基于Lab VIEW溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

胡天水，陳其工，魏利勝，林園勝

（安徽工程大學(xué)安徽省檢測技術(shù)與自動化裝置重點實驗室，安徽蕪湖 241000）

無論是在工業(yè)生產(chǎn)還是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，溫度和濕度都是生產(chǎn)過程中的兩個重要環(huán)境參數(shù)，其測量的實時性和準確度直接影響到生產(chǎn)效率［1］.使用Proteus軟件仿真，能夠檢驗系統(tǒng)的可行性，無需硬件制作，修改方便，便于調(diào)試，既高效又節(jié)約成本；Lab VIEW設(shè)計的人機界面簡潔直觀，便于用戶使用，擴展性較高.所以設(shè)計一個既能對環(huán)境溫濕度實時監(jiān)測，又能使用戶方便、快捷、高效地監(jiān)測溫濕度信息的系統(tǒng)，具有很重要的現(xiàn)實意義.

傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對溫濕度的采集，甚至能夠通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機上［2］，但其人機界面不夠友好，對環(huán)境監(jiān)測的效率較低.本設(shè)計在實現(xiàn)基本的溫濕度實時監(jiān)測的基礎(chǔ)上，添加了系統(tǒng)時間模塊，并且使用液晶顯示器來顯示溫濕度的值和系統(tǒng)的時間.這樣不但可以獲得溫濕度數(shù)據(jù)，同時還可以記錄采集到數(shù)據(jù)的時刻，便于用戶分析溫濕度隨時間的變化關(guān)系.Lab VIEW設(shè)計的用戶界面簡潔直觀［3］，既有超限時LED燈報警，同時又有聲音報警.

1 系統(tǒng)設(shè)計

首先在Proteus中設(shè)計溫濕度采集系統(tǒng)的仿真，該系統(tǒng)能夠液晶顯示溫濕度數(shù)值，同時顯示此時的時刻.然后，通過虛擬串口將溫濕度值和采樣時刻打包發(fā)送給Lab VIEW設(shè)計的人機界面，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.其中人機界面功能包括：顯示溫度和濕度的值、顯示溫度和濕度變化曲線、設(shè)定溫濕度報警的上下限及記錄溫濕度的歷史數(shù)據(jù).

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 Proteus仿真電路及系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 溫濕度采集的電路設(shè)計

使用SHT11傳感器芯片構(gòu)成溫濕度采集模塊，負責(zé)對環(huán)境溫濕度的采集；由單片機AT89C52及其最小系統(tǒng)構(gòu)成數(shù)據(jù)分析、處理和控制模塊；以時鐘芯片DS1302為核心的模塊構(gòu)成時間系統(tǒng)，用來給采集到的數(shù)據(jù)打上時間戳，記錄采集溫濕度數(shù)據(jù)的年月日和時分秒；液晶顯示器1602顯示溫度和濕度的值及此時刻的時間；串口模塊負責(zé)將帶有時間戳的溫濕度數(shù)據(jù)傳給Lab VIEW設(shè)計的人機交互界面.Proteus下的電路仿真如圖2所示.為了獲取更精確的數(shù)據(jù)，需要對傳感器的非線性進行補償，可以使用公式RHlinear＝C1＋進行補償.式中的各個數(shù)據(jù)參數(shù)如表1所示.當(dāng)實際溫度與常溫25℃（77℉）相差較大時，濕度傳感器的溫度系數(shù)需要進行如下調(diào)整：式中數(shù)據(jù)的各個參數(shù)如表2所示.

圖2 Proteus電路仿真

表1 濕度轉(zhuǎn)換系數(shù)

表2 溫度補償系數(shù)

2.2 溫濕度采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

采集系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖3所示.設(shè)計中，使用兩個狀態(tài)標志位Readflag、Uartflag和與標志位對應(yīng)的計數(shù)變量num、num1.Readflag是系統(tǒng)是否讀取傳感器和時鐘數(shù)據(jù)的標志位，Uartflag是系統(tǒng)是否將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給Lab VIEW上位機的標志位.使用Timer0中斷，每中斷一次，num、num1各自加上1.當(dāng)計數(shù)變量達到一定的數(shù)值，就將相應(yīng)的狀態(tài)標志位置1，從而執(zhí)行相應(yīng)的程序，這種軟件設(shè)計的方法比較高效實用［4］.

3 Lab VIEW人機界面的設(shè)計

圖3 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

Lab VIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是由美國NI公司開發(fā)研制的一種利用圖標代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，使用非常方便.Lab VIEW人機界面的設(shè)計過程可分為前面板設(shè)計和后面板設(shè)計.通過（Virtual Instrument Software Architecture，VISA）用戶能與大多數(shù)儀器總線連接，包括GPIB、USB、串口、PXI、VXI和以太網(wǎng)等［5］.用戶成功登錄之后，首先為VISA配置串口的各種參數(shù)，如設(shè)置波特率為“9600”、數(shù)據(jù)位為“8”、停止位為“1”、校驗位為“無校驗”等；然后VISA讀取函數(shù)通過屬性節(jié)點讀取串口緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)［6－7］，串口傳輸數(shù)據(jù)格式為“Hum：82 Temp：26 Time：11：04：11 2013/10/23”，故在后面板程序中掃描字符串函數(shù)VI的偏移量設(shè)為4和14，用來提取濕度和溫度的數(shù)值；最后將溫濕度數(shù)值分別于設(shè)定的上下限進行比較，如果不在設(shè)定的范圍，則系統(tǒng)的報警指示燈會亮起同時會有聲音報警，同時通過串口向下位機發(fā)送控制指令，以調(diào)節(jié)下位機加濕或干燥、加熱或降溫的繼電器通斷狀態(tài)，從而使溫濕度穩(wěn)定在設(shè)定的范圍.與此同時，在前面板中“數(shù)據(jù)接收窗口”將接收數(shù)據(jù)并實時顯示，同時，記錄保存數(shù)據(jù).后面板設(shè)計的流程圖如圖4所示，設(shè)計的后面板如圖5所示.

圖4 后面板程序流程圖

圖5 后面板的程序設(shè)計

4 Proteus和Lab VIEW的聯(lián)合仿真

使用Eltima公司開發(fā)虛擬串口驅(qū)動器（Virtual Serial Port Driver，VSPD）模擬仿真Proteus與Lab－VIEW之間的串口數(shù)據(jù)傳輸.在Proteus和Lab VIEW進行通信之前，要配置串口的基本參數(shù)，如COM口、波特率、數(shù)據(jù)位等.Lab VIEW保存的歷史采集數(shù)據(jù)信息如圖6所示.其數(shù)據(jù)含義為：Hum代表采集到的濕度，Temp代表采集到的溫度，Time為系統(tǒng)時間及日期.Lab VIEW人機界面如圖7所示.

圖6 Lab VIE記錄的歷史數(shù)據(jù)

圖7 Lab VIEW人機界面

5 結(jié)束語

本文設(shè)計實現(xiàn)了基于Lab VIEW和Proteus溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果證實該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，且設(shè)計簡單便利，降低系統(tǒng)開發(fā)成本，用戶能夠方便快捷地對生產(chǎn)環(huán)境的溫濕度進行實時監(jiān)測，極具推廣潛力和應(yīng)用前景［7］.

［1］ 趙建華，曹超.一種遠程無線環(huán)境溫濕度檢測系統(tǒng)［J］.西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，32（4）：340－344.

［2］ 呂向鋒，高洪林，馬亮，等.基于Lab VIEW串口通信的研究［J］.國外電子測量技術(shù)，2009，28（12）：27－30.

［3］ 許鋼，林園勝，胡天水，等.虛擬儀器技術(shù)在溫度采集系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報，2013，35（7），81－86.

［4］ 郭天祥.51單片機C語言教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009：147－149.

［5］ 陳錫輝，張銀鴻.Lab VIEW 8.20程序設(shè)計從入門到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007：7－9，229.

［6］ 馬草原，郭雙雙，李國欣，等.基于LABVIEW的串口調(diào)試與數(shù)據(jù)分析［J］.工礦自動化，2005，8（4）：74－76.

［7］ 周鵬，許鋼，郭旭東，等.基于Lab VIEW的廣義線性擬合在成本預(yù)測中的應(yīng)用［J］.安徽工程大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，28（3）：44－46.