基于LabVIEW的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計

李菲　江世明

摘 要： 虛擬儀器將計算機技術(shù)與測量技術(shù)緊密融合，它在進行環(huán)境參數(shù)測量時無需使用大量的測量設(shè)備，最大限度地降低了開發(fā)成本。鑒于此，設(shè)計了一個基于虛擬儀器技術(shù)的溫度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由下位機和上位機兩部分構(gòu)成，下位機通過傳感器采集溫度信號，經(jīng)單片機以串口通信的方式傳送給上位機，上位機中由LabVIEW軟件編寫的溫度測量系統(tǒng)可實時進行溫度的顯示與報警。測試結(jié)果表明，該設(shè)計系統(tǒng)的測量精度較高，操作簡單，而且可視性很好。

關(guān)鍵詞： 溫度采集； AT89S52； 串口通信； LabVIEW

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0114?03

溫度是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷奈锢砹?，也是工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域需實時檢測的物理量，那么如何進行溫度實時有效的檢測是必須考慮的一個問題。傳統(tǒng)的測量方法大多偏硬件電路和C/C++語言，設(shè)計過程復(fù)雜，且可視效果不好，針對這些問題，本文中引入了虛擬儀器技術(shù)。

虛擬儀器技術(shù)是計算機與儀器測量技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它不再依托復(fù)雜的編程過程，而是采用一種圖形化的編程形式，根據(jù)工程的實際需求構(gòu)建虛擬的測量儀器與信號分析處理軟件，不再需要大量的硬件設(shè)備，大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本[1]。其中，LabVIEW作為虛擬儀器主要的開發(fā)軟件，目前已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析等應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。

1 系統(tǒng)的組成與工作原理

本文設(shè)計的溫度測量系統(tǒng)是基于LabVIEW平臺來實現(xiàn)的，整個系統(tǒng)分為上位機和下位機2部分。上位機由裝有LabVIEW軟件平臺的PC機來實現(xiàn)，下位機由溫度采集模塊、單片機控制模塊、LCD顯示模塊、串口通信模塊來構(gòu)成，具體的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

在上述設(shè)計的系統(tǒng)中，首先通過溫度傳感器采集當前實時溫度，將溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號傳送到單片機進行處理，且實時溫度在LCD1206上顯示出來，同時將采樣數(shù)據(jù)通過MAX232串口通信模塊發(fā)送到PC機，PC機上的用LabVIEW實現(xiàn)的溫度測量應(yīng)用軟件讀取到串口數(shù)據(jù)后，把接收到的數(shù)據(jù)進行解碼，將處理后的數(shù)據(jù)以波形的形式顯示出來，且能進行相應(yīng)的報警處理等。

2 下位機的具體設(shè)計

下位機的設(shè)計包含了硬件電路與程序設(shè)計兩部分，具體的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 硬件設(shè)計

（1） 溫度采集模塊

在本系統(tǒng)中，溫度的采集分別是采用9015型晶體管和AD590集成溫度傳感器[2]來實現(xiàn)，選擇這2種測溫傳感器，主要是考慮到傳感器的輸出與溫度之間的關(guān)系。

晶體管作為一種半導(dǎo)體測溫元件，在溫度不太高的情況下，晶體管的發(fā)射結(jié)上的正向電壓與絕對溫度是成線性關(guān)系變化的。AD590作為常用的集成溫度傳感器，測溫范圍為-55～150 ℃，其輸出電流與絕對溫度也是成正比的。由此可見，這兩種測溫傳感器測溫的線性度較好，外圍電路也簡單，無需如熱電偶一樣進行冷端補償。

由于溫度采集電路輸出的是模擬量，因此在輸送到單片機前還需進行A/D轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)主要采用PCF8591芯片來實現(xiàn)的。PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8?bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件，可實現(xiàn)8?bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換和8?bit的數(shù)/模轉(zhuǎn)換。

（2） 單片機控制與顯示模塊

單片機采用的是AT89S52芯片，顯示模塊采用LCD1602來顯示實時的測量溫度。

（3） 串口通信模塊

本系統(tǒng)中的串行通信部分主要由MAX232來實現(xiàn)。MAX232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的具有兩路接收器和驅(qū)動器的IC芯片，其內(nèi)部有一個電源電壓變換器，將單片機引腳的COMS電平（0～5 V）轉(zhuǎn)換為RS 232電平（-12～12 V）輸出。設(shè)計中將單片機的串行通信口與MAX232相連，再將MAX232的輸出用9針RS 232 串口線與PC機連接就實現(xiàn)了上下位機之間串行通信的硬件連接。

2.2 程序設(shè)計

本系統(tǒng)由AT89S52單片機作為中央控制器，控制各功能模塊的正常工作及數(shù)據(jù)的接收與處理。首先利用溫度傳感器采集外界溫度數(shù)據(jù)，經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換，并用LCD顯示出來，然后經(jīng)編碼通過串口發(fā)送到PC機。其主要的程序設(shè)計包括：A/D轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序、串行發(fā)送與接收子程序等。

3 上位機軟件設(shè)計

LabVIEW軟件是虛擬儀器常用的開發(fā)軟件[3]，本系統(tǒng)采用LabVIEW軟件設(shè)計的溫度測量系統(tǒng)[4]可實現(xiàn)對溫度的采集，顯示及處理，具體的設(shè)計包含了3部分：前面板的設(shè)計、程序框圖的設(shè)計和連接器的設(shè)計。特別值得注意的是，作為上位機的測量軟件必須與下位機的硬件電路相連接，這就牽涉到如何實現(xiàn)下位機與上位機串口通信的問題。

3.1 前面板設(shè)計

前面板是VI代碼的接口，是用戶的交互界面。本系統(tǒng)要求能對溫度進行實時采集，并將采集的溫度實時顯示出來，同時本系統(tǒng)的溫度上下限閾值可以設(shè)置，當實時溫度超出預(yù)先設(shè)置的上下限范圍時，系統(tǒng)會自動報警。因此，前面板的設(shè)計主要包含4個部分：波形顯示部分、當前溫度與電壓值顯示部分、溫度上下限設(shè)置部分和報警部分。

為實現(xiàn)上述功能，在前面板上放置了各種的圖形控件，這些控件都來源于控件選板，主要的控件有數(shù)值輸入控件、數(shù)值顯示控件、圖形顯示控件、文本輸入控件等。具體的前面板設(shè)計見圖3所示。

3.2 程序框圖設(shè)計

程序框圖是實現(xiàn)VI邏輯功能的圖形化源代碼，它通過將對象連接在一起構(gòu)成程序框圖來實現(xiàn)某種特定的功能。本系統(tǒng)中的程序框圖的設(shè)計[5?8]主要分為5個模塊：溫度采集模塊、溫度顯示模塊、溫度閾值設(shè)定模塊、報警模塊和串口通信模塊。

3.3 串口通信

上位機與下位機之間的通信主要以串口通信的方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸[9]，串口操作的基主要工作為為：配置串口參數(shù)→發(fā)送和接收數(shù)據(jù)→關(guān)閉串口，這些都可通過調(diào)用串口通信的函數(shù)來實現(xiàn)[10]。

（1） 串口的參數(shù)配置。在串口通信之前，必須對串口的參數(shù)進行設(shè)置，而且上位機和下位機的設(shè)置必須相同。這些參數(shù)主要包括串口通信的資源名稱、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗位和流控制，設(shè)計中通過調(diào)用VISA配置串口VI來完成。

（2） 數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。串口參數(shù)設(shè)置完成后，就可進行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。發(fā)送數(shù)據(jù)主要使用VISA Write，即VISA寫入函數(shù)；接收數(shù)據(jù)主要使用VISA Read，即VISA讀取函數(shù)。在進行發(fā)送數(shù)據(jù)時，以字符串的形式循環(huán)發(fā)送；在接收數(shù)據(jù)時，可啟用終止符來結(jié)束讀取操作或者通過比較待讀取的字節(jié)數(shù)與接收緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)來判斷讀操作是否處于等待或執(zhí)行狀態(tài)。在本設(shè)計中啟用了終止符來完成。

（3） I/O緩沖區(qū)設(shè)置。串口通信主要是通過發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的，所以緩沖區(qū)的設(shè)置也必不可少。

4 測試結(jié)果

在上述設(shè)計的溫度測量系統(tǒng)中，分別采用9015晶體管和AD590集成溫度傳感器對溫度信號進行采集，并經(jīng)過串口通信輸送給LabVIEW軟件，其測試結(jié)果說明如下：

（1） 晶體管9015測溫測試：由于晶體管的的測溫范圍較窄，所以測溫范圍選取在25～70 ℃之間，測試數(shù)據(jù)見表1，具體顯示結(jié)果如圖4所示。

（2） AD590測溫測試：AD590的測溫范圍較寬，本文的測試范圍在25～110 ℃，測試數(shù)據(jù)見表2，顯示結(jié)果如圖5所示。從上述的測試結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了溫度測量與顯示功能：

① 溫度的變化過程能以波形的形式體現(xiàn)出來，而且誤差較??；

② 可以實時顯示當前的溫度值及相對應(yīng)的電壓值。

③ 可實現(xiàn)報警功能。如溫度的上限設(shè)置為60 ℃，當采集的實時溫度為65 ℃時，溫度過高，報警燈亮起。

5 結(jié) 語

本文基于LabVIEW軟件平臺設(shè)計了一個溫度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過上位機與下位機之間的串口通信，較好地實現(xiàn)了溫度測量的實時顯示以及溫度過高或溫度過低時的報警，測量誤差較小，且可視性較好。

LabVIEW作為一種圖形化的編程軟件，功能強大，而且操作方便。實驗證明用該軟件設(shè)計的測量系統(tǒng)交互性能好，成本低，為很多復(fù)雜的工程環(huán)境提供了簡便有效的測量途徑。

參考文獻

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[9] 龍華偉，顧永剛.LabVIEW8.2.1與DAQ數(shù)據(jù)采集[M].北京：清華大學出版社，2008.

[10] 陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

（1） 串口的參數(shù)配置。在串口通信之前，必須對串口的參數(shù)進行設(shè)置，而且上位機和下位機的設(shè)置必須相同。這些參數(shù)主要包括串口通信的資源名稱、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗位和流控制，設(shè)計中通過調(diào)用VISA配置串口VI來完成。

（2） 數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。串口參數(shù)設(shè)置完成后，就可進行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。發(fā)送數(shù)據(jù)主要使用VISA Write，即VISA寫入函數(shù)；接收數(shù)據(jù)主要使用VISA Read，即VISA讀取函數(shù)。在進行發(fā)送數(shù)據(jù)時，以字符串的形式循環(huán)發(fā)送；在接收數(shù)據(jù)時，可啟用終止符來結(jié)束讀取操作或者通過比較待讀取的字節(jié)數(shù)與接收緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)來判斷讀操作是否處于等待或執(zhí)行狀態(tài)。在本設(shè)計中啟用了終止符來完成。

（3） I/O緩沖區(qū)設(shè)置。串口通信主要是通過發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的，所以緩沖區(qū)的設(shè)置也必不可少。

4 測試結(jié)果

在上述設(shè)計的溫度測量系統(tǒng)中，分別采用9015晶體管和AD590集成溫度傳感器對溫度信號進行采集，并經(jīng)過串口通信輸送給LabVIEW軟件，其測試結(jié)果說明如下：

（1） 晶體管9015測溫測試：由于晶體管的的測溫范圍較窄，所以測溫范圍選取在25～70 ℃之間，測試數(shù)據(jù)見表1，具體顯示結(jié)果如圖4所示。

（2） AD590測溫測試：AD590的測溫范圍較寬，本文的測試范圍在25～110 ℃，測試數(shù)據(jù)見表2，顯示結(jié)果如圖5所示。從上述的測試結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了溫度測量與顯示功能：

① 溫度的變化過程能以波形的形式體現(xiàn)出來，而且誤差較小；

② 可以實時顯示當前的溫度值及相對應(yīng)的電壓值。

③ 可實現(xiàn)報警功能。如溫度的上限設(shè)置為60 ℃，當采集的實時溫度為65 ℃時，溫度過高，報警燈亮起。

5 結(jié) 語

本文基于LabVIEW軟件平臺設(shè)計了一個溫度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過上位機與下位機之間的串口通信，較好地實現(xiàn)了溫度測量的實時顯示以及溫度過高或溫度過低時的報警，測量誤差較小，且可視性較好。

LabVIEW作為一種圖形化的編程軟件，功能強大，而且操作方便。實驗證明用該軟件設(shè)計的測量系統(tǒng)交互性能好，成本低，為很多復(fù)雜的工程環(huán)境提供了簡便有效的測量途徑。

參考文獻

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[10] 陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

（1） 串口的參數(shù)配置。在串口通信之前，必須對串口的參數(shù)進行設(shè)置，而且上位機和下位機的設(shè)置必須相同。這些參數(shù)主要包括串口通信的資源名稱、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗位和流控制，設(shè)計中通過調(diào)用VISA配置串口VI來完成。

（2） 數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。串口參數(shù)設(shè)置完成后，就可進行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。發(fā)送數(shù)據(jù)主要使用VISA Write，即VISA寫入函數(shù)；接收數(shù)據(jù)主要使用VISA Read，即VISA讀取函數(shù)。在進行發(fā)送數(shù)據(jù)時，以字符串的形式循環(huán)發(fā)送；在接收數(shù)據(jù)時，可啟用終止符來結(jié)束讀取操作或者通過比較待讀取的字節(jié)數(shù)與接收緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)來判斷讀操作是否處于等待或執(zhí)行狀態(tài)。在本設(shè)計中啟用了終止符來完成。

（3） I/O緩沖區(qū)設(shè)置。串口通信主要是通過發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的，所以緩沖區(qū)的設(shè)置也必不可少。

4 測試結(jié)果

在上述設(shè)計的溫度測量系統(tǒng)中，分別采用9015晶體管和AD590集成溫度傳感器對溫度信號進行采集，并經(jīng)過串口通信輸送給LabVIEW軟件，其測試結(jié)果說明如下：

（1） 晶體管9015測溫測試：由于晶體管的的測溫范圍較窄，所以測溫范圍選取在25～70 ℃之間，測試數(shù)據(jù)見表1，具體顯示結(jié)果如圖4所示。

（2） AD590測溫測試：AD590的測溫范圍較寬，本文的測試范圍在25～110 ℃，測試數(shù)據(jù)見表2，顯示結(jié)果如圖5所示。從上述的測試結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了溫度測量與顯示功能：

① 溫度的變化過程能以波形的形式體現(xiàn)出來，而且誤差較??；

② 可以實時顯示當前的溫度值及相對應(yīng)的電壓值。

③ 可實現(xiàn)報警功能。如溫度的上限設(shè)置為60 ℃，當采集的實時溫度為65 ℃時，溫度過高，報警燈亮起。

5 結(jié) 語

本文基于LabVIEW軟件平臺設(shè)計了一個溫度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過上位機與下位機之間的串口通信，較好地實現(xiàn)了溫度測量的實時顯示以及溫度過高或溫度過低時的報警，測量誤差較小，且可視性較好。

LabVIEW作為一種圖形化的編程軟件，功能強大，而且操作方便。實驗證明用該軟件設(shè)計的測量系統(tǒng)交互性能好，成本低，為很多復(fù)雜的工程環(huán)境提供了簡便有效的測量途徑。

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