潘玉恒，魯維佳，尹萬疆

(天津城建大學計算機與信息工程學院，天津　300384)

0　引言

在國民經濟各部門，如電力電子、化工、機械、農業(yè)等，溫度都是一個重要的物理量，因此在各領域的溫度監(jiān)測也十分重要。虛擬儀器是基于計算機的軟硬件測試平臺，已在工業(yè)控制領域具有廣泛應用。LabVIEW是面向虛擬儀器的圖形化編程語言，該設計利用LabVIEW作為開發(fā)平臺，采用DS18B20采集溫度，采集到的數(shù)據送入單片機，通過串口將數(shù)據傳輸至計算機。在LabVIEW環(huán)境下對采集到的溫度數(shù)據進行處理、顯示和存儲，以實現(xiàn)對被測對象周圍溫度的監(jiān)測，并根據需要對被監(jiān)測對象進行控制。

1　系統(tǒng)總體方案

硬件的主控芯片為AT89C52，溫度采集模塊由DS18B20傳感器構成，通過繼電器控制設備通斷。將采集到的溫度由單片機通過串口傳至計算機，利用LabVIEW的串口通信模塊，采集來自單片機傳送的溫度信號，并在LabVIEW上實時顯示溫度和實時溫度曲線。當溫度超過報警溫度時發(fā)出報警信號，當溫度繼續(xù)升高超過設備關閉溫度時，通過繼電器切斷設備。溫度下降至安全范圍重新啟用設備并撤銷報警。系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)方案框圖

2　系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

2．1主控芯片

主控芯片采用AT89C52，它是一個低電壓，高性能8位單片機，內含8 Kb的Flash只讀程序存儲器和256 b的數(shù)據存儲器(RAM)，它兼容MCS-51指令系統(tǒng)，AT89C52單片機在電子設計及控制領域有著廣泛的應用[1]。

2．2溫度傳感器DS18B20

DS18B20是由支持“一線總線”接口的數(shù)字溫度傳感器，其原理是溫度的改變引起傳感器輸出的數(shù)字信號變化。DS18B20 的優(yōu)點是可以直接讀出被測對象的溫度數(shù)值，采用單總線與單片機連接，硬件電路設計簡單，開發(fā)率高。

設計中為了增加傳輸距離，在2引腳和3引腳之間加入4.7 kΩ的上拉電阻，確保單片機能有效的遠程讀取數(shù)據。1，3引腳分別接地和電源，數(shù)據口2與單片機的P1．0相接[2]。

2．3其他電路

要通過串口傳輸數(shù)據，需要將單片機的TTL電平轉換為PC機的232電平，采用MAX232電平轉換芯片，為了不影響數(shù)據的傳輸，在MAX232需要加入極性電容，消除電磁效應，電涌的影響。T2IN引腳與單片機的P3．0相連，R2OUT引腳與單片機的P3．1相連[4]。

繼電器采用電磁式繼電器，通過輸入小電流來控制被測設備的導通和切斷，將單片機的P0．0口與繼電器的引腳相連，由P0．0口向繼電器輸入電流從而控制外部設備的導通與切斷[6]。系統(tǒng)的硬件電路圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件電路圖

3　系統(tǒng)軟件設計

3．1主程序設計

系統(tǒng)軟件程序的編寫是在Keil uVision2的集成開發(fā)環(huán)境下，采用C語言編寫，主要包括對各硬件初始化、溫度讀取、控制電路及上下位機的通訊4個模塊。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)主程序流程圖

3．2讀取溫度子程序

DSl8B20工作過程中的協(xié)議：初始化、ROM操作命令、存儲器操作命令、處理數(shù)據[9]。單片機檢測到DSl8B20的存在，便可以發(fā)出ROM和RAM操作命令代碼[2]。讀取溫度的子程序如圖4所示。

圖4　溫度子程序流程圖

4　上位機界面的LabVIEW設計

上位機利用LabVIEW軟件進行編程，采用模塊化設計，包括串口通訊模塊、數(shù)據處理模塊、實時溫度及曲線顯示模塊、參數(shù)控制模塊和報警模塊。上位機軟件前面板如圖5所示。

圖5　上位機軟件前面板圖

4．1串口通訊模塊

LabVIEW函數(shù)庫中的VISA(虛擬儀器軟件構架)函數(shù)是用于儀器編程的標準I/O函數(shù)庫，可用來設計單片機與PC機之間的通訊。程序中用到的VISA模塊有：配置串口：配置串口VI是使制定的串口按特定設置初始化，波特率用于設置串口傳輸速率，奇偶端指定傳輸或接收時所使用的奇偶校驗，停止位指定用于表示每幀結束的停止位的數(shù)量；串口寫入：串口配置好后，數(shù)據傳向緩沖區(qū)。為使緩沖區(qū)的數(shù)據不丟失，需要不停地寫入，串口寫入VI完成該功能；串口讀取：數(shù)據寫入完成后，VISA讀取指定設備，讀取寫入的數(shù)據。讀取的數(shù)據為指定數(shù)量字節(jié)，并將其返回至讀取緩沖區(qū)[5]。

4．2數(shù)據處理模塊

該模塊將從下位機讀取的數(shù)據進行處理以便進行實時顯示和報警。運用索引數(shù)組，讀出串口發(fā)來的數(shù)據元素。三維數(shù)組表示溫度的地址位、整數(shù)位和小數(shù)位。

4．3顯示、報警和數(shù)據存儲模塊

實時顯示包括數(shù)值顯示和溫度曲線顯示，是通過波形圖表、溫度計和數(shù)字窗口顯示出來；報警是運用了條件結構，當采集到的溫度達到報警溫度時，報警燈亮，低于報警取消溫度時，撤銷報警；溫度高于設備關閉溫度或低于設備開啟溫度時，單片機發(fā)出信號控制繼電器的通斷；數(shù)據存儲是利用數(shù)據類型格式的轉化，然后將溫度值存儲在Excel表中[3]存儲格式如圖6所示，系統(tǒng)總體程序框圖如圖7所示。

5　結束語

該設計是一個閉環(huán)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，通過AT89C52單片機采集溫度數(shù)據，利用串口傳至計算機，LabVIEW軟件對傳來的溫度數(shù)據，進行實時的處理、顯示、監(jiān)控和存儲。該設計有效地將計算機技術、測量技術、監(jiān)控技術和虛擬儀器技術結合起來，完成了對設備的高效控制和監(jiān)測。上位機軟件完全是開放式的，方便二次開發(fā)使用，降低了資源，縮短了開發(fā)周期。且價格低廉，應用到工廠、大棚和水站等降低了企業(yè)的設備開支。該系統(tǒng)的設計符合測控技術的發(fā)展趨勢，未來發(fā)展前景廣闊。

圖6　溫度數(shù)據存儲圖

參考文獻：

[1]李朝青．單片機原理及接口技術．北京：北京航空航天大學出版社，1998．

[2]韓靜，王熙．由數(shù)字溫度傳感器DS18B20構成的溫度控制系統(tǒng)．大慶師范學院學報，2008，28(2)：49-51．

[3]任德齊，譚中華．基于LabVIEW的溫度測試系統(tǒng)的研究．西南師范大學學報：自然科學版，2007，32(5)：129-132．

圖7　上位機軟件程序框圖

[4]黃浩，程菲，段三丁，陳光東．常用串行總線數(shù)據操作的C51編程．微型機與應用，2003(5)：19-21．

[5]王淑琴，徐振高．通用串行總線及其在虛擬儀器中的應用．計算技術，2003(7)：14-16．

[6]李曉波．基于LabVIEW 的汽車水溫傳感器檢測系統(tǒng)．儀表技術與傳感器，2013(1)：59-61．