LabVIEW的太阳能热水器监控系统设计电气与自动化工程[20200121204853]
摘要
本课题设计了一款基于LabVIEW和NI ELVIS 数据采集卡的太阳能热水器智能监控系统。该监控系统可以实时对太阳能热水器的水位和水温进行监控，并连续的进行分析处理，把处理结果显示在前面板上。该系统可以自动进行上水、加热、放水、故障报警、历史数据保存等实用的功能。该系统更加智能化，与传统太阳能热水器大不相同。
根据太阳能热水器的特点和对相关控制器的要求，本课题提出了一种基于LabVIEW的太阳能热水器监控系统的设计方案。该系统能够使太阳能热水器的状态实时被监控，其结构简单、成本低廉且实时监控精度高,能被用于太阳能热水器等装置上,具有很好的实用前景。
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关键字:太阳能热水器传感器虚拟仪器技术LabVIEW2010数据采集卡
目 录
1. 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 主要内容和论文结构 3
1.3.1 主要内容 3
1.3.2 论文结构 3
2. 基于虚拟仪器技术的数据采集系统概述 5
2.1 虚拟仪器技术简介 5
2.2 LabVIEW图形化程序的组成与特点 5
2.3 LabVIEW开发平台设计系统的优点 7
2.4虚拟仪器的发展前景 7
2.5基于LabVIEW的数据采集系统设计 8
2.5.1 数据采集卡的定义与分类 8
2.5.2 采样定理 8
2.5.3 数据采集卡通道介绍 9
2.6 本章小结 13
3. 基于LabVIEW的太阳能热水器监控系统总体设计 14
3.1 监控系统总体结构 14
3.2 监控系统总体功能介绍 15
3.3 本章小结 17
4. 太阳能热水器监控系统硬件配置 18
4.1 NI ELVIS 数据采集卡介绍 18
4.2 传感器 20
4.2.1 传感器的选择 20
4.2.2 温度传感器 21
4.2.3 压强传感器 23
4.3 信号调理电路 23
4.3.1 温度传感器的信号调理电路 24
4.3.2 压强传感器的信号调理电路 24
4.4 本章小结 25
5. 系统软件设计与功能实现 26
5.1 软件结构设计 26
5.2 监控系统软件流程设计 26
5.3 太阳能热水器监控系统的前面板设计 28
5.4 太阳能热水器监控系统的软件程序框图设计 29
5.4.1 初始化程序设计 29
5.4.2 采集水温和水位程序设计 30
5.4.3 放水控制程序设计 32
5.4.4 加热控制程序设计 33
5.4.5 保存数据程序设计 35
5.4.6 退出VI程序设计 35
5.5 调试结果与分析 35
5.6 本章小结 38
6. 总结与展望 38
6.1 总结 39
6.2 展望 39
参考目录 40
致谢 42
1. 绪论
1.1 研究背景与意义
太阳能是目前世界上已知的最可靠、安全、绿色无污染的能源之一。随着世界上主要能源煤炭、石油、天然气储量的日益减少，能源危机越来越严重化，可再生能源太阳能被人类看中，并正在抓紧研究开发利用。
在太阳能开发利用中，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品。同时给人类提供不耗能源、不污染环境、相当安全可靠的热水而受到人们的普遍欢迎。我国从1981年开始推广太阳能热水器，到目前全国已有几百万平方米采光面积的太阳能热水器，生产厂家也由原来的几家发展到现在的几千家企业，是目前世界上推广力度最大的国家之一，而且形成了中国特色的太阳能企业。以中国太阳能协会为中心的学术中心和以中国农村能源企业协会太阳能热利用专业委员会为中心，制定了一系列行业标准[1]。
在国际上，太阳能热水器技术已经很成熟，而且形成一个很大很有前途的行业。现今国内外相当多太阳能热水器没有一个实时性很高的监控系统供用户使用。用户每天都要频繁地查看太阳能热水器，避免空烧等危险情况。只有很少的一部分太阳能热水器生产厂家为太阳能热水器安装了监控仪表，实际它也仅仅只是一个水温水位仪表，用处一点也不大。目前生产的太阳能热水器普遍存在下列问题：（1）采集水位的传感器极易被腐蚀，可靠性非常的差。（2）大多数采用的传感器精度不高，不能满足用户实际需要。（3）现有的绝大多数热水器智能化程度不是很高，人机交互的用户体验不是很好。虽然也具有了自动加热这项功能，但是加热时间不能自动控制，容易产生过烧的情况。在现有的产品中较为智能的太阳能热水器功能如下：（1）实时显示水位、水温，并且水温、水位的值用户可以根据自身需要任意设定。（2）能够自动上水，自动关闭上水，防空晒干烧，水位过高及低于设定水位能自动报警。（3）当冬季或者其它时候，太阳的光能不能满足太阳能热水器的要求时，可以自动启动电加热。
本设计基于LabVIEW的太阳能热水器监控系统克服了传统太阳能热水器存在的个别缺陷，比如监控模式死板、信息反馈不及时、实时性不高等弊端。而且水位、水温数据可以被实时的采集并及时的进行分析处理。这个监控系统可以让人们四季的正常使用，而且最大化的利用太阳能，不会过多的浪费电能。
1.2 国内外研究现状
本毕业设计的课题采用虚拟仪器技术来设计，国内外的研究人员及工程师们在太阳能热水器与虚拟仪器技术应用等方面进行了相关的研究，部分研究成果如下：
张雅丽等在《基于太阳能热水器的数据采集系统的分析与设计》一文中介绍了一种太阳能热水器的性能测试系统，设计了基于AT89C52的高性能数据采集系统的整体方案，它能实时动态地显示采集到的数据，并根据误差要求自动对采集的数据进行筛选，最终实时显示各个参数。该系统已经应用到实际中，并取得了很好的效果。经实际应用表明，该系统具有测试精度高、抗干扰能力强、检测效率高、操作简单等优点[5]。
李秀娟等在《基于虚拟仪器技术的温度测控系统设计》一文中运用美国NI公司的LabVIEW图形化编程语言和PID工具包为开发平台,设计了一个温度控制系统,论述了系统的硬件与软件的设计方法,并通过MATLAB仿真结果,实验表明,该系统具有温度自动控制和界面友好,测量精度高、安全可靠、易于操作等特点[6]。
黎冠文等在《基于LabVIEW的太阳能电池温度采集和数据保存系统》一文中运用美国NI公司的LabVIEW软件和USB6008数据采集卡。用三线制温度传感器和调理电路把采集过来的温度信号转变成电信号输入到数据采集卡USB6008中，可以通过LabVIEW里的数据采集助手把信号传输到计算机中。实现了计算机对温度的自动采集、实时显示、趋势一览和数据保存方面的优点[7]。
张文青等在《基于虚拟仪器的太阳能自动跟踪系统的研究与设计》一文研究在LabVIEW8软件平台下开发了一套基于虚拟仪器的太阳能自动跟踪与驱动系统,该系统能够使太阳能利用装置时刻保持与太阳光线垂直。 系统通过由4个光敏二极管组成的太阳光感应传感器来采集太阳光线,当太阳光角度变化时,光电传感器输出相应强弱变化的电信号,这种强弱变化的电信号传给数据采集卡,数据采集卡与PC机相连,PC机通过虚拟仪器技术处理数据并反馈至控制模块控制电机的转动方向与角度达到实时跟踪太阳光线的目的。实际证明，采用这种方法省去了复杂的语言结构，缩短了软件的开发时间，节约了系统开发成本，同时也增加了应用的灵活性[8]。

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