1、第12章智能电子称的设计与应用引子 应变片是什么？什么场合可能会用到？如何使用？12.1 项目目标本次项目设计中，需要设计一款电子称。通常打开电子称开关就可以完成称重功能，并带有附加功能，如去除容器质量的功能等。要求所设计的电子称（1）可测量1000g以内的质量；（2）可软件整定调零；（3）前面板要求用数码管显示测试结果；（4）去皮，即可去除容器质量。通过本项目的设计、实施，要求学生：（1）了解惠斯通电桥电路，掌握应变式传感器的使用；（2）掌握用自定义控制设计界面的技巧；（3）掌握使用NI-DAQmx实现模拟信号的生成与采集程序的编写；（4）了解双循环结构、掌握事件结构的使用；（5）了解并熟悉
2、状态机的架构及程序设计。12.2 项目分析从项目目标知，通过称重传感器将重量信号转换为数据采集卡可接收的电压信号，LabVIEW读取该信号后对其进行相应的处理。要完成本项目首先需完成以下的任务：（1）称重传感器电路设计；（2）数码管显示软件设计；（3）电子称重量信号采集与转换。12.3 12.3 任务一任务一 称重传感器电路称重传感器电路设计设计12.3.1 相关知识相关知识1应变片2电桥电路3悬臂梁12.3.2 称重传感器硬件电路设计称重传感器硬件电路设计12.3 任务一 称重传感器电路设计12.3.1 相关知识1应变片电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理是基于应变效应制作的，即导体或半
3、导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化。应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，使用时将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化，再由专用仪器测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。金属电阻应变片品种繁多，形式多样，常见的有丝式电阻应变片和常见的有丝式电阻应变片和箔式电阻应变片。箔式电阻应变片。在本项目中使用是悬臂梁上黏贴金属箔式电阻应变片。2电桥电路称重检测元件上最常用到的调理电路就是惠斯通电桥。常见的惠斯通电桥由四个相互连接的电桥臂和激励电压VEX组成，如图12-1所示。桥
4、路上的四个电阻叫做电桥的四个臂，称为有效传感元素。基于电桥的传感器可通过惠斯通电桥中一个或多个电阻阻值的变化，测量各种物理现象（例如，应变、温度或力）。图12-1 惠斯通电桥3悬臂梁双孔悬臂梁称重传感器，是电子计价秤中广泛使用的传感器。其具有上下两个平衡梁。一端固定，另一端可放置砝码。悬臂梁上贴有4个应变片，如图12-2所示，上下各有两片。其中R1和R3形变量一致，R2和R4形变量一致。其输出电压与应变片的形变关系如式12-1所示。图 12-2 双孔悬臂梁应变片贴片图示 (式12-1)图12-3 称重传感器硬件电路在本项目中将悬臂上的4个应变片全部连入桥路中，如图12-3所示，R1和R3为一对
5、，连入桥路对臂中，R2和R4为一对，连入另一个对臂中。桥路使用5V供电。由于桥路的输出信号比较微小，故在输出信号后提供了放大电路作为信号调理电路，其硬件电路如图12-3所示。12.3.2 称重传感器硬件电路设计12.4 12.4 任务二任务二 数码管显示数码管显示控制控制12.4.1相关知识相关知识12.4.2数码管显示子数码管显示子VI设计设计1前面板2程序框图12.4 任务二 数码管显示控制12.4.1相关知识常见的LED数码管为“8”字型的，共计8段，每一段对应一个发光二极管。这种数码管显示器有共阴和共阳两类，如图12-4所示。共阴极LED数码管的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴
6、极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED数码管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压。当某个发光二极管的阳极接低电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。图12-4 数码管原理图 为了使LED数码管显示不同的符号或数字，要把某些段的发光二极管点亮，这样就要为LED数码管提供代码，因为这些代码可使LED相就的段发光，从而显示不同字型，因此该代码也称为段码或字型码段码或字型码。LED数码管共计8段。因此提供给LED数码管的段码（或字型码）正好是8位。在使用中，一般习惯以“a”段对应段码字节的最低位。段码与位对应关系如表12-1所示。若共阴的数码管
7、要显示“0”，其所对应的字型码为：00111111。显示段dpgfedcba代码位D7D6D5D4D3D2D1D0 表表12-1 位与段码对应关系位与段码对应关系12.4.2数码管显示子VI设计本项目要求用数码管来显示，可通过制作一个含有数码管的簇来实现，要求簇中成员的逻辑顺序和数码管数码段a、b、c、d、e、f、g、h顺序一致。制作流程如下：（1）在前面板，控件选板中选择方形指示灯布尔控件，如图12-5左图所示。（2）在前面板拖放为细长形状。按住Ctrl键同时用鼠标拖放控件，可以复制控件。（3）用类似方式，拼出8的形状。然后右击控件，取消每个控件的标签（label）显示。（4）调整布尔控件的
8、位置，让8的字符感更好，如图12-5图所示。图 12-5 数码管制作步骤（5）在8的右下角，加上一个圆形布尔控件。控件选板中，选择：经典经典数组、矩阵与簇，将簇的外框放置在前面板上。（6）全选所有的布尔控件，拖放到簇外框中。（7）右击簇的外框，在快捷菜单中，选择自动调整大小调整为匹配大小，因本项目要求测1000克以下的重量，因此需要三个数码管，按住Ctrl键同时用鼠标拖放控件簇这个控件，可以复制相同的8字。如图12-6所示。图12-6 三位数码管显示外观图（8）在控件选板中，选择 修饰平面圆盒。（9）将簇放置到平面圆盒上。若不能显示，此时需要调整一下两个层次的关系。在工具栏中，点击 重新排序移
9、至前面。（10）用工具选板涂色功能，将平面圆盒涂黑。根据需要，适当调整控件的摆布和黑色平面圆盒的大小形状，如图12-7所示。2程序框图 在本项目中，数码管作为共阴数码管。在程序设计中应将所得到的重量数值分离出百位、十位和个位数值，数值范围为09。通过分支结构将对应的8个布尔值输出给数码管簇，如图12-8所示。图12-8 数码管显示控制程序框图 本VI将作为子VI来使用，将被其它VI调用，所以需要特别设置子VI的输入/输出参数。Numeric为重量值作为输入，数码管的百位、十位、个位作为输出。12.5 任务三 电子秤的程序设计12.5.1 相关相关知识知识12.5.2 电子称激励信号生成及信号采
10、集程序设计电子称激励信号生成及信号采集程序设计12.5 任务三 电子秤的程序设计在电子秤硬件电路设计中，采用应变片作为称重传感器，采用的是全桥接法。电路工作要给予5V的激励电压，桥路随重量的不同产生形变输出电压，因此电子秤程序设计中包含两个核心步骤：（1）数据采集卡输出激励信号给电桥电路，属于模拟量输出；（2）读取桥路输出电压，属于模拟量输入。在第三章中已经学了模拟量信号采集程序设计，本任务中需掌握模拟量信号生成程序设计。12.5.1 相关知识同模拟量输入一样，模拟量输出也分为：单采样模拟输出、有限模拟输出和连续模拟输出。同模拟输入不同的是：模拟量输出首先是写入采样，再开始任务，而模拟量输入则
11、是先开始任务，再读取采样。其编程流程分别同数字量输出，图11-6、图11-7、图11-8所示，但在创建通道时一个模拟量输出，一个则为数字量输出。12.5.2 电子称激励信号生成及信号采集程序设计电子称采用全桥电路，电路工作所需要的激励信号为VEX=5V，首先由PCI6221的AO通道输出5V电压使桥路处于工作状态，继而采集桥路输出电压，即质量。因此在程序设计时可考虑用顺序结构。根据图10-6及图11-8设计程序框图如图12-9所示，图12-9 电子称激励信号生成及信号采集程序框图12.6 项目实现12.6.1 相关知识相关知识1状态机结构2状态机中的状态转换 3事件结构4数据流12.6.2 前
12、面板设计前面板设计12.6.3 程序框图设计程序框图设计12.6 项目实现在本项目实现中除了考虑电子称激励信号生成及信号采集程序设计、数码管显示程序设计外，在软件设计还需考虑清零和去皮，软件清零主要是为了对硬件无法有效实现调零时的再校准；所谓的去皮是指去掉装物品的容器的重量。通过程序实现把容器先放上去，电子秤秤出容器的重量，按去皮按钮后重量显示为零，这时候再把要秤的物品放进容器里即可得到物品的实际重量。模拟信号输出模拟信号输出主要包含了通道设置、采样率设定、写入采样、开始任务、结束任务、清除任务。模拟信号模拟信号采集采集主要包含了通道设置、采样率设定、开始任务、读取采样、结束任务、清除任务。模
13、拟量输出和模拟量输入线程中主要的区别是写入采样和读取采集，为了简化程序，并增加程序的可读性，在智能电子秤项目程序设计中考虑采用状态机结构采用状态机结构。1状态机结构任何一个状态机都是由三个基本部分构成的，如图12-10所示。首先外层是一个While循环，While循环用于维持状态机的运行；第二个基本部分是在While循环中包含有一个条件结构，条件结构用以对各个不同的状态进行判断；第三个基本部分是移位寄存器，用以将下一个状态传递到下一次循环状态判断中。在一个完整的状态机中，一般会提供初始状态，每一个状态的执行步骤以及下一个状态切换代码等等。图12-10 状态机基本架构12.6.1 相关知识移位寄
14、存器在内存上开辟了内存空间。关闭VI之前，未初始化的移位寄存器将保留上一次循环的值。可在循环的左侧创建层叠移位寄存器，保存前若干个循环的值，并将这些值传递至下一次循环。如图12-11所示，该方法可用于求相邻5个数据点的平均。图12-11 层叠移位寄存器除了前面提到的三个基本部分以外，状态机的构建还有一个技巧，状态机的构建还有一个技巧，就是使用枚举型常量来作为状态变量就是使用枚举型常量来作为状态变量，相对于其它数据类型来说，枚举常量表示了两组成对的数据，一组是字符串，一组是数值，两者一一对应，在前面板上，能直观地看到字符串，在程序面板上则简单地表示为数值型数据，整个枚举型数据的值可以是预定义的多
15、个数据中的任何一个值，如图12-12所示。图12-12 枚举常量与条件结构考虑到对状态机修改及维护的方便，通常，我们将该枚举常量保存枚举常量保存为一个自定义控件为一个自定义控件，将该自定义控件作为枚举常量引入状态机中，当需要对状态变量进行修改的时候，只需要对这个自定义控件进行一次修改，更新，就能对该状态机中任何位置的状态变量进行统一管理，如图12-13所示。图12-13 自定义枚举常量2状态机中的状态转换 在实际的工程状态机中，很多时候会遇到一个状态可能往多个状态转换的情况，在这个时候，可以使用LabVIEW提供的附加的逻辑功能来实现下一个状态的判断。如图12-14所示的例子，在状态框图中有一
16、个子VI，利用该子VI来对选择哪一个分支为下一状态进行判断。这个功能的实现分为两个子功能，一是子VI实现的逻辑运算，这一部分，可以根据程序实际的需要自行编写，第二部分就是状态变量的选择。一般来说，实现状态变量的选择有实现状态变量的选择有4个基本的方法个基本的方法：默认转换、选择转换、条件结构转换和转换数组转换。（1）默认转换 默认转换无论这个状态执行的情况怎么样，都会无条件地转换下指定的下一个状态中，如图12-15所示。图12-14 状态转换例子图12-15 默认状态转换（2）选择转换 利用真假选择函数来实现，在逻辑子VI输出为真时，跳入真分支的状态，进行Statex，为假时，跳入假分支的状态
17、，进行State3，如图12-16。这个方式在两个可能状态的情况下非常简单和好用，但如果下一个状态的有可能是三个或三个以上的状态呢？可采用条件结构进行状态转换。图12-16 选择转换（3）条件结构转换 条件结构的多个分支分别对应了不同的下一状态值，根据逻辑判断子VI输出的结果，跳入不同的分支以选择不同的状态，当子VI输出0是，跳入State1，如图12-17。图12-17 条件结构转换（4）转换数组转换 条件结构虽然解决了多个状态选择的问题，但从结构上来看不太直观，管理不够方便，我们可以把所有待选择的状态放入数组中，通过逻辑判断子VI输出不同的索引值直接从数组中索引出下一个状态输出到移位寄存器
18、，如图12-18。图12-18 转换数组转换3事件结构事件结构是与条件结构类似的一种结构，它们的区别在区别在于于：事件结构是根据发生的事件决定执行哪个分支中的代码。当有事件发生时，事件结构会自动感知，并不需要用数据线把事件传递给事件结构。事件结构上方的事件标签显示当前分支所对应的事件，如图12-19所示。当有事件发生时，事件结构除了会得知是何事件发生，还能得到一些相关数据，比如事件发生的时间、发生在哪一个控件上等。这些数据可以从事件结构左边内侧的事件数据节点得到。可以触发事件结构的动作有很多，常见的有应用程序事件、本常见的有应用程序事件、本VI事事件、动态事件、窗格事件、分隔栏事件和控件事件。
19、件、动态事件、窗格事件、分隔栏事件和控件事件。在本项目中用到了控件事件：停止控件和清零控件通常将事件结构放置于While循环，每次循环仅处理一个事件，无事件发生时休眠。所谓休眠，就是不做轮询的操作。无界面操作，就不工作，将资源留给CPU处理其他事情。当需要添加一个事件帧时，如添加清零事件，用来响应界面清零按钮的操作。右击事件结构，在快捷菜单中选择 添加事件分支。跳出对话框，如图12-20所示，选择事件源为 清零 按钮，发生的事件可以选择 值改变。如果需要响应其他的动作，最右侧的事件当中，展开各个选项，做选择即可。配置完成后，点击确定按钮。图12-19 事件结构图12-20 事件结构的编辑事件对
20、话框4数据流传统文本编程语言根据指令的先后顺序决定应用程序执行顺序，也称为控制流。在控制流中，程序元素的先后顺序决定了程序的在控制流中，程序元素的先后顺序决定了程序的执行顺序执行顺序。而LabVIEW则按照数据流的模式运行VI。所谓数据流所谓数据流也就是说：当所有的输入端都具备了必要的输入数据时，程序框图节点将运行。节点在运行时产生输出数据并将该数据传送给数据流路径中的下一个节点。数据流经节点的动作决定了程序框图上VI和函数的执行顺序。一个节点所有输入端口的数据都到来之前，节点不执行；执行过程中输出端口不输出数据，直到运算结束，节点输出端口输出数据。LabVIEW是以数据流而不是命令的先后顺序
21、决定程序框图元素的执行顺序。因此可创建具有并行操作的程序框图。例如，可同时运行两个For循环。这是由LabVIEW的数据流思想决定的。12.6.2 前面板设计智能电子称的前面板如图12-21所示，选用了控件选板中的 修饰 中的内容，如数码管的背景色，通过 修饰 中的内容可以帮助美化界面。前面板使用了选项卡控件，包含系统描述、应变力检测和电子称。在应变力检测界面中包含了对通道的设置、对所采集信号的显示、软件校准；校准时首先需将零位和100g时电压值输入。在电子称选项卡中实现用数码管对质量进行显示，自定义的按钮用于是否去皮，当按下按钮时表示去皮。按钮制作如图12-22所示。按第10章自定义控件的制
22、作方法，完成自定义控制的制作。最主要是选择需要修饰的控件，打开控件编辑器窗口，导入所需图片，完成T、F、T-F、,F-T四个状态的图片的修改，如图12-22。图12-21 智能电子称前面板图12-22 自定义控件12.6.3 程序框图设计 程序设计中采用了双循环模式，一个循环采用状态机架构实现对称重传感双循环模式，一个循环采用状态机架构实现对称重传感器激励信号的生成，和采集称重传感器的输出信号。另一循环用于检测是否要清器激励信号的生成，和采集称重传感器的输出信号。另一循环用于检测是否要清零（去皮）或停止。零（去皮）或停止。其程序框图分别如图12-23和12-24所示。状态机架构包含了五个状态分
23、别是：Initialize、StartDaq、Write、Read、StopDaq，如图12-23所示。状态Initialize主要完成对控制等的初始化，如图12-23（b）。状态StopDaq停止采集任务并释放内存空间，如图12-23（c）。状态StartDaq 建立了模拟量输出通道，设置为单端模式，范围为010V；建立了模拟量输入通道，设置为差分模式，范围为-55V，采样模式为连续采集、采样率为1000、每通道采样为50，如图12-23（a）。状态Write给电桥电路加激励信号（输出5V），首先通过多态VI写函数生成输出信号，继而通过开始任务函数将信号从数据采集卡的模拟量输出通道输出，如图
24、12-23（d）。状态Read 读电子秤信号，并对所得到的信号进行相关处理，如对信号取平均、将电压信号转换为质量信号并通过前面板的数码管显示，如图12-23（e）。（a）（b）（c）（d）（e）电压-质量的转换算法如图12-25所示，在该VI中同时加入了去皮（清零）功能，其计算公式为：Mx=(Vx-V0)*100g/(V100-V0)）（式12-2）图 12-24 事件结构图12-25 电压-质量的转换算法12.7 习题12-1 针对已设计的系统添加功能，要求实现：（1）当电量偏低时，显示“Lo”；（2）当连续8秒质量都为0g后，自动停止；（3）给程序加上注释。12-2 状态机相比与顺序结构有何优点？12-3 简述状态机程序结构的组成部分及各部分的作用。12-4 状态机中状态转换方法有哪些？12-5 若想给硬件平台增加数码管显示，软件中需增加数字量输出任务的建立，请增加此功能并调试通过。
