劉文科，謝樂聰，劉家凱，許海林

（佳木斯大學(xué) 信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007）

基于LabView多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉文科，謝樂聰，劉家凱，許海林

（佳木斯大學(xué) 信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007）

虛擬儀器其優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的基本功能，可根據(jù)用戶的實(shí)際需求改變儀器定義，完美地展現(xiàn)了虛擬儀器的實(shí)用性和靈活性，實(shí)現(xiàn)多種多樣的應(yīng)用需求。本設(shè)計(jì)是以LabView作為開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)的虛擬儀器作為上位機(jī)，單片機(jī)作為下位機(jī)聯(lián)合組成的系統(tǒng)。上位機(jī)是通過USB通信模塊接收來自下位機(jī)采集的多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，下位機(jī)是通過STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，利用數(shù)字溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)、無線傳輸實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，最終達(dá)到多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)采集并傳輸給上位機(jī)。經(jīng)過安裝調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了各種基本功能。

LabView；無線傳輸；溫度傳感器；單片機(jī)

1 引言

1.1 課題的來源及研究目的和意義

課題來源于虛擬儀器的迅速發(fā)展以及相關(guān)技術(shù)在農(nóng)業(yè)工業(yè)等各種領(lǐng)域的成熟。研究目的及意義：溫度與生產(chǎn)及生活密切相關(guān)，環(huán)境溫度的測(cè)量有著很廣泛而重要的意義。作為儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)完美結(jié)合的虛擬儀器技術(shù)提供了一個(gè)很好的解決方案來應(yīng)對(duì)這個(gè)難題。使用虛擬儀器技術(shù)，只要將需要測(cè)量的信號(hào)通過I/O接口設(shè)備采集后送入計(jì)算機(jī)，再通過虛擬儀器開發(fā)工具和利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、處理功能以及顯示器的強(qiáng)大顯示能力，可滿足特殊測(cè)試的要求。同時(shí)隨著無線設(shè)備的興起，采用無線傳輸?shù)姆绞綄?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送、接收，減少不必要的線路設(shè)備開支。

1.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

虛擬儀器目前在國(guó)外發(fā)展很快，美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI公司)等一些元器件廠商已經(jīng)在市場(chǎng)上推出了基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)的商品化儀器產(chǎn)品。

1.3 本課題的主要內(nèi)容

本設(shè)計(jì)上位機(jī)以LabView為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的控制與顯示功能，由STC89C52單片機(jī)作為下位機(jī)主控制芯片，溫度傳感器DS18B20、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊nRF24L01構(gòu)成溫度采集、傳輸系統(tǒng)，AMS1117芯片構(gòu)成3.3V電平轉(zhuǎn)換電路。

2 系統(tǒng)的方案選擇及硬件設(shè)計(jì)

目前溫度監(jiān)測(cè)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活中都有廣泛的應(yīng)用，采用虛擬儀器的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)控制具有很大優(yōu)勢(shì)。因?yàn)閿?shù)據(jù)采集的方式很多，如何選擇數(shù)據(jù)采集芯片在設(shè)計(jì)中是非常重要的，好的選擇可以讓開發(fā)難度降低，開發(fā)時(shí)間減短，降低開發(fā)成本，使產(chǎn)品更快地推向市場(chǎng)。同樣主控芯片和接口芯片在整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建中也有重要的意義。

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)及選擇

（1）上位機(jī)軟件選擇。考慮到LabView在工程上的應(yīng)用廣泛、開發(fā)周期短、易學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)采集方面出色、僅通過程序流程圖的理解就可利用圖形來開發(fā)程序，并且在調(diào)試修改方面簡(jiǎn)潔。綜合考慮決定LabView進(jìn)行上位機(jī)軟件的開發(fā)。

（2）上位機(jī)與下位機(jī)的通訊方式的選擇。綜合上述條件，本設(shè)計(jì)上位機(jī)決定選用LabView為編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件，下位機(jī)決定選用STC89C52作為主從機(jī)主控芯片，主從機(jī)之間采用無線數(shù)據(jù)傳輸模塊通信，主機(jī)用串口通信的方式進(jìn)行上下位機(jī)通信。主機(jī)部分包括：主控制芯片、溫度傳感器、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、接口電路、電源模塊。從機(jī)部分包括：主控制芯片、溫度傳感器、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源模塊。

2.2 系統(tǒng)硬件分析及選擇

（1）主控制器選擇。中和多方因數(shù)，考慮到本次設(shè)計(jì)的成本、安全性、便捷性，因此采用STC89C52芯片作為本設(shè)計(jì)中的主控芯片。

（2）溫度傳感器選擇。數(shù)字溫度傳感器DS18B20采用“一線總線”接口。將溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號(hào)直接供處理器處理，具有功耗低、性能高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

（3）3.3V電壓轉(zhuǎn)換芯片選擇。AMS1117是一款三端線性穩(wěn)壓電路。本系統(tǒng)中nRF24L01無線收發(fā)模塊需要的電壓為1.9～3.6V，因此采用固定版本型號(hào)3.3V輸出的AMS1117作為電壓轉(zhuǎn)換芯片。

2.3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

（1）溫度數(shù)據(jù)采集總電路設(shè)計(jì)。為了達(dá)到體積小、功耗低、方便、成本低等特點(diǎn)，溫度數(shù)據(jù)采集電路主要由單片機(jī)STC89C52、數(shù)字溫度傳感器DS18B20、電平轉(zhuǎn)換芯片AMS1117、無線收發(fā)模塊nRF24L01構(gòu)成。

（2）單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由晶振11.0592M、無極性電容30pf、極性電容10uF、電阻10K構(gòu)成，晶振產(chǎn)生單片機(jī)工作的時(shí)鐘頻率。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過軟件的設(shè)計(jì)可以使硬件在此程序的控制下按命令執(zhí)行，從而通過調(diào)試達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.1 DS18B20溫度采集部分軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)要求，需要對(duì)溫度采集模塊編程測(cè)出所需要的數(shù)據(jù)。因此必須通過對(duì)DS18B20芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)的分析才可以了解到DS18B20芯片具體使用方法，下面就根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)的內(nèi)容對(duì)DS18B20芯片進(jìn)行編程。

3.2 nRF24L01收發(fā)部分軟件設(shè)計(jì)

nRF24L01收發(fā)部分軟件設(shè)計(jì)參照系統(tǒng)規(guī)程不變。

3.3 LabView上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

（1）上位機(jī)程序流程圖。上位機(jī)的工作流程是先由登陸模塊進(jìn)行登陸操作，判斷是否有操作權(quán)限。登陸成功后由串口通信模塊接收來自下位機(jī)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊的處理后分別將信號(hào)送給顯示模塊、溫度報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示功能、溫度報(bào)警功能、歷史數(shù)據(jù)記錄儲(chǔ)存功能。

（2）串口通信模塊程序設(shè)計(jì)。串口通信模塊主要是通過LabView的VISA來實(shí)現(xiàn)的。VISA（虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)體系）是在所有LabView工作平臺(tái)上控制VXI、GPID、RS-232以及其他種類儀器的單接口程序庫(kù)。VISA提供了簡(jiǎn)單易用的控制函數(shù)集，具有簡(jiǎn)單的應(yīng)用形式。

4 安裝與調(diào)試

在系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)后，需要進(jìn)行安裝和調(diào)試工作。安裝過程包括硬件電路的安裝和軟件驅(qū)動(dòng)的安裝。其中，軟件驅(qū)動(dòng)的安裝包括PL2303USB轉(zhuǎn)TTL接口部分驅(qū)動(dòng)軟件的安裝和VISA驅(qū)動(dòng)的安裝。

4.1 安裝過程

（1）PL2303USB轉(zhuǎn)TTL接口部分驅(qū)動(dòng)軟件的安裝。（2）VISA驅(qū)動(dòng)的安裝。（3）硬件電路的安裝。

4.2 調(diào)試過程

調(diào)試過程主要分為下位機(jī)調(diào)試、上位機(jī)調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。參照電路原理圖，找齊元器件，分別檢測(cè)各元器件是否正常，有無損壞，確認(rèn)無誤之后焊接到電路板上。焊好后先用萬用表測(cè)試有無短路現(xiàn)象，保證電路能夠正常工作。確認(rèn)數(shù)據(jù)無誤之后進(jìn)行上位機(jī)調(diào)試，打開LabView軟件，設(shè)置好相應(yīng)串口參數(shù)，點(diǎn)擊連續(xù)運(yùn)行按鈕觀察得到的數(shù)據(jù)。改變當(dāng)前溫度，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)?？捎檬种改笞S18B20溫度傳感器，改變傳感器周圍的溫度，觀察得到的數(shù)據(jù)變化，至此設(shè)計(jì)完成系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖1所示是調(diào)試好的上位機(jī)正常工作的界面，從圖1中看出，系統(tǒng)可以正常工作顯示當(dāng)前溫度數(shù)值，并將顯示的溫度信息記錄在表格控件中形成歷史記錄。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過硬件和軟件測(cè)試、聯(lián)調(diào)，最終達(dá)到了本設(shè)計(jì)的基本要求。本系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的的專用儀器無法與計(jì)算機(jī)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示儲(chǔ)存、成本高、更新升級(jí)慢、儀器靈活性差等問題，同樣也克服了不同點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸不便等問題。

系統(tǒng)未解決問題：無法控制測(cè)溫間隔時(shí)間；串口通信有距離限制；數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的偶爾錯(cuò)誤；nRF24L01無線傳輸距離上的限制；判斷數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)的表格空白寫入；電路對(duì)傳感器電磁干擾等問題。

圖1 上位機(jī)溫度數(shù)據(jù)采集界面

TP274

A

1671-0711（2016）11（下）-0072-02

（黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)201410222015）。