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        基于LabVIEW的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2014-03-22 18:43:15李菲江世明
        現(xiàn)代電子技術(shù) 2014年6期
        關(guān)鍵詞:串口通信

        李菲 江世明

        摘 要: 虛擬儀器將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量技術(shù)緊密融合,它在進(jìn)行環(huán)境參數(shù)測(cè)量時(shí)無需使用大量的測(cè)量設(shè)備,最大限度地降低了開發(fā)成本。鑒于此,設(shè)計(jì)了一個(gè)基于虛擬儀器技術(shù)的溫度測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由下位機(jī)和上位機(jī)兩部分構(gòu)成,下位機(jī)通過傳感器采集溫度信號(hào),經(jīng)單片機(jī)以串口通信的方式傳送給上位機(jī),上位機(jī)中由LabVIEW軟件編寫的溫度測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)時(shí)進(jìn)行溫度的顯示與報(bào)警。測(cè)試結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測(cè)量精度較高,操作簡(jiǎn)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(hào): TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 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(shí)時(shí)檢測(cè)的物理量,那么如何進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)有效的檢測(cè)是必須考慮的一個(gè)問題。傳統(tǒng)的測(cè)量方法大多偏硬件電路和C/C++語言,設(shè)計(jì)過程復(fù)雜,且可視效果不好,針對(duì)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(jì)算機(jī)與儀器測(cè)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(shí)際需求構(gòu)建虛擬的測(cè)量?jī)x器與信號(hào)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(cè)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(jì)的溫度測(cè)量系統(tǒng)是基于LabVIEW平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)的,整個(gè)系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)2部分。上位機(jī)由裝有LabVIEW軟件平臺(tái)的PC機(jī)來實(shí)現(xiàn),下位機(jī)由溫度采集模塊、單片機(jī)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(jì)的系統(tǒng)中,首先通過溫度傳感器采集當(dāng)前實(shí)時(shí)溫度,將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送到單片機(jī)進(jìn)行處理,且實(shí)時(shí)溫度在LCD1206上顯示出來,同時(shí)將采樣數(shù)據(jù)通過MAX232串口通信模塊發(fā)送到PC機(jī),PC機(jī)上的用LabVIEW實(shí)現(xiàn)的溫度測(cè)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(jìn)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(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警處理等。

        2 下位機(jī)的具體設(shè)計(jì)

        下位機(jī)的設(shè)計(jì)包含了硬件電路與程序設(shè)計(jì)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(jì)

        (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(shí)現(xiàn),選擇這2種測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)溫范圍為-55~150 ℃,其輸出電流與絕對(duì)溫度也是成正比的。由此可見,這兩種測(cè)溫傳感器測(cè)溫的線性度較好,外圍電路也簡(jiǎn)單,無需如熱電偶一樣進(jìn)行冷端補(bǔ)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(jī)前還需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)主要采用PCF8591芯片來實(shí)現(xiàn)的。PCF8591是一個(gè)單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、8?bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件,可實(shí)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(jī)控制與顯示模塊

        單片機(jī)采用的是AT89S52芯片,顯示模塊采用LCD1602來顯示實(shí)時(shí)的測(cè)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(shí)現(xiàn)。MAX232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的具有兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器的IC芯片,其內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器,將單片機(jī)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(jì)中將單片機(jī)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(jī)連接就實(shí)現(xiàn)了上下位機(jī)之間串行通信的硬件連接。

        2.2 程序設(shè)計(jì)

        本系統(tǒng)由AT89S52單片機(jī)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(jī)。其主要的程序設(shè)計(jì)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(jī)軟件設(shè)計(jì)

        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(jì)的溫度測(cè)量系統(tǒng)[4]可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集,顯示及處理,具體的設(shè)計(jì)包含了3部分:前面板的設(shè)計(jì)、程序框圖的設(shè)計(jì)和連接器的設(shè)計(jì)。特別值得注意的是,作為上位機(jī)的測(cè)量軟件必須與下位機(jī)的硬件電路相連接,這就牽涉到如何實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)串口通信的問題。

        3.1 前面板設(shè)計(jì)

        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(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,并將采集的溫度實(shí)時(shí)顯示出來,同時(shí)本系統(tǒng)的溫度上下限閾值可以設(shè)置,當(dāng)實(shí)時(shí)溫度超出預(yù)先設(shè)置的上下限范圍時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。因此,前面板的設(shè)計(jì)主要包含4個(gè)部分:波形顯示部分、當(dāng)前溫度與電壓值顯示部分、溫度上下限設(shè)置部分和報(bào)警部分。

        為實(shí)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(jì)見圖3所示。

        3.2 程序框圖設(shè)計(jì)

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

        3.3 串口通信

        上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信主要以串口通信的方式來實(shí)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(shí)現(xiàn)[10]。

        (1) 串口的參數(shù)配置。在串口通信之前,必須對(duì)串口的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,而且上位機(jī)和下位機(jī)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(yàn)位和流控制,設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),以字符串的形式循環(huán)發(fā)送;在接收數(shù)據(jù)時(shí),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(jì)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(cè)試結(jié)果

        在上述設(shè)計(jì)的溫度測(cè)量系統(tǒng)中,分別采用9015晶體管和AD590集成溫度傳感器對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集,并經(jīng)過串口通信輸送給LabVIEW軟件,其測(cè)試結(jié)果說明如下:

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

        (2) AD590測(cè)溫測(cè)試:AD590的測(cè)溫范圍較寬,本文的測(cè)試范圍在25~110 ℃,測(cè)試數(shù)據(jù)見表2,顯示結(jié)果如圖5所示。從上述的測(cè)試結(jié)果可以看出,該系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了溫度測(cè)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?。?/p>

        ② 可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的溫度值及相對(duì)應(yīng)的電壓值。

        ③ 可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。如溫度的上限設(shè)置為60 ℃,當(dāng)采集的實(shí)時(shí)溫度為65 ℃時(shí),溫度過高,報(bào)警燈亮起。

        5 結(jié) 語

        本文基于LabVIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)了一個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)通過上位機(jī)與下位機(jī)之間的串口通信,較好地實(shí)現(xiàn)了溫度測(cè)量的實(shí)時(shí)顯示以及溫度過高或溫度過低時(shí)的報(bào)警,測(cè)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(qiáng)大,而且操作方便。實(shí)驗(yàn)證明用該軟件設(shè)計(jì)的測(cè)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(jiǎn)便有效的測(cè)量途徑。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 雷國(guó)建,劉登科,石啟亮.基于LabVIEW的遠(yuǎn)程溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(19):111?113.

        [2] 秦志強(qiáng),譚立新,劉瑤生.現(xiàn)代傳感器技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

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        [4] 豈興明,田京京,夏寧.LabVIEW入門與實(shí)踐開發(fā)100例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

        [5] 盧佳,徐熙平.LabVIEW環(huán)境下自動(dòng)溫度檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J].電子測(cè)量技術(shù),2011,34(9):80?83.

        [6] 呂龍飛,陳照章,黃永紅.基于LabVIEW的虛擬儀器溫度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(1):170?172.

        [7] 劉金頌,嚴(yán)潔,鄭慶紅.基于LabVIEW和單片機(jī)的空調(diào)溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2006,29(1):78?80.

        [8] 師玉寶,張翔,劉曉奎.基于LabVIEW技術(shù)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2011,1(4):70?72.

        [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(xué)出版社,2008.

        [10] 陳樹學(xué),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(duì)串口的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,而且上位機(jī)和下位機(jī)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(yàn)位和流控制,設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),以字符串的形式循環(huán)發(fā)送;在接收數(shù)據(jù)時(shí),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(jì)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(cè)試結(jié)果

        在上述設(shè)計(jì)的溫度測(cè)量系統(tǒng)中,分別采用9015晶體管和AD590集成溫度傳感器對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集,并經(jīng)過串口通信輸送給LabVIEW軟件,其測(cè)試結(jié)果說明如下:

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

        (2) AD590測(cè)溫測(cè)試:AD590的測(cè)溫范圍較寬,本文的測(cè)試范圍在25~110 ℃,測(cè)試數(shù)據(jù)見表2,顯示結(jié)果如圖5所示。從上述的測(cè)試結(jié)果可以看出,該系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了溫度測(cè)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(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的溫度值及相對(duì)應(yīng)的電壓值。

        ③ 可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。如溫度的上限設(shè)置為60 ℃,當(dāng)采集的實(shí)時(shí)溫度為65 ℃時(shí),溫度過高,報(bào)警燈亮起。

        5 結(jié) 語

        本文基于LabVIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)了一個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)通過上位機(jī)與下位機(jī)之間的串口通信,較好地實(shí)現(xiàn)了溫度測(cè)量的實(shí)時(shí)顯示以及溫度過高或溫度過低時(shí)的報(bào)警,測(cè)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(qiáng)大,而且操作方便。實(shí)驗(yàn)證明用該軟件設(shè)計(jì)的測(cè)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(jiǎn)便有效的測(cè)量途徑。

        參考文獻(xiàn)

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        [5] 盧佳,徐熙平.LabVIEW環(huán)境下自動(dòng)溫度檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J].電子測(cè)量技術(shù),2011,34(9):80?83.

        [6] 呂龍飛,陳照章,黃永紅.基于LabVIEW的虛擬儀器溫度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(1):170?172.

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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(xué)出版社,2008.

        [10] 陳樹學(xué),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(duì)串口的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,而且上位機(jī)和下位機(jī)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(yàn)位和流控制,設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),以字符串的形式循環(huán)發(fā)送;在接收數(shù)據(jù)時(shí),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(jì)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(cè)試結(jié)果

        在上述設(shè)計(jì)的溫度測(cè)量系統(tǒng)中,分別采用9015晶體管和AD590集成溫度傳感器對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集,并經(jīng)過串口通信輸送給LabVIEW軟件,其測(cè)試結(jié)果說明如下:

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

        (2) AD590測(cè)溫測(cè)試:AD590的測(cè)溫范圍較寬,本文的測(cè)試范圍在25~110 ℃,測(cè)試數(shù)據(jù)見表2,顯示結(jié)果如圖5所示。從上述的測(cè)試結(jié)果可以看出,該系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了溫度測(cè)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(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的溫度值及相對(duì)應(yīng)的電壓值。

        ③ 可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。如溫度的上限設(shè)置為60 ℃,當(dāng)采集的實(shí)時(shí)溫度為65 ℃時(shí),溫度過高,報(bào)警燈亮起。

        5 結(jié) 語

        本文基于LabVIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)了一個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)通過上位機(jī)與下位機(jī)之間的串口通信,較好地實(shí)現(xiàn)了溫度測(cè)量的實(shí)時(shí)顯示以及溫度過高或溫度過低時(shí)的報(bào)警,測(cè)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(qiáng)大,而且操作方便。實(shí)驗(yàn)證明用該軟件設(shè)計(jì)的測(cè)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(jiǎn)便有效的測(cè)量途徑。

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