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基于LabVIEW的通风机检测装置设计-硬件

摘要

针对通风机状况，本文主要讨论了基于LabVIEW的通风机检测装置的设计方案。该系统在虚拟仪器基础上设计的通风机检测系统，省却了大量硬件配置，且能比较快速、高效、实时的反映通风机风速、负压（相对静压）、大气参数、电机功耗风速、负压（相对静压）、大气参数、电机功耗等参数情况。避免了大量人为误差，且具有很高的稳定性、可靠性。

本文详细介绍了如何根据风速、负压、大气参数等选用相应的传感器，且对传感器安装做了详细介绍。并根据不同传感器及国标要求设计了相应信号调理电路。且本系统重点设计了数据采集方案，确定了USB接口方案，完成了具有即插即拔功能的USB2.0接口模块设计，还有A/D转换模块设计，数字I/O模块设计，复杂大规模可编程集成电路(CPLD)设计，电源设计等

关键词：虚拟仪器  传感器  数据采集卡  USB2.0

 

目录

摘  要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2概述 1

1.3研究的目的和意义 1

1.4 通风机检测在国内外发展概况 2

1.5 本课题主要设计内容 3

1.6 本章小结 3

第二章  虚拟仪器技术 5

2.1 虚拟仪器简介 5

2.1.1虚拟仪器背景及现状 5

2.1.2虚拟仪器的优势 5

2.1.3虚拟仪器的特点 6

2.2 虚拟仪器系统的构成 7

2.2.1 虚拟仪器的硬件 7

2.2.2 虚拟仪器的软件 8

2.3 本章小结 9

第三章  检测系统的方案 11

3.1 风机性能检测的环境参数 11

3.2风机性能测试 11

3.2.1 通风机性能检测试的主要内容 11

3.2.2风机性能测试的原理和方法 11

3.3通风机主要性能参数测量 12

3.3.1风机的性能参数 12

3.3.2风机各性能参数的测量 13

3.4性能参数的换算及特性曲线的绘制 16

3.4.1性能换算 17

3.4.2特性曲线的绘制 17

3.5数据采集方案的设计 18

3.5.1数据采集系统整体方案 18

3.5.2数据采集系统各部分说明 19

3.6检测系统 20

3.6.1检测系统整体方案 20

3.6.2检测系统各个部分说明 20

3.7本章小结 21

第四章  传感器的与信号调理 23

4.1传感器的作用 23

4.2传感器的选型 23

4.2.1压力传感器 23

4.2.2差压传感器 24

4.2.3温度传感器 26

4.2.4转速传感器 27

4.2.5扭矩传感器 27

4.2.6风速传感器 28

4.2.7 MG8型钳形电流互感器 29

4.3传感器的安装位置和方法 30

4.3.1测量截面位置的选择 30

4.3.2风速传感器的安装 31

4.3.3湿度传感器的安装 32

4.3.4大气压传感器的安装 32

4.3.5转速传感器的安装 32

4.3.6负压传感器的安装 32

4.3.7钳型电流互感器的安装 32

4.4信号调理电路 33

4.4.1 信号调理简介 33

4.4.2信号调理电路的设计 33

4.5电源设计 34

4.6本章小结 35

第五章  数据采集系统软件设计 37

5.1检测系统应用程序的设计思想 37

5.2参数设定程序设计 37

5.3采集数据程序设计 38

5.4数据转换程序设计 39

5.5基于Labview软件的数据采集系统的结构 40

5.6本章小结 41

第六章 总结 43

6.1 概述 43

6.2 系统的优点 44

6.3 系统中的问题 44

6.4 展望 44

参 考 文 献 47

致  谢 49

 

第一章 绪论

1.1引言

目前，在我们的实际应用中， 依据我们现有的经验和知识，通风机已经在我们的生产以及生活中都展示出了极其重要的地位，且通风机非常广泛的应用到了我们生产和生活中的各个部门。显而易见，通风机在各个方面都帮助了我们的生产生活。通风机主要起到的作用是通风换气和排出有害烟气等功能。既然通风机已经在我们的生产以及生活中都占据着如此高水平的地位，我们就很有必要保证通风机的安全性，可靠性，高效性等等。为了保证更好更合适的准确选择和维护通风机，首先就要获得通风机的各部分性能参数，如转速、效率等等。

1.2概述

通风机是工农业生产中相当重要的机械设备,保证了工作人员的人身安全的工作环境。使其工作的时候不至于面临危险的通气环境等。目前,通风机在工农业生产中的地位是十分安全稳定的，这是显而易见的。并且通风机的性能决定了它的安全可靠及其工作效率，所以一台通风机好的通风机以及测试系统可以真正应用到工农业生产中且安全可靠的运行就必须保证它的性能是良好可靠的。每一台不经过严格的通风机性能测试就不能完全保证它的安全性和可靠性，就更别说保证工作人员安全的工作环境。一台合乎标准的工作性能安全和可靠的通风机，要首先依据它的工作环境进行设计制造，以及它的整个制造过程以及质检过程，及得知检查风机运行状况的首要任务就是通风机的性能测试，这样才能绘制它的性能曲线；并且，全国各大高校学校流体与气动力学、矿山机械、农业机械、给排水机械等专业课程也设置了通风机的性能检测试验。然而，传统的风机检测方法不仅增加了工人的操作困难，而且检测出来的结果也不是十分理想。

1.3研究的目的和意义

通风机通常被人们称为“矿井的肺脏”。究其原因，它的主要作用有以下三个方面：

井下的空气质量非常差，我们要将井上的质量好的空气送到井下面。保证工人的呼吸环境更加通畅。

既然井下的空气质量差，我们使之质量变好的工具就是通风机，通风机可以提高井下的空气质量，是有害气体浓度降低。

保持井下通风的空气流速，空气浓度，空气温度和湿度等适合设备和工作条件需求，保证了井下工作的空气环境要求等。

矿用通风机为煤炭采集行业的安全提供了安全保障，一个合格的矿用风机能保证井下的风速，空气有害烟气和风尘的浓度，空气温度和湿度等都要保持在安全可靠的范围，使工作人员处在一个安全的工作环境中。而监测并及时的修改通风机的各项性能就显得尤为重要。因为只要通风机的各项性能得到保障，就能实现上述所说的标准。减少通风机因故障而引发的不必要危险。

煤炭在我国无论是经济发展还是人民日常生活都是不可或缺的。煤炭开采行业在我国经济比重中占据着很高的地位。不仅是我国，国内国外的煤炭开采行业都是极其重要的。但是，由于许多资金不到位的情况，煤炭行业事故发生的频率高居不下，成为事故高危行业之一。我国煤炭行业的安全工作是极其需要加强的，因为我国的煤炭行业的事故率并不是很低。所以保证“矿井的肺脏”通风机的正常运行就显得尤为重要。应该及时对风机进行性能检测，消除安全隐患。而建立风机设备的测试系统和科学管理势在必行。是仪器发展的必然。

新型的风机监测系统应能及时发现并判断故障、解决故障。传统的通风机特性曲线是用各种仪表检测在经过人为计算得到的，整个过程劳动强度较大且无可避免的存在人为误差。传统的测试仪也是进行调试比较困难而且测试精度也受硬件的制约。硬件的功能高低发展程度决定了传统的测试仪性能高低。而利用软件的方法节省了许多成本也保证了精度。所以，我们决定开发一种基于LabVIEW的通风机检测装置。

约30年前，美国NI公司创造了虚拟仪器的概念。后又有许多产品问世如labview等 。虚拟仪器的问世，大大提高了测量的精度，而且减少了以往的必要的测量硬件设备，以软件为核心的虚拟仪器大大节省了硬件的购置成本，但是却提高了测量效率。而且把人从测量领域解放了出来。实现仪器的自动监测，总之，虚拟仪器的提出，把测量领域提高了一个档次。因此，开发一种基于LabVIEW的通风机检测装置是本课题的主要任务。

1.4 通风机检测在国内外发展概况

近几年，我国国内的一些专业的技术人员和一些大学的专业爱好者和专业人士开发了一些基于计算机和图形化编程语言的风机测试系统。基于labview的通风及检测系统开发方面，全国各大高校学校流体与气动力学、矿山机械、农业机械、给排水机械等专业课程也设置了通风机的性能检测试验。我国国内已经取得了一些成就： 譬如河北国内一些高等学校的研究人员已经在虚拟仪器研究测试风机性能的基础上得到一些成果；还有一些大学的有研究人员研究出了一些用虚拟仪器控制的一些测试仪器。

但是由于我国经济还在飞速发展的状态，我国矿山企业发展程度也并不是很高，面对问题颇多的矿山状况，我们在风机检测上的工作上还遇到相当多的困难。矿山工作环境也是非常复杂，再加上国内的通风机检测技术的整体水平比较差，还有待进一步大幅度的提升，而外国进口的仪器又比较花费大量的资金，且功能也不是特别理想。言而总之，到目前为止，国内还没有非常理想的自动测试系统。这也是制约我国能源发展道路上的一个特别大的问题之一。

外国知名公司NI公司推出的虚拟仪器，拥有图形化的数据流语言，简单方便。这就使得不仅专业人士能够看懂仪器操作处理的数据结果。也能使文化程度不够高的操作人员能够更好的了解仪器的运行状况。目前，它已经成为了测试行业的一款主流的软件。在一些发达国家，工程师们已经开始把虚拟仪器应用在测试工程领域，且获得一些比较显著的成效。例如外国将虚拟仪器应用到汽车行业也取得了一些成效。美国IBM 公司将虚拟仪器技术应用于厚膜混合集成电路的设计里面，且非常有效。这次设计的课题就是针对煤矿采集，使井下通风、空气质量、空气温度及湿度达到合格范围，而保证井下工作人员的安全而设计的。

1.5 本课题主要设计内容

（1）掌握通风机性能检定的基本理论和基本方法，研究通风机性能检测新理论、新方法。根据标准选用风速、负压、大气参数、电机功耗、风机转速等传感器。

（2）按照不同的传感器要求，我们需要设计信号调理电路，调理电路不仅要依据传感器，还要与国际标准相一致，调理完的信号要能顺畅的进入数据采集卡。

（3）数据采集系统硬件设计：确定USB接口方案，USB2.0接口模块设计，A/D转换模块设计，数字I/O模块设计，复杂大规模可编程集成电路(CPLD)设计，电源设计等。

（4）数据采集系统软件设计：Firmware固件设计，驱动程序设计，应用程序设计。使用Labview7.0软件的数据采集函数处理数据。

1.6 本章小结

本章节对在虚拟仪器基础上做出测量仪器的研究背景做了背景介绍；并对虚拟仪器基础上仪器的性能检测的研究目的、主要内容研究意义等做出了说明；也简要介绍了现阶段国内外在虚拟仪器基础上对仪器性能检测的主要状况。

 

参考文献

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