基于單片機(jī)和LabVIEW的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：利用單片機(jī)和虛擬儀器LabVIEW在PC端設(shè)計(jì)了溫濕度測(cè)量及控制系統(tǒng)，用于溫濕度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)上位機(jī)為PC端監(jiān)控界面，下位機(jī)為單片機(jī)，單片機(jī)采集溫濕度數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給監(jiān)控界面進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有開發(fā)成本低、功耗低、性能穩(wěn)、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：溫濕度采集；DHT11；LabVIEW；單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP393.0 " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " "文章編號(hào)：1671-0797（2023）02-0033-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.02.010

0 " "引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，溫濕度測(cè)量應(yīng)用到了工作和生活的方方面面，溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用也愈加廣泛。目前，基于虛擬儀器的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要依賴于價(jià)格昂貴的數(shù)據(jù)采集卡，系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用成本高[1]。LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開發(fā)的一款圖形化編程開發(fā)環(huán)境，本文基于單片機(jī)和LabVIEW平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。單片機(jī)和溫濕度傳感器構(gòu)成下位機(jī)系統(tǒng)，以串口通信方式將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)PC端LabVIEW平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、溫濕度趨勢(shì)圖繪制、門限報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化管理。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)快速有效，開發(fā)成本低，非常適合日常使用。

1 " "系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

該系統(tǒng)下位機(jī)控制核心為STC89C52，溫濕度傳感器DHT11采集溫濕度信號(hào)，液晶顯示屏LCD1602顯示系統(tǒng)信息。系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警電路，用戶可自行設(shè)定報(bào)警閾值，當(dāng)溫度或濕度超過設(shè)定值時(shí)則啟動(dòng)報(bào)警。上位機(jī)采用LabVIEW編寫程序，單片機(jī)與其通過串口進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)量、監(jiān)控、存儲(chǔ)及統(tǒng)計(jì)分析。LabVIEW圖形化編程人機(jī)交互界面友好，開發(fā)成本低，簡(jiǎn)單易行，功能可靠。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 " "硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 " "下位機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

下位機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路包括：溫濕度傳感器DHT11電路、LCD1602顯示電路、聲光報(bào)警電路和鍵盤電路，本文在此只闡述溫濕度傳感器DHT11的電路設(shè)計(jì)。DHT11只需要占用單片機(jī)一個(gè)I/O口即可完成連接。如圖2所示，DHT11的供電電壓為3.5～5.5 V，其1腳接VCC，2腳接單片機(jī)的I/O口，3腳懸空，4腳接GND。上電后等待1 s以越過不穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間不要發(fā)送任何指令。

2.2 " "上位機(jī)串行通信電路設(shè)計(jì)

上位機(jī)通過串口通信獲取單片機(jī)采集的溫濕度數(shù)值。串行通信線路簡(jiǎn)單，只需一對(duì)傳輸線即可實(shí)現(xiàn)通信，速度慢但成本低。在串行通信中，需要進(jìn)行邏輯電平轉(zhuǎn)換，使其對(duì)信息的邏輯定義與TTL兼容，接口電路如圖3所示。

3 " "系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 " "下位機(jī)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序設(shè)計(jì)主要包括DHT11溫濕度讀取、LCD1602顯示、鍵盤、聲光報(bào)警以及單片機(jī)串口通信設(shè)計(jì)，圖4為下位機(jī)主程序流程圖。

下位機(jī)程序設(shè)計(jì)中的復(fù)雜部分是關(guān)于DHT11如何讀取溫濕度數(shù)據(jù)。DHT11采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通信時(shí)間要小于3 ms，主機(jī)連續(xù)采樣間隔建議大于100 ms，其讀取單總線上的1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)如圖5所示。其溫濕度數(shù)據(jù)包由5 Byte（40 bit）組成：8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit校驗(yàn)和[2]，可以據(jù)此讀出采集到的溫濕度數(shù)據(jù)。

3.2 " "上位機(jī)LabVIEW程序設(shè)計(jì)

3.2.1 " "LabVIEW上位機(jī)設(shè)計(jì)模式

由于下位機(jī)連續(xù)不斷地采集溫濕度數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)不丟失，上位機(jī)設(shè)計(jì)模式代碼框架采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式。利用消息隊(duì)列處理器，將用戶界面UI、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)保存顯示、數(shù)據(jù)分析4個(gè)隊(duì)列多線并行運(yùn)行，如圖6所示。用戶界面有任何動(dòng)作，生產(chǎn)者均會(huì)在事件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的事件消息，發(fā)送到隊(duì)列，消費(fèi)者不斷取出隊(duì)列的事件消息進(jìn)行處理[3]，對(duì)所有動(dòng)作做出反應(yīng)。

3.2.2 " "LabVIEW上位機(jī)串口發(fā)送程序

本程序運(yùn)行前需要先配置串口，將命令（如55 AA 01）通過VISA串口寫入，等待不少于0.02 s，時(shí)間太短會(huì)導(dǎo)致讀取緩存失敗。通過串口屬性節(jié)點(diǎn)Byte at Port可判斷串口緩存的字符個(gè)數(shù)，若單片機(jī)返回錯(cuò)誤標(biāo)志，則重新發(fā)送[3]。由于DHT11是單總線器件，單片機(jī)正在執(zhí)行時(shí)序時(shí)不能被打斷，會(huì)錯(cuò)過上位機(jī)命令，所以需要重復(fù)發(fā)送幾次，保證連接成功，不管成功與否最多發(fā)送5次。執(zhí)行部分程序框圖如圖7所示。

3.2.3 " "LabVIEW上位機(jī)串口接收程序

為保證單片機(jī)發(fā)送過來(lái)的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，上位機(jī)將串口緩沖中的數(shù)據(jù)一一讀到隊(duì)列中，再建立另外一個(gè)線程來(lái)取出隊(duì)列中數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，如圖8所示。

3.2.4 " "數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)和調(diào)用

上位機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件類型為TDMS（Technical Data Management Streaming）文件，它兼顧了存取方便、高速等優(yōu)勢(shì)。TDMS的邏輯結(jié)構(gòu)分為三層：文件（File）、通道組（Channel Groups）和通道（Channels）[4]，程序員可以非常方便地使用這三個(gè)邏輯層次定義測(cè)試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)檢索是有序的、方便存取的，如圖9所示。

4 " "系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如圖10～圖13所示。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)和LabVIEW的溫濕度監(jiān)測(cè)，下位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫濕度數(shù)據(jù)，上位機(jī)在LabVIEW前面板實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)和波形實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)溫濕度數(shù)值超出或低于預(yù)設(shè)值時(shí)，可通過下位機(jī)蜂鳴器和上位機(jī)指示燈進(jìn)行報(bào)警，歷史數(shù)據(jù)能以TDMS文件形式保存，易于查詢和打印。

5 " "結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)和LabVIEW的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢功能，且監(jiān)測(cè)界面美觀、操作便捷，系統(tǒng)成本低，功能易擴(kuò)展，具有較好的使用和推廣價(jià)值。

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收稿日期：2022-09-29

作者簡(jiǎn)介：孫文靜（1981—），女，山東淄博人，碩士，講師，研究方向：電子信息技術(shù)。