基于LabVIEW與單片機(jī)的溫度采集監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

(1.南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037；2.機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院沈陽自動化研究所),沈陽 110016；3.東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210096)

0 引言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中的重要監(jiān)測參數(shù)，對保證產(chǎn)品加工質(zhì)量和安全生產(chǎn)具有至關(guān)重要的作用。諸多工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程都需要對溫度這一物理量進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，以保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。但很多工作環(huán)境惡劣的場合，不適合人工測量，為此設(shè)計一種能夠?qū)Νh(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時采集與監(jiān)控的系統(tǒng)具有十分重要的意義[1-2]。

近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)，特別是單片機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，人們開始更加普遍地嘗試運(yùn)用單片機(jī)來對溫度、濕度等工業(yè)控制中常見的參數(shù)進(jìn)行測控，另一方面虛擬儀器已經(jīng)漸漸地成為測控儀器發(fā)展的新方向。通過LabVIEW圖形化編程實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，就是一種結(jié)合二者優(yōu)勢的數(shù)據(jù)檢測方法[3]。

將虛擬儀器技術(shù)引入溫度監(jiān)測研究領(lǐng)域已是一個重要趨勢，例如王恒海等開發(fā)的基于LabVIEW的溫度測控系統(tǒng)[4]、隋秀梅等設(shè)計的基于LabVIEW的八路智能溫度巡檢儀[5]、吳卓葵等設(shè)計的基于LabVIEW的多點(diǎn)報警溫度監(jiān)測系統(tǒng)[6]等。這些監(jiān)測系統(tǒng)通常采用數(shù)據(jù)采集卡采集溫度，數(shù)據(jù)采集比較方便，但缺少靈活性且價格相對較高。只能在上位機(jī)顯示溫度，難以在監(jiān)測裝置端實(shí)現(xiàn)溫度顯示，不利于現(xiàn)場操作人員實(shí)時觀察，沒有提出相應(yīng)的溫控方案。針對以上問題，本文提出一種基于LabVIEW和單片機(jī)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，采用低功耗的AT89C51單片機(jī)和數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為硬件構(gòu)成溫度采集節(jié)點(diǎn)，在LabVIEW平臺上通過調(diào)用VISA庫函數(shù)配置設(shè)備參數(shù)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)串口與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。開發(fā)系統(tǒng)軟件界面實(shí)現(xiàn)溫度采集與健康。

1 溫度監(jiān)控系統(tǒng)方案

溫度監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由PC機(jī)、單片機(jī)、溫度傳感器、串口通信電路及LabVIEW軟件界面等構(gòu)成。單片機(jī)檢測多個分布放置的DS18B20數(shù)字溫度傳感器測得的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過串口電路傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。數(shù)據(jù)進(jìn)入計算機(jī)后，在LabVIEW開發(fā)平臺上利用VISA庫控制計算機(jī)I/0口[7-9]，通過數(shù)據(jù)采集子程序、溫度報警子程序，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)施監(jiān)測，同時在軟件前面板上顯示實(shí)時溫度曲線。當(dāng)溫度數(shù)據(jù)超出設(shè)置的上限或下限時，軟件發(fā)出語音及報警。報警的同時，根據(jù)實(shí)時溫度值來控制加熱電路或者風(fēng)扇電路, 實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時監(jiān)測和控制，當(dāng)溫度滿足要求時，停止加熱或者通風(fēng)。

圖1 溫度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 基本外圍電路

詳細(xì)的硬件電路如圖2所示，采用AT89C51作為主控芯片，它是一款低功耗，高性能的8位單片機(jī)。指令系統(tǒng)與傳統(tǒng)的8051單片機(jī)完全兼容，具有很強(qiáng)的適用性。AT89C51在控制領(lǐng)域得到了廣泛的使用，具有很高的性價比。AT89C51有兩種低功耗工作模式可供用戶選擇：待機(jī)模式和掉電模式。當(dāng)用戶選擇待機(jī)模式時，系統(tǒng)通過阻斷向CPU提供時鐘信號的通路，使CPU停止工作。可以通過中斷和復(fù)位的方法退出待機(jī)模式。當(dāng)用戶選擇掉電模式時，振蕩器將停止工作但內(nèi)部RAM的內(nèi)容能夠保存。只能通過硬件復(fù)位的方式才能退出掉電模式。

圖2 溫度采集系統(tǒng)硬件電路圖

溫度傳感器則采用美國DALLAS半導(dǎo)體生產(chǎn)的DS18B20，這是一種可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器，它具有體積小、接口簡潔、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合構(gòu)建溫度采集系統(tǒng)。它的測量范圍為-55～+125 ℃，最小分辨率為0.062 5 ℃，適應(yīng)電壓范圍為3.0～5.5 V。每個DS18B20傳感器都具有唯一的64位序列碼，所以可以實(shí)現(xiàn)多個傳感器在一條總線上工作。DS18B20采用單總線技術(shù)，不僅可以利用串口，還可以選用I/O口和其他硬件連接，并且能夠直接輸出數(shù)字量，不需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。DS18B20的1、3引腳接地和電源，數(shù)據(jù)引腳2與單片機(jī)相連。在引腳2和引腳3之間連接4.7 kΩ的上拉電阻，確保單片機(jī)實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離讀取溫度數(shù)據(jù)。

利用單片機(jī)驅(qū)動DS18B20進(jìn)行測溫必須歷經(jīng)以下3個步驟：

1)每一次讀寫之前都必須要對DS18B20進(jìn)行復(fù)位；2)復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令；3)最后發(fā)送RAM指令。其工作時序分為初始化時序、寫時序和讀時序3部分。

2.1.1 初始化時序

1)先將數(shù)據(jù)線置高電平“1”；

2)稍作延時；

3)數(shù)據(jù)線拉到低電平“0”；

4)延時750 μs；

5)數(shù)據(jù)線拉到高電平“1”；

6)延時等待；

7)若數(shù)據(jù)線上為低，繼續(xù)延時，其延時的時間從發(fā)出的高電平起要不少于480μs；

8)將數(shù)據(jù)線再次拉高。

2.1.2 寫時序

1)數(shù)據(jù)線先置低電平“0”；

2)延時15 ms；

3)按從低位到高位的順序發(fā)送字節(jié)(一次只發(fā)送一位)；

4)延時時間為45 μs；

5)將數(shù)據(jù)線拉到高電平；

6)重復(fù)上1)～6)的操作直到所有的字節(jié)全部發(fā)送完為止；

7)最后將數(shù)據(jù)線拉高。

2.1.3 讀時序

1)將數(shù)據(jù)線拉高“1”；

2)延時2 μs；

3)將數(shù)據(jù)線拉低“0”；

4)延時15 μs；

5)將數(shù)據(jù)線拉高“1”；

6)延時15 μs；

7)讀取數(shù)據(jù)線的狀態(tài)位，并處理數(shù)據(jù)；

8)延時30 μs。

單片機(jī)與計算機(jī)之間的通信采用串口通信方式，利用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)TTL電平與PC機(jī)232電平之間的轉(zhuǎn)換，在MAX232芯片上連接1 μF電容消除電磁、電涌的影響。單片機(jī)P0口連接8位數(shù)碼管，可以直接顯示實(shí)時溫度。

2.2 溫控電路

溫控電路如圖3 所示，將兩個固態(tài)繼電器分別與單片機(jī)P1.0、P1.1連接。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測溫度低于設(shè)定值時，單片機(jī)P 1.1 輸出高電平經(jīng)過反向?yàn)榈碗娖?，接通固態(tài)繼電器交流觸點(diǎn)，使得交流接觸器1 線圈得電，進(jìn)而接通加熱線圈加熱。反之，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到溫度超過設(shè)定溫度值時，P1.1口輸出高電平，接通固態(tài)繼電器交流觸點(diǎn)接通使得交流線圈2得電打開換氣扇開始降溫。

圖3 溫控電路

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件系統(tǒng)總體方案

監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程如圖4所示，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊與計算機(jī)數(shù)據(jù)的串口通信，然后單片機(jī)從溫度傳感器讀取數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)分為兩種方式展示，一種通過數(shù)碼管顯示，另外將數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，利用LabVIEW開發(fā)的上位機(jī)程序進(jìn)行顯示存儲。

圖4 軟件程序框圖

LabVIEW給用戶提供了簡便直觀的圖形化編程方法以及眾多的編程函數(shù)，使用戶可以便捷地構(gòu)建自己所需要的儀器系統(tǒng)。用圖形化編程語言編寫的應(yīng)用程序稱為虛擬儀器 VI，使用LabVIEW編寫的程序都把VI作為后綴名。LabVIEW的核心是VI。每一個VI都有兩個操作界面：前面板和程序框圖。前面板接收來自于程序框圖的指令。在前面板上，輸入控件相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的輸入設(shè)備，而顯示控件則相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的輸出設(shè)備。當(dāng)在前面板上添加一個控件時，程序框圖中會相應(yīng)地添加一個端口，這個與輸入控件或者顯示控件對應(yīng)的端口，僅在刪除它對應(yīng)的控件的時候才會消失。當(dāng)使用LabVIEW進(jìn)行編程時，首先選擇需要用到的功能節(jié)點(diǎn)，放置在面板上的合適位置；然后在程序圖中用線連接各節(jié)點(diǎn)的端口，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸。

LabVIEW具有資源豐富的VISA庫。VISA指的是虛擬儀器的軟件構(gòu)架。VISA庫存在于PC機(jī)系統(tǒng)之中，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與儀器間的連接，其作用是利用程序完成對儀器的控制，它的本質(zhì)是虛擬儀器系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)API。VISA自身沒有編程的能力，它只是一個處在高層的API，只能使用調(diào)用底層驅(qū)動程序的方式來完成對儀器的編程。VISA是遵循VPP標(biāo)準(zhǔn)的I/O接口軟件，把VISA和其它的I/O接口軟件做比較，就會發(fā)現(xiàn)其I/O的控制功能具有以下優(yōu)勢：適用于各種類型的儀器；適用于多種類型的硬件接口；適用于多種網(wǎng)絡(luò)機(jī)制；適用于分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及單、多處理器結(jié)構(gòu)。

上位機(jī)程序分為數(shù)據(jù)采集模塊、超限報警模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊3個部分。設(shè)置好串口，然后點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，系統(tǒng)就開始進(jìn)行對溫度的讀取，溫度儀表則可以顯示當(dāng)前的溫度，并且通過溫度曲線可以直觀的觀察溫度的變化。上下限可以自由地進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)被測值高于上限或者低于下限的時候，與之對應(yīng)的報警指示燈會發(fā)出報警指示，并且會在表格上顯示報警記錄。

3.2 串口通信設(shè)置

串口通信可以LabVIEW的Instrument I/模板的Serial實(shí)現(xiàn)，串口讀操作函數(shù)分別為：1)VISA Configure Serial Port；2) VISA Read；3)VISA Flush I/O Buffer；4) VISA Close。串口寫操作函數(shù)分別為：1) VISA Configure Serial Port；2) VISA Write；3)VISA Flush I/O Buffer；4) VISA Close。按照相應(yīng)的順序配置串口操作參數(shù)，對打開的串口進(jìn)行讀寫操作，完成讀寫后清空緩沖區(qū)并關(guān)閉串口。程序框圖如圖6所示，其中串口號用來指定用到的串口，這是LabVIEW接收下位機(jī)發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)的前提。串口的初始化設(shè)置除串口號均選用默認(rèn)值：波特率為9600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)位，串口號為COM3。當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時，通過VISA接收下位機(jī)傳送的溫度。因?yàn)長abVIEW的串口通信僅適用于對字符串的讀寫，所以在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之前，一定要完成字符串和數(shù)值間的轉(zhuǎn)換。LabVIEW通過VISA讀取節(jié)點(diǎn)來讀取單片機(jī)采集的溫度數(shù)據(jù)。

3.3 溫度顯示和報警、數(shù)據(jù)存儲模塊

如圖5所示，溫度曲線和儀表用于顯示實(shí)時的溫度值。在報警部分中，溫度的上下限可以自由地進(jìn)行設(shè)置，并將采集到的溫度會分別與設(shè)置的上下限溫度做比較。當(dāng)采集到的溫度高于“溫度上限”時，比較運(yùn)算結(jié)果為“真”，“高溫報警”指示燈會變亮；當(dāng)采集到的溫度低于"溫度下限”時，比較運(yùn)算結(jié)果為"真”，"低溫報警”指示燈就會變亮；總之，無論當(dāng)采集到的溫度高于"溫度上限”或者是低于"溫度下限”時，比較運(yùn)算的結(jié)果都為"真”時，就會有溫度報警，同時表格會記錄下來此時的溫度值。

圖5 溫度采集系統(tǒng)程序框圖

3.4 下位機(jī)程序設(shè)計

通過C#語言編程完成AT89C51單片機(jī)對溫度傳感器的數(shù)據(jù)讀取，主要實(shí)現(xiàn)下面3個任務(wù)：

1)利用單片機(jī)讀取溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)；

2)在單片機(jī)數(shù)碼管上顯示溫度傳感器采集的溫度值(保留一位小數(shù))；

3)將采集到的溫度值以十六進(jìn)制形式發(fā)送到上位機(jī)系統(tǒng)中。

在初始化階段，令單片機(jī)的定時器T1工作于方式2，用于產(chǎn)生串行通信所需的波特率，單片機(jī)開始讀取DS18B20采集的溫度數(shù)據(jù)，然后將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為段位碼送給LED數(shù)碼管顯示，另外還要將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)通過串口通信送入上位機(jī)進(jìn)行分析。

4 系統(tǒng)運(yùn)行測試與分析

4.1 下位機(jī)調(diào)試

系統(tǒng)的下位機(jī)調(diào)試即對系統(tǒng)硬件的電路連接和單片機(jī)程序的調(diào)試，利用數(shù)碼管的顯示和串口調(diào)試助手可以實(shí)現(xiàn)。具體步驟如下：

1)使用Keil編譯器將C51程序編譯生成HEX文件，然后采用STC-ISP軟件將 HEX文件燒寫到單片機(jī)中。

2)程序下載到單片機(jī)之中后，就可以給單片機(jī)開發(fā)板通電了，這時數(shù)碼管上將會顯示溫度傳感器DS18B20實(shí)時測得的溫度值，如圖7所示。可以調(diào)整溫度傳感器周圍環(huán)境的溫度來檢驗(yàn)程序能否連續(xù)采集溫度。

3)打開"串口調(diào)試助手”程序，首先設(shè)置串口號為COM3、波特率為9600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)位等，然后選擇"十六進(jìn)制顯示”，打開串口。

4)如果PC機(jī)與單片機(jī)開發(fā)板串口正確連接，則單片機(jī)連續(xù)向PC發(fā)送檢測的溫度值，用2進(jìn)制的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)表示，如00 F8，該數(shù)據(jù)串在發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)顯示。根據(jù)單片機(jī)返回數(shù)據(jù)，可知當(dāng)前溫度測量值為25.1 ℃，并與數(shù)碼管顯示溫度對照，確認(rèn)無誤。

4.2 上位機(jī)調(diào)試及溫度采集

由于LabVIEW采用的是的圖形化的編程語言，使調(diào)試工作變的很簡便，極大地提高了編程的效率。當(dāng)LabVIEW程序存在語法上的錯誤時，運(yùn)行按鈕上的箭頭會處于斷裂的狀態(tài)，這表示該程序存在錯誤，無法執(zhí)行。此時這個按鈕被稱為錯誤列表。通過點(diǎn)擊它，我們就可以查看錯誤清單，雙擊所列出的錯誤，錯誤對象就會變的高亮。

LabVIEW中錯誤的類型有很多，最常見的幾種有：

1)節(jié)點(diǎn)之間未連線；

2)存在無效的節(jié)點(diǎn)；

3)程序中兩節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)類型不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能傳遞；

4)存在節(jié)點(diǎn)無法正常運(yùn)行其功能。

程序確認(rèn)無誤后，就可以通過串口把PC機(jī)與單片機(jī)開發(fā)板連接好，然后開始運(yùn)行程序。

調(diào)整溫度上限并改變DS18B20溫度傳感器周圍的溫度，使溫度達(dá)到上限，此時高溫報警指示燈亮，并記入報警記錄。如圖6所示。

圖6 高溫報警

圖7和圖8為溫度檢測系統(tǒng)在電熱水壺周圍進(jìn)行溫度檢測時的界面，溫度分別達(dá)到了47.5 ℃和65.3 ℃。

4.3 實(shí)驗(yàn)分析

通過上述實(shí)驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果可知，該溫度監(jiān)測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確監(jiān)控當(dāng)前環(huán)境下的溫度，并且當(dāng)環(huán)境溫度超過設(shè)定溫度的上、下限時，系統(tǒng)能夠?qū)崟r地進(jìn)行高溫和低溫報警。報警的同時，根據(jù)實(shí)時溫度值來控制加熱電路或者風(fēng)扇電路, 實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時監(jiān)測和控制，當(dāng)溫度滿足要求時，停止加熱或者通風(fēng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的溫度實(shí)時監(jiān)測能力，能同時在溫度監(jiān)測裝置和上位機(jī)程序顯示溫度，具有實(shí)時多點(diǎn)溫度報警的優(yōu)點(diǎn)。還可以將采集的溫度數(shù)據(jù)保存到指定的數(shù)據(jù)庫中， 以備隨時查閱和分析。

圖7 溫度檢測界面

圖8 溫度檢測界面

5 結(jié)論

基于LabVIEW和單片機(jī)的虛擬溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計利用單片機(jī)的控制能力以及LabVIEW的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，設(shè)計了一個方便靈活的測溫系統(tǒng)。通過上位機(jī)LabVIEW能夠很容易地開發(fā)測量和控制系統(tǒng)，同時僅使用一臺計算機(jī)就能夠?qū)崿F(xiàn)多路信號的測量和控制。整個監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計十分簡便，對很多小型的測控系統(tǒng)的設(shè)計有很大的參考價值。通過簡單的擴(kuò)展，這一監(jiān)測系統(tǒng)能夠在工業(yè)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)測量等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。