王鵬 許明海

摘要：隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，溫室環(huán)境的檢測(cè)也有了更為方便，靈活的系統(tǒng)，LabVIEW擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，擁有許多儀器設(shè)備的功能，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)功能單一，靈活性低的缺點(diǎn)。擁有良好的人機(jī)交互界面，靈活，集成度高，用戶可在使用中自行擴(kuò)展，升級(jí)功能。本系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器以及簡(jiǎn)單的串行接口電路，結(jié)合單片機(jī)與LabVIEW，來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的監(jiān)控，有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：溫度檢測(cè)；LabVIEW；單片機(jī)；測(cè)試；控制

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）09-0256-03

Abstract：With the continuous development of modern science and technology， the detection of greenhouse environment also has a more convenient， flexible system， LabVIEW has powerful data processing ability， has many of the instruments and equipment， to make up for the traditional measurement system is a single function， low flexibility of faults. With a good human-computer interaction interface， flexible and integrated， users can expand and upgrade themselves in use. The system adopts DS18B20 temperature sensor and simple serial interface circuit， combined with single chip microcomputer and LabVIEW， to realize the monitoring of temperature measurement， with simple system structure and high expansibility.

Key words：temperature measurement； LabVIEW； SCM； test； control

溫度在很多的地方都是非常重要的參數(shù)，比如大規(guī)模種植蔬菜的時(shí)候就要注意夏天由于天氣炎熱會(huì)不會(huì)導(dǎo)致蔬菜基地的溫度太高影響蔬菜發(fā)育，冬天溫度太低會(huì)不會(huì)凍傷蔬菜。進(jìn)行科研實(shí)驗(yàn)的時(shí)候?qū)囟鹊囊蟾菄?yán)格，可能溫度偏高或者偏低都有可能對(duì)某種硬件造成參數(shù)上的變化，從而改變了本來(lái)的數(shù)值，影響了實(shí)驗(yàn)效果。所以有時(shí)候就需要一個(gè)方便使用，靈活的檢測(cè)溫度的系統(tǒng)，而傳統(tǒng)的測(cè)溫系統(tǒng)一般都是以硬件為主的，功能這方面比較的單一，而且往往體積是比較大的，使用地區(qū)不同很可能就不方便轉(zhuǎn)移攜帶，性能也有可能不太穩(wěn)定，所以本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是在硬件的支持下，以美國(guó)國(guó)家儀器公司的圖形化編程軟件LabVIEW為軟件平臺(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠測(cè)試溫度的系統(tǒng)，這樣就可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)溫系統(tǒng)的硬件價(jià)格較貴，靈活性低，擴(kuò)展性不高的缺點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)溫度的顯示，溫度超出范圍報(bào)警以及采取對(duì)應(yīng)變溫的措施等功能。

1 虛擬儀器與LabVIEW

虛擬儀器（VirtualInstrument，VI）是美國(guó)國(guó)家儀器公司提出的，把高效的硬件和軟件結(jié)合起來(lái)，就能夠?qū)崿F(xiàn)許多的功能，是一種功能意義上的儀器，我們都知道計(jì)算機(jī)在不斷的更新?lián)Q代到現(xiàn)在已經(jīng)擁有了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，當(dāng)把計(jì)算機(jī)和硬件結(jié)合在一起以后，得到硬件的支持，我們就可以用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析或者顯示等等的更多功能，與傳統(tǒng)的儀器相比，很好地解決了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)采集，分析，控制和顯示等方面的不足，用戶還能夠?qū)ψ约旱膬x器進(jìn)行適合自己需求的改進(jìn)，這樣用戶在操作儀器的時(shí)候，就和操作自己的電腦感覺一樣，這樣體驗(yàn)更好。虛擬儀器有三個(gè)特點(diǎn)，第一個(gè)就是不強(qiáng)調(diào)物理上的實(shí)現(xiàn)形式。第二個(gè)是可以在系統(tǒng)內(nèi)對(duì)軟硬件進(jìn)行資源共享。第三個(gè)是圖形化的軟件面板，這個(gè)在有時(shí)候比文本語(yǔ)言輸入的方法更加的好用，方便。虛擬儀器沒有傳統(tǒng)儀器那樣受廠家出廠或者功能上的限制，突出了虛擬儀器的靈活性，虛擬儀器一般是要實(shí)現(xiàn)不同的功能會(huì)有不一樣的編程，硬件選擇一般選用通用硬件，這樣在連接其他的設(shè)備儀器的時(shí)候就能夠相對(duì)容易成功，并且還可以利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)資源的共享，虛擬儀器在開發(fā)和維護(hù)在價(jià)格上比傳統(tǒng)儀器有很高的性價(jià)比。LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，類似于我們所知道的C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但它們又有很大的不同，LabVIEW和其他的編程軟件相比較來(lái)說(shuō)，最不一樣的應(yīng)該就是LabVIEW是以圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序的，產(chǎn)生的是框圖形式的程序，而其他的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言一般都是采用文本輸入來(lái)產(chǎn)生代碼的，所以這應(yīng)該是它們最大的區(qū)別。LabVIEW還提供了豐富的工具和函數(shù)可以使用，被越來(lái)越多人所使用和接受，廣泛地應(yīng)用于教學(xué)科研、交通、醫(yī)療等各個(gè)行業(yè)。

2 溫室環(huán)境檢測(cè)測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要是由上位機(jī)、AT89C51單片機(jī)控制電路、DS18B20溫度檢測(cè)傳感器來(lái)構(gòu)成的溫度檢測(cè)電路。

本系統(tǒng)檢測(cè)溫度用的傳感器是DS18B20，DS18B20具有價(jià)格低廉，使用方便，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合本系統(tǒng)的測(cè)試使用，并且這種傳感器是一種不需要經(jīng)過(guò)別的變換電路，可以把檢測(cè)到的溫度直接輸出溫度數(shù)字量，是一種支持“一線總線”接口的溫度傳感器，可以直接和下位機(jī)接口相接，支持多器件擴(kuò)展，使用起來(lái)方便。然后再用AT89C51單片機(jī)來(lái)構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)，用來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)換等等的操作，通過(guò)單片機(jī)與DS18B20讀取數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口與PC通訊，運(yùn)行的LabVIEW把串口傳上來(lái)的數(shù)據(jù)分析處理，再把需要顯示的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，最后實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量和控制，溫度檢測(cè)測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖 1所示。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 溫度傳感器DS18B20

溫度傳感器DS18B20是一種新的“一線”器件，它是把溫度檢測(cè)和數(shù)據(jù)的傳輸都集成在了一個(gè)芯片上，所以體積較小，抗干擾能力較強(qiáng)，適用電壓寬等特點(diǎn)。這個(gè)傳感器的溫度檢測(cè)范圍在“-55度～+125度”，每一個(gè)DS18B20都有自己獨(dú)特的64位長(zhǎng)序列號(hào)，它們被存放于DS18B20里面的ROM只讀存儲(chǔ)器里。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器含有一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)易失性的電可擦除E2RAM，后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器，暫存寄存器有8個(gè)連續(xù)字符，前兩個(gè)字節(jié)是測(cè)到的溫度信息，第一個(gè)字節(jié)是溫度的低八位，第二個(gè)字節(jié)是溫度的高八位，在高八位里，前四位表示溫度的正與負(fù)，所以，只要讀取溫度信息字節(jié)里的內(nèi)容，就可以轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的溫度值。DS18B20溫度傳感器只有一根信號(hào)線，所以始終和數(shù)據(jù)都在這根數(shù)據(jù)線上傳輸，有雙向傳輸?shù)墓δ堋囟葌鞲衅髦恍枰訂纹瑱C(jī)的一個(gè)I/O口，由于單總線為開漏，所以需要接上一個(gè)上拉電阻。溫度傳感器最好的工作方式是外部電源供電，有效的抗干擾，工作溫度，電路也較為簡(jiǎn)單。

3.2單片機(jī)AT89C51

AT89C51是一款低電壓，性能高的CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。這個(gè)器件采用了ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳是兼容的。因?yàn)榘讯喙δ?位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組到這單個(gè)芯片里，所以，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，不為是系統(tǒng)靈活性高且價(jià)格低廉的一種方案。

3.3串口電路

LabVIEW的測(cè)量系統(tǒng)一般是采用數(shù)據(jù)采集卡，但數(shù)據(jù)采集卡的價(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)比較貴，有時(shí)候在一些小的系統(tǒng)中，可以使用單片機(jī)來(lái)當(dāng)下位機(jī)，通過(guò)RS232串口和PC之間的實(shí)時(shí)通信，本系統(tǒng)通過(guò)LabVIEW提供的串口VI把采集大的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)上，然后在LabVIEW的環(huán)境下對(duì)數(shù)據(jù)分析處理和顯示。

RS-232總線是目前用得比較多的通信方式，把有這個(gè)總線接口的儀器當(dāng)作I/O接口設(shè)備，通過(guò)這個(gè)RS-232串口總線與計(jì)算機(jī)組成虛擬儀器的系統(tǒng)，這種方式主要使用在速度較低的測(cè)試系統(tǒng)中，與GPIB總線、VXI總線、PXI總線來(lái)比較，它的接口較為簡(jiǎn)單，使用起來(lái)也方便。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1軟件概述

本系統(tǒng)軟件主要是由C語(yǔ)言編程和LabVIEW編程軟件相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)試和顯示報(bào)警與處理等功能。系統(tǒng)可以分為兩個(gè)部分，C51編寫的單片機(jī)用來(lái)讀取溫度然后再通過(guò)串口傳送溫度值并且對(duì)超出范圍的溫度進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的處理，LabVIEW編程把傳送上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理再把數(shù)據(jù)較好的顯示出來(lái)。軟件流程圖如圖 2所示：

4.2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的單片機(jī)程序開發(fā)選用Keil公司的uVison系列的集成開發(fā)環(huán)境。

Keil uVison3是集成的可視化windows操作界面，擁有豐富的庫(kù)函數(shù)和編譯工具，滿足我們本次設(shè)計(jì)對(duì)于51單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)，還可以進(jìn)行匯編語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)和編譯。Keil uVison系列是一個(gè)非常棒的編譯器，受到了單片機(jī)設(shè)計(jì)者的喜愛。它有許多的特點(diǎn)，比如可以使用匯編語(yǔ)言、C51語(yǔ)言等等其他單片機(jī)設(shè)計(jì)語(yǔ)言。擁有豐富的仿真調(diào)試功能，可以仿真A/D、D/A、串口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及中斷等資源，還可以和外部仿真器聯(lián)合進(jìn)行在線調(diào)試，支持多代碼優(yōu)化，界面友好。圖 3為下位機(jī)仿真圖。

4.2.1整體編程思路

因?yàn)镈S18B20是以單總線協(xié)議工作，所以用單片機(jī)來(lái)控制DS18B20來(lái)測(cè)溫轉(zhuǎn)換需要幾個(gè)步驟，首先是要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，然后再發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣我們才可以對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)設(shè)操作。復(fù)位要求主CPU把數(shù)據(jù)線下拉500us，再釋放，DS18B20接收到信號(hào)后再等15～60us左右，發(fā)出60～240us的低脈沖，當(dāng)主CPU接收到這個(gè)信號(hào)代表復(fù)位成功。當(dāng)溫度過(guò)低或者過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)溫度來(lái)啟動(dòng)相應(yīng)的溫度處理功能，把溫度控制在正常范圍內(nèi)（仿真中用步進(jìn)電機(jī)代替）。讀溫度流程圖如圖 4所示。

4.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

4.3.1 編程思路

上位機(jī)用LabVIEW前面板來(lái)對(duì)測(cè)量到的溫度的顯示和溫度測(cè)量命令的操作，后面板來(lái)寫程序，程序采用模塊化的編程思想。

LabVIEW編程的核心是程序框圖的設(shè)計(jì)，這次設(shè)計(jì)的程序框圖我們由溫度值的顯示，讀取，溫度超限警報(bào)以及溫度處理等幾個(gè)模塊組成。其中，溫度的顯示采用了圖形化可視溫度計(jì)來(lái)顯示。當(dāng)檢測(cè)到的溫度超過(guò)設(shè)置的溫度范圍之外時(shí)，將會(huì)引起溫度上限或者溫度下限指示燈的提示并且發(fā)出警報(bào)。圖 5為前面板的總體設(shè)計(jì)。圖 6為后面板程序框圖設(shè)計(jì)。

前面板主要由溫度測(cè)量控件，溫度值顯示控件還有溫度是否超出設(shè)置值的范圍警示燈以及超出溫度范圍后系統(tǒng)自動(dòng)處理溫度高低的指示燈。還添加了一些修飾控件來(lái)規(guī)劃每一塊區(qū)域的功能區(qū)分，增加可看性。

5 溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

5.1 實(shí)驗(yàn)步驟

連接好電路，把單片機(jī)程序燒錄好，打開LabVIEW，運(yùn)行，設(shè)置好串口與波特率，點(diǎn)擊測(cè)量按鈕，開始測(cè)量溫度，改變溫度傳感器的溫度，測(cè)試效果，溫度不同時(shí)，顯示不同的溫度數(shù)值，并且在該范圍內(nèi)的指示燈要亮，當(dāng)溫度超出限制的時(shí)候，發(fā)出警報(bào)聲并且觸發(fā)對(duì)應(yīng)降溫或升溫的措施。

6 結(jié)束語(yǔ)

本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的運(yùn)用了單片機(jī)和LabVIEW搭配的方式來(lái)檢測(cè)溫度，簡(jiǎn)單的分析了傳統(tǒng)溫度測(cè)量和采用數(shù)字傳感器的不同，通過(guò)易看的圖形化框圖編寫接口程序來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，整個(gè)系統(tǒng)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)只是設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)溫系統(tǒng)，還有許多的更深層次的功能等待進(jìn)一步的開發(fā)，這個(gè)設(shè)計(jì)目前能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)、顯示報(bào)警和溫度范圍內(nèi)控制的功能，功能擴(kuò)展還可以從多個(gè)點(diǎn)的溫度檢測(cè)，或者對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，增加相應(yīng)的配置來(lái)不斷的使這個(gè)系統(tǒng)趨于完整。

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