只有输出级可承受高压的7406、7407 OC门电路芯片仍在使用)。根据CMOS、HCMOS芯片输出高低电平特征、输入高低电平范围，在电源电压相同，且不大于5.5V情况下，这些芯片能直接相连。因此，在现代数字电子电路中只需解决不同电源电压CMOS、HCMOS器件之间的连接问题。3.4.2高压器件

51、驱动低压器件接口电路高压器件驱动低压器件(如5V驱动3V或9V驱动5V、3V)时，一般不能直接相连，应根据高压器件输出口结构(漏极开路的OD门、准双向或CMOS互补推挽输出)选择相应的接口电路。对于OD输出引脚，可采用图7-42(a)所示电路，上拉电阻R一般取10K510K之间，具体数值与前级输出信号频率有关：输出信号频率高，如1MHz以上方波信号，R取小一些；输出信号频率低，R可取大一些，以减小输出低电平时上拉电阻R的功耗。对于CMOS互补推挽输出、准双向(如MCS-51的P1、P2、P3口)输出，须在两者之间加隔离二极管，如图7-42(b)所示，其中电阻R选择与图(a)相同，二极管D可采用

52、小功率开关二极管，如1N4148。前级输出高电平时,二极管D截止，后级输入高电平电压接近电源电压。当前级输出低电平时，二极管D导通，后级输入低电平电压=+(二极管导通压降)。显然1.0V，就能正常工作仪器用于机房和通信设备的现场中，干扰源较多。为了减少对采样数据的干扰，提高仪器系统性能，在数据处理之前，需对采样数据进行数字滤波。所谓数字滤波，就是通过特定的计算程序处理，减少干扰信号在有用信号中所占的比例，实质上是一种程序滤波第四章 实验误差分析及补偿4.1电阻测量误差分析及补偿4.1.1实验方案说明 (1)传感器选择：选用光敏电阻作为采集光照信号的传感器。(2)电阻测试：在室外太阳光强照射下、

53、室内适宜光照下、室内昏暗条件下三种光照条件下分别测的光敏电阻的阻值为=15.6k欧。(3)方案原理图：系统功能描述：考虑到系统的实用价值,确定了光照适宜时的光敏电阻值的范围为1.4-3.6k欧，当光照过强时，LED1点亮，蜂鸣器报警；光照适宜时，LED2点亮；黑暗时，LED3点亮，蜂鸣器也报警。即光照不适宜时就会报警，所以该系统不但可以完成光强的显示、报警，而且可以判断光照是否适宜。原理框图如下：数码管显示电路报警电路光敏电阻光敏电阻信号转换电路信号处理电路 图1 原理框图4.1.2方案论证(1)光照强度的信号采集部分采用光敏电阻作为信号采集器件。光敏电阻是基于光电导效应的一种光电器件，无光照

54、时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小； 当受到光照时，半导体材料电导率增加，电阻减小。其阻值随光照增强而减小。光敏电阻作为光电式传感器的一种，它具有灵敏度高、光谱响应范围宽；体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐震动、抗过载能力强和寿命长等特点。所以选择光敏电阻采集光照信号，并把不同的光照强度转化为不同的电阻值。把光敏电阻串联在直流电路中即可把不同的电阻值转化为不同的电压值，电路如原理图所示。于是，就把对光照信号的处理转化为对电压信号V的处理。(2)信号处理部分：采用集成电压比较器LM358N作为信号处理的核心元件，电路连接如原理图所示。光强、适宜、黑暗三种光照状态转换为

55、三个电压值V1，V2，V3作为比较器的输入电压；两个比较器设置两个参考电压Vref1，Vref2。工作过程分析如下：光照较强时V1 Vref1Vref2，两个比较器的输出电压分别为（5V，0V）；光照适宜时Vref1V2 Vref2， 两个比较器的输出电压分别为（-5V，0）； 光照黑暗时V3 Vref2 Vref1 两个比较器的输出电压分别为（-5V，5V）。这样就完成了从模拟信号到数字信号的转换,显示部分就变得容易了。(3)光强显示部分采用数码管管显示不同的光强状态。由于比较器的驱动能力有限，所以在输出端加一个上拉电阻提高其驱动能力。电路连接如原理图所示，分析如下：当光照较强时，两个比较器

56、的输出电压分别为（5V，0V），LED1点亮；光照适宜时， 两个比较器的输出电压分别为（-5V，0），LED2被点亮； 光照黑暗时，两个比较器的输出电压分别为（-5V，5V），LED2、LED3被点亮。这样三种状态就显示出来了。4.2.实验结果1.暗电阻的测量测量次数电源电压U(v)电流I(mA)暗电阻R()计算公式150无穷R=U/I2100无穷3120无穷4150无穷2 亮电阻测量测量次数电源电压U(v)入射光照强度E(lm) 电流I(mA)亮电阻R()计算公式1121001.95615R=U/I2121205.52183121406.51.854121607.041.705121808.

57、021.506122008.301.453光敏电阻的光照特性入射光照强度E(lm)100120140160180200电流I(mA)1.955.56.57.048.028.304光敏电阻的伏安特性4.2改善后的实验验证第五章 总结我认为设计此装置可以让我们得到适宜的光照，便于调节。可以用于大棚蔬菜的培养，路灯的控制，汽车的在夜间行驶时突遇强光照射司机的眼睛等问题。当汽车行驶时，光照很强照在司机的眼睛上时，光敏电阻可在到达司机眼睛之前感受到光照增强此时可将报警装置改为一个自动放下虑光板，可以保护眼睛同时可以避免交通事故的发生。此装置用于路灯的控制，因为冬夏的日照不同，此装置可根据亮度的不同控制路

58、灯，这样一来可以节省资源同时可以在最需要的时候开启路灯。通过本次课程设计，我对传感器、电路系统设计有了更深的的理解也加强了我的实际动手能力。也第一次这么近距离的了解自动化的含义，了解传感器。接触到我们以后需要使用和进一步了解的程序。不管是电路理论，还是实际应用，经过此次设计后我的能力都有了不少提升。同时在本次课程设计时，也暴露了自己的不少毛病，如设计过程中缺乏规范化，标准化，仿真软件不熟悉等。刚开始的的时候，Protel完全不会，但经过两天的摸索，也逐步上手了。通过这几天的努力奋斗，最终做出电路原理图，心里有一种莫名的成就感。在这次课程设计中，我也有很多不足，做事太急。方案的设计没有能实现很多

59、的功能，知识面狭隘，学过的知识遗忘了。我会努力将基础打牢，争取在下一次的课程设计中有新颖的想法，做的东西功能更为全面。平常我们上课学习理论知识有时觉得挺容易的，但一旦自己真正动手设计，才发现自己有很多不足。只有实践才能提高自己的能力，因此我希望有更多类似课程设计六 主要参考文献：（1） 传感器简明手册及应用电路-压力传感器手册作者：刘畅生钟龙刘煦贾静刘畅生出版社：西安电子科技大学出版社（2）LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计清华大学出版社侯国屏等主编（3）传感器机械工业出版社强锡富等主编（4） 智能检测与控制技术作者：王仲生出版社：西北工业大学出版社（5）LabVIEW程序设计与应用电子工业出版社杨乐平等主编（6）基于LabVIEW的虚拟实验室与传感器虚拟仪器的设计及实现 作者：王磊 太原理工大学（7）网络资源