王玉香，張喜紅，馮 振

（亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能工程系，安徽 亳州 236800）

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)涉及生產(chǎn)過程的控制技術(shù)和儀器儀表等[1,2]。鑒于條件限制，傳統(tǒng)教學(xué)主要以理論講述為主，晦澀的理論和抽象的知識(shí)對(duì)基礎(chǔ)本就薄弱、學(xué)習(xí)興趣本就不濃厚的高職學(xué)生來說，是極大的挑戰(zhàn)，教學(xué)效果不理想。為此，人們將MATLAB和虛擬儀器LabView應(yīng)用于系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)[3]，借助這種生動(dòng)形象的方式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)效果。LabView是虛擬儀器軟件，用圖形化方式構(gòu)建系統(tǒng)，功能強(qiáng)大。它融合了儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，搭建系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)者只需要選擇需要的控件和函數(shù)模塊，將它們放在前面板和程序框圖中，再進(jìn)行連接，便完成了系統(tǒng)的構(gòu)建和設(shè)計(jì)，編程實(shí)現(xiàn)過程簡單易學(xué)。編程環(huán)境開放，軟件提供的控件和函數(shù)也很豐富，設(shè)計(jì)者可根據(jù)需要對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)開發(fā)成本低、性能好、功能豐富、工作流程直觀、操作界面靈活簡便，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)果簡潔、直觀[4-8]。將 LabView引入《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程教學(xué)中，將工程實(shí)例融入教學(xué)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)與能力的綜合培養(yǎng)。

本文以LabView構(gòu)建操作界面，單片機(jī)系統(tǒng)作為下位機(jī)，設(shè)計(jì)溫度測(cè)控系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)控制的綜合教學(xué)案例。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成，上位機(jī)是計(jì)算機(jī)，安裝了 LabView8.6軟件和 NI-VISA17.0驅(qū)動(dòng)。下位機(jī)是以 STC89C51RC為控制核心的單片機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)和下位機(jī)間通過串行通信的方式實(shí)現(xiàn)信息的交互，系統(tǒng)總體組成如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

實(shí)時(shí)的溫度信息由下位機(jī)的 DS18B20完成采集，并將其傳輸給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)再將溫度信息以字符串形式，通過串口傳輸給計(jì)算機(jī)，上位機(jī)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)利用LabView構(gòu)建操作和顯示的界面，界面上包括溫度的數(shù)字顯示部分、LED報(bào)警燈部分、溫度的上下限值設(shè)置部分等。通過溫度的上下限設(shè)置部分設(shè)定溫度的最高、最低限值。根據(jù)設(shè)定的限值和接收到的實(shí)時(shí)溫度信息，控制報(bào)警顯示狀態(tài)。為便于形象的觀測(cè)，溫度顯示采用波形和數(shù)字同步顯示。上位機(jī)可以通過串口將設(shè)置的溫度上下限值傳輸給單片機(jī)。單片機(jī)系統(tǒng)可以通過字符液晶 1602實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前溫度的實(shí)時(shí)顯示，并通過比較當(dāng)前的溫度和接收的計(jì)算機(jī)發(fā)送過來的溫度上下限值，實(shí)現(xiàn)LED報(bào)警顯示。實(shí)驗(yàn)過程中，通過比較計(jì)算機(jī)操作界面和單片機(jī)系統(tǒng)的溫度及報(bào)警顯示狀態(tài)對(duì)溫度測(cè)控系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 下位機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)是以 STC89C51RC為控制核心的單片機(jī)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度顯示和報(bào)警顯示。溫度采集、報(bào)警顯示和溫度顯示仿真原理圖如圖2所示。

采集溫度的傳感器采用高精度、高可靠、小體積、低成本集成型DS18B20[4]，并通過單片機(jī)的 P2.4腳將采集到的實(shí)時(shí)溫度信息傳輸給STC89C51RC，溫度顯示部分選用字符液晶1602，數(shù)據(jù)通道D0～D7接單片機(jī)的P1口，三條控制引腳E、RS、RW分別接單片機(jī)的P3.4、P3.5、P3.6引腳。報(bào)警顯示部分采用最簡單的LED報(bào)警指示燈，其中D1用于低于溫度下限的報(bào)警，接P2.0，D2用于高于溫度上限的報(bào)警，接P2.1。調(diào)試時(shí)先將溫度上下限通過軟件的方式設(shè)置，如可將圖2中溫度上限設(shè)為35 ℃，溫度下限設(shè)為20 ℃，聯(lián)調(diào)時(shí)再將此部分程序屏蔽。通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序，單片機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的溫度采集和報(bào)警功能，可借此對(duì)學(xué)生的單片機(jī)應(yīng)用能力進(jìn)行鍛煉。

圖2 下位機(jī)單片機(jī)系統(tǒng)仿真原理圖

單片機(jī)TTL電平是正邏輯，計(jì)算機(jī)是RS-232接口采用負(fù)邏輯，所以不能進(jìn)行直接通信，這里選用MAX232實(shí)現(xiàn)電平的雙向轉(zhuǎn)換[9-10]，具體電路如圖3。

圖3 上位機(jī)與下位機(jī)的串口電路

2.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)要處理 DS18B20采集到的溫度信息，向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)，在字符液晶 1602上顯示數(shù)據(jù)，比較當(dāng)前溫度和通過串口接收的上位機(jī)設(shè)置的溫度上下限，輸出比較結(jié)果，控制報(bào)警指示燈D1、D2工作。主程序流程圖如圖4。

圖4 下位機(jī)單片機(jī)系統(tǒng)主程序流程圖

下位機(jī)單片機(jī)程序主要包括串行通信的參數(shù)設(shè)置，DS18B20的溫度讀取和輸出到LCD1602顯示，串口發(fā)送溫度和溫度上下限的串口接收。串口相應(yīng)參數(shù)設(shè)置為：串行通信速率4 800 bps，8位數(shù)據(jù)位，奇偶檢驗(yàn)位 0，1個(gè)停止位。T0采用工作方式1，T1采用工作方式2，T0定時(shí)200 ms，T0中斷，選用 COM1口[4]。單片機(jī)對(duì)溫度上下限值的接收采用中斷的方式。單片機(jī)將溫度發(fā)送給計(jì)算機(jī)時(shí)采用定時(shí)的方式。

3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)安裝的是LabView8.6，采用圖形化語言的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，具有數(shù)據(jù)采集、分析、輸入輸出控制等豐富而強(qiáng)大的功能，每一個(gè)LabView都由兩個(gè)部分構(gòu)成，即程序框圖和前面板，都通過模塊搭建的方式完成控制過程的設(shè)計(jì)。程序框圖是用函數(shù)，屬于底層控制過程，前面板是控件，是人機(jī)交互的界面，簡單明了。在與下位機(jī)單片機(jī)系統(tǒng)串行通信時(shí)，LabView利用自帶的 VISA控件[9-11]，從串口提取溫度信息，并通過格式轉(zhuǎn)化，將其顯示在前面板。同時(shí)通過VISA控件將上下限溫度值傳輸至串口，進(jìn)一步傳送給單片機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)所使用的VISA包括：VISA串口配置、VISA寫、讀、關(guān)等函數(shù)[4,11]。

3.1 前面板設(shè)計(jì)

圖5 PC機(jī)前面板設(shè)計(jì)

前面板設(shè)計(jì)如圖5，包括實(shí)時(shí)溫度的數(shù)字顯示、實(shí)時(shí)溫度的曲線顯示、高低溫報(bào)警指示燈、串口通信時(shí)所用串口資源的選擇部分、溫度的上下限值可設(shè)置部分等。溫度曲線顯示部分將溫度實(shí)時(shí)的繪制成曲線，形象直觀的看出溫度的變化情況。當(dāng)前溫度顯示部分可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)溫度。串口資源選擇部分用來選擇串行通信時(shí)所用的串口，本系統(tǒng)調(diào)試時(shí)選用COM1口。通過上下限溫度設(shè)置部分可以設(shè)置系統(tǒng)的溫度范圍限值。高低溫報(bào)警部分由兩個(gè)指示燈組成，分別用于高于上限和低于下限的報(bào)警。實(shí)施時(shí)，根據(jù)學(xué)生的掌握情況，可增加系統(tǒng)的功能如實(shí)現(xiàn)溫度華氏和攝氏的轉(zhuǎn)換，對(duì)溫度值的統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)報(bào)警次數(shù)的統(tǒng)計(jì)等。

3.2 程序框圖設(shè)計(jì)

程序框圖流程設(shè)計(jì)如圖6(a)。程序框圖主要包含上下限溫度的發(fā)送部分，溫度信息的接收和顯示部分，溫度的超限報(bào)警部分等，其中溫度超限報(bào)警部分程序框圖如圖6(b)。

開機(jī)時(shí)，事件結(jié)構(gòu)的條件為真即執(zhí)行。發(fā)送和接收的溫度數(shù)據(jù)均是字符串型的數(shù)據(jù)，所以在上下限溫度發(fā)送部分，需先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串，在溫度信息的顯示部分要通過波形顯示，必須先將字符串轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)。顯示控件可以直接顯示字符串?dāng)?shù)據(jù)，故可直接相連。所以，程序設(shè)計(jì)時(shí)還涉及到字符串轉(zhuǎn)為數(shù)組、數(shù)組索引及一些運(yùn)算函數(shù)。

圖6 (a) 上位機(jī)LabView程序框圖流程設(shè)計(jì)

圖6 (b) 溫度超限報(bào)警部分程序框圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

圖7 下位機(jī)下限報(bào)警

圖8 下位機(jī)上限報(bào)警

系統(tǒng)調(diào)試時(shí)可以先將下位機(jī)的單片機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)的LabView系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)試。單片機(jī)系統(tǒng)調(diào)試時(shí)通過軟件設(shè)置溫度上下限值，調(diào)試結(jié)果如圖7、圖8，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

上位機(jī) LabView系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，可先用LabView函數(shù)中的隨機(jī)信號(hào)模擬接收到的溫度，調(diào)試結(jié)果如圖9、圖10，可以實(shí)現(xiàn)溫度的顯示及報(bào)警功能。再將上位機(jī)和下位機(jī)通過串口線連接，進(jìn)行綜合調(diào)試。

圖9 上位機(jī)上限報(bào)警

圖10 上位機(jī)下限報(bào)警

下位機(jī)和上位機(jī)的溫度顯示數(shù)值和報(bào)警狀態(tài)相同。因?yàn)楫?dāng)前室溫15 ℃，所以對(duì)DS18B20采取包裝好的熱水加熱方式處理，熱水靠近則溫度迅速上升，熱水離開，則溫度迅速下降，調(diào)試結(jié)果如圖 11，其中圖 11(a)為下位機(jī)顯示效果，圖11(b)為上位機(jī)顯示效果。

(a) 下位機(jī)顯示效果

圖11 上位機(jī)和下位機(jī)綜合調(diào)試結(jié)果

5 教學(xué)設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)

本案例是單片機(jī)與虛擬儀器相結(jié)合的綜合案例，也可以看成是溫度監(jiān)測(cè)中的兩個(gè)獨(dú)立教學(xué)案例，一個(gè)是單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，一個(gè)是虛擬儀器實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。具體講授和實(shí)訓(xùn)時(shí)，根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)可以有針對(duì)性地加強(qiáng)和削弱部分模塊的教學(xué)。系統(tǒng)的功能可以由簡至繁，如先從下位機(jī)和上位機(jī)中LabView之間串行通信開始，只練習(xí)給定數(shù)據(jù)在兩者間的接收、發(fā)送，再到上位機(jī)LabView對(duì)溫度信息的正確接收。這個(gè)過程中一直將上位機(jī)和下位機(jī)作為一個(gè)完整的系統(tǒng)進(jìn)行綜合練習(xí)，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的全局觀。

應(yīng)用本案例實(shí)際教學(xué)時(shí)，可以添加不同傳感器實(shí)現(xiàn)不同信息的采集，結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的多點(diǎn)采集，利用LabView實(shí)現(xiàn)信息的統(tǒng)計(jì)、遠(yuǎn)程控制等功能。

[1] 孟祥軍,王金梅,李子春.結(jié)構(gòu)化學(xué)理論聯(lián)系實(shí)際教學(xué)案例的挖掘[J].唐山師范學(xué)院學(xué)報(bào),2012,34(2)：123-124.

[2] 譚興國.以工程案例開發(fā)推進(jìn)微機(jī)控制技術(shù)課程改革[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2016,14(5)：137-150.

[3] 張喜紅,王玉香.基于電阻應(yīng)變片傳感器教學(xué)的電子稱設(shè)計(jì)[J].唐山師范學(xué)院學(xué)報(bào),2017,39(5)：141-144.

[4] 魏艷平,蔡久評(píng).基于 LabView與單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].江西科技師范大學(xué)學(xué)報(bào),2014,(6)：55-61.

[5] 唐英姿.基于 LabView的計(jì)算機(jī)控制虛擬仿真系統(tǒng)研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2012,(7)：21-21.

[6] 黃凱.基于 LabView 的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[J].福建電腦,2012,28(10)：145-146+117.

[7] 馬平,梁薇,李珍.基于LABVIEW的實(shí)驗(yàn)室過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2017,25(4)：44-46.

[8] 黃澈.計(jì)算機(jī)控制虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究[D].太原：太原理工大學(xué),2014：1-4.

[9] 葉軍,郭棟.基于LabView的溫度采集控制系統(tǒng)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2016,38(3)：71-73+91.

[10] 林科業(yè).基于 LabView 的實(shí)時(shí)溫度測(cè)控實(shí)驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2016,14(5)：65-67,133.

[11] 王建勛,陳紅軍.基于單片機(jī)和 LabView 的串口控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2015,36(3)：266-269.