陶冉婷

（蕪湖新興鑄管有限責任公司，安徽蕪湖 241000）

0 引言

隨著時代的進步和發(fā)展制造業(yè)信息化的推進，單片機技術已經(jīng)普及到生活、工作、生產(chǎn)、科研等各個領域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術。單片機的溫度采集系統(tǒng)系統(tǒng)主要以AT89S51 單片機與數(shù)字溫度傳感器DS18B20，形成溫度采集電路，自動對溫度進行采集和處理，使用LCD1602 液晶顯示器搭建顯示電路實時顯示當前溫度功能，應用Protel 99 SE 進行系統(tǒng)電路原理圖的繪制；在Keil中進行匯編語言程序的編寫與調(diào)試，并在仿真軟件Proteus中進行系統(tǒng)的仿真實驗；獨立芯片選型，模擬硬件制作，進而完成整個基于LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，基于虛擬儀器工程平臺）和單片機的溫度采集系統(tǒng)設計。

1 設計的內(nèi)容及發(fā)展趨勢

1.1 設計內(nèi)容

隨著工業(yè)信息化的不斷推進，虛擬儀器發(fā)展前路不斷被拓寬。其中，LabVIEW 圖形化開發(fā)工具已經(jīng)用于生產(chǎn)、設計的各個環(huán)節(jié)，從而改善產(chǎn)品質量、提高生產(chǎn)的效率、提升設備的可開動率，為工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺提供有力支撐。

單片機最早被用在工業(yè)控制領域，隨著其技術的興起與發(fā)展，其安全、高效、穩(wěn)定、性價比高等優(yōu)點逐漸被大家所熟知。單片機體積小、集成度高、可擴展性強，有著比計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力，可嵌入性強，因此，是工業(yè)信息化推進過程中不可或缺的一部分。

溫度是一個非常重要的物理量，因為它直接影響各種物理和化學過程。因此溫度檢測的意義在人們生產(chǎn)、生活當中舉足輕重。工業(yè)生產(chǎn)當中，很多設備對環(huán)境溫度要求較高，需要對溫度進行監(jiān)測，以保證生產(chǎn)能夠順利進行。

運用電子測量、信號處理、單片機原理及應用等基礎知識，設計一個LabVIEW 和單片機的溫度采集系統(tǒng)，具有較好的人機交互界面及溫度實時顯示和報警功能。溫度測量范圍0～100 ℃；測量精度±1 ℃；至少每5 s 完成一次檢測，并在LabVIEW 中刷新顯示；報警溫度上下限可在0～100 ℃范圍內(nèi)調(diào)整。

1.2 發(fā)展趨勢

隨著計算機現(xiàn)代檢測和電子儀器等技術的高速發(fā)展，虛擬儀器成為儀器發(fā)展的主流方向，LabVIEW 作為虛擬儀器開發(fā)工具，在數(shù)據(jù)采集方面具有明顯優(yōu)勢。隨著電子技術的快速發(fā)展，測溫的方法多種多樣，應用單片機進行溫度采集系統(tǒng)結構的設計越來越簡單。目前諸多控制系統(tǒng)建立在以計算機技術為控制核心上，需要充分利用計算機實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器和智能儀器的功能。在溫度采集系統(tǒng)設計方面，利用LabVIEW 和單片機相結合做出的模塊已成主流的方式，其中有的用DAQ（Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集）卡進行數(shù)據(jù)傳輸，有的則用RS232，前者傳輸速度很快但成本高，而后者既能滿足在傳輸方面的需求也能滿足對性價比的要求。在將來的溫度采集的發(fā)展中，智能化是一個不可阻擋的趨勢，也就是實現(xiàn)軟件即儀器。

對溫度數(shù)據(jù)的采集及監(jiān)測的需求涉及各個方便，無論是工廠機器的運行還是醫(yī)院內(nèi)部整個溫度的采集、大棚溫室溫度的監(jiān)測還是室外溫度采集等方面，其應用范圍廣、價值大，在基于LabVIEW 和單片機的溫度采集系統(tǒng)設計里可以增加多點采集，即同時采集檢測多個地點的溫度，可以對這些采集來的溫度做比對研究。

2 總體方案

2.1 方案

溫度采集系統(tǒng)由上機位和下機位構成的主從式控制系統(tǒng)，單片機STC89C54 和數(shù)字溫傳感器DS18B20 搭建實時溫度采集電路作為下位機，上機位為安裝有LabVIEW 應用軟件的PC機；下位機采集溫度數(shù)據(jù)由串口通信總線傳輸至PC 機，PC 機應用LabVIEW 實時進行數(shù)據(jù)顯示、處理、分析和存儲操作。設計采用AT89S54 單片機和溫度傳感器DS18B20 進行溫度的采集，結合串口通信技術和虛擬儀器技術，基于LabVIEW 和單片機的溫度采集系統(tǒng)實現(xiàn)對溫度的實時采集、顯示分析處理以及存儲警報等功能。較傳統(tǒng)基于單片機的溫度采集系統(tǒng)，系統(tǒng)實現(xiàn)與計算機的高度融合，降低硬件制作的復雜度，靈敏性和靈活度均有很大提高，且減少單片機顯示按鍵等外圍電路，有利于單片機嵌入到其他系統(tǒng)。

2.2 方案總體框圖

結合整體的設計思路，圍繞設計內(nèi)容劃出系統(tǒng)框圖（圖1）。由此可以得到總體設計方案：①核心處理器：以單片機AT89S51的最小系統(tǒng)作為控制核心；②溫度采集電路：采用溫度傳感器DS18B20 直接進行溫度數(shù)字值的采集輸出；③溫度顯示電路：采用LCD1602 數(shù)碼管作為顯示設備；④警報功能：在PC 上用LabVIEW 完成的界面設置溫度上下限，并實現(xiàn)警報功能。

圖1 系統(tǒng)框圖

下位機主要硬件部分包括單片機、溫度傳感器、顯示單元。單片機負責主系統(tǒng)處理以及串口發(fā)送等；溫度傳感器只需要將采集到的溫度數(shù)值傳輸給單片機；顯示單元通過單片機接收到的溫度傳感器數(shù)值經(jīng)過一定處理實現(xiàn)。實現(xiàn)基本功能后通過單片機的串口，利用RS232 串口通信協(xié)議將數(shù)值發(fā)送到上位機的PC 里已經(jīng)搭建好的LabVIEW 界面中，顯示溫度數(shù)值并顯示實時溫度曲線，且記錄接收到的數(shù)值，在已搭建好的LabVIEW 界面中調(diào)整溫度的上下限，若檢測到的溫度超出上下限范圍，界面會響起警報（警報系統(tǒng)設置在上位機是為了減少硬件部分的設計，便捷又易于使用）。

3 硬件設計

由于設計的軟件和硬件結合性較強，分為上位機和下位機兩大部分，上位機主要由軟件LabVIEW 2011 構成人機界面，下位機主要由單片機和溫度傳感器、顯示模塊組成等硬件模塊組成。根據(jù)設計的需求，考慮到單片機方面只用到最基本的功能，因此選擇AT89S51 型號的單片機；又考慮到設計需采集0～100 ℃范圍的溫度，結合到抗干擾性、硬件開銷等方面，在設計中采用型號為DS18B20 的溫度傳感器；在顯示方面，為了能讓使用者直觀的讀取實時溫度，采用LCD1602 字符型液晶。

3.1 單片機主系統(tǒng)設計

下位機的硬件設計主要包括單片機AT89S51 模塊、溫度傳感器DS18B20 模塊和LCD1602 液晶顯示模塊。

3.1.1 AT89S51 的主要特性

AT89S51 是一個低功耗，高性能的CMOS 8 位單片機，性價比極高，片內(nèi)含4 K Bytes ISP（In-system programmable）的可反復擦寫1000 次的Flash 只讀程序存儲器，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51 指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內(nèi)集成通用8 位中央處理器和ISP Flash 存儲單元，AT89S51 在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。

根據(jù)設計值設計到單片機最基本的功能，因此，在單片機的使用中也只使用到部分引腳，包括復位引腳、晶振引腳、TXD、RXD、P0 口、P2 口等引腳。其中P0 口將接上一個4.7 K 的上拉排阻，然后接到LCD1602 中，方便LCD1602 液晶顯示模塊的顯示，而LCD1602 上的RW、RS 和E 引腳將接在單片機的P2 口上協(xié)助顯示。單片機的引腳連接見表1。

表1 單片機主要引腳的連接

3.1.2 AT89S51 的最小系統(tǒng)

單片機的最小系統(tǒng)的設計是單片機應用設計的重要環(huán)節(jié)。AT89S51 內(nèi)部有4 kB 的閃爍存儲器，芯片本身就是一個最小系統(tǒng)。在滿足系統(tǒng)的性能要求下的情況下，可優(yōu)先考慮采用此種方案。用AT89S51 構成最小應用系統(tǒng)時，只需將單片機接上時鐘電路及復位電路即可。

3.2 DS18B20 溫度傳感器

設計中選用溫度傳感器DS18B20 作為下位機采集部分，它是常用的溫度傳感器，具有體積小、性價比高、抗干擾能力強、精度高等特點，符合設計的功能需求和宗旨。

數(shù)字溫度計DS18B20 是美國DALLAS 半導體公司推出的一種改進型智能溫度傳感器，DS18B20 的通信使用單總線，只需要一個數(shù)據(jù)線（和地線）與中央微處理器通信。它用于測量溫度的范圍-55～125 ℃，當被測溫度范圍-10～85 ℃時可以精確到±0.5 ℃以上。DS18B20 也可以由外部電源進行供電，電源復位溫度值寄存器是85 ℃。

DS18B20 與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，具有線路簡單，體積小等特點，能直接讀出被測溫度，且輸出溫度數(shù)據(jù)進行校準攝氏度輸出。因此，用它來組成一個測溫系統(tǒng)，線路簡單，且一根通信線上可連接多個相同數(shù)字溫度計，十分便捷。設計中，DS18B20 工作在外部電源供電模式下，DS18B20 工作電源由VDD 引腳接入+5 V，GND 引腳接地，將DS18B20 的數(shù)據(jù)輸入/輸出端DQ 引腳與單片機AT89S51 的P2.0 端口相連，并將溫度值通過P0 端口顯示出來。在此方式下，DS18B20 工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，而且電路也比較簡單。

3.3 LCD1602 顯示電路

LCD1602 也叫1602 字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。設計初衷測量溫度范圍為0～100 ℃，且顯示精度要達到1 ℃，考慮到成本，設計中采用LCD1602 構成，用于顯示測量到的溫度值。

綜上所述設計采用電路如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)設計電路

4 軟件設計

4.1 下位機的軟件設計

4.1.1 系統(tǒng)主程序

主程序的主要功能是讀出并處理DS18B20 的測量的溫度值，并進行溫度的實時顯示和向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)，其程序流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)主程序流程

在設計中為了實現(xiàn)每秒采集一次溫度值并發(fā)送一次溫度與上位機通信，采用單片機的定時器中斷和串行中斷。向CPU 發(fā)出中斷請求的來源為中斷源。51 單片機的中斷源有兩類：外部中斷源和內(nèi)部中斷源。

設計中定時器中斷初值的計算方法如下：定時器一旦啟動，它便在原來的數(shù)值上開始加1 計數(shù)，若在程序開始時，沒有設置TH0 和TL0，它們的默認值都是0，假使時鐘頻率為12 MHz，12 個時鐘周期為一個機器周期，此機器周期為1 μs，計滿TH0 和TL0 就需要65 535 個數(shù)，再來一個脈沖計數(shù)器溢出，隨即向CPU 申請中斷。因此溢出一次共需要65 536 μs，約等于65.5 ms，如果要定時50 ms，需要先給TH0 和TL0 裝一個初值，在這個初值的基礎上計數(shù)50 000 個后，定時器溢出，此時剛好為50 ms。要計50 000 個數(shù)時，TH0和TL0 中要記入的總數(shù)為65 536-50 000=15 536，因為51 單片機為8 位單片機故TH0 中裝入的初值應為15 536/256=60，TL0 應裝入的初值應為15 536%256=176。

綜上可以得出如下結論：當使用定時器的方式1 時，設機器周期為T，定時器產(chǎn)生一次中斷的時間為t，需要計數(shù)的個數(shù)為N=t/T，裝入THX 和TLX 中的數(shù)分別為：THX=（65 536-N）/256，TLX=（65 536-N）%/256。

4.1.2 系統(tǒng)通信設計

上位機和下位機采用RS232 串行總線數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)兩者之間數(shù)據(jù)傳輸，串口通信的程序流程如圖4 所示。波特率與定時器初值相關，需將他們設定在合適的值上。計算方式如下：

圖4 串口通信流程

設計采用串行口工作方式。波特率設定為9600 bps，采用定時器1 的工作方式2，以下為初值的計算過程。

設所求的數(shù)為X，可推出定時器每計256-X 個數(shù)溢出一次，計1個數(shù)的時間為=1 us，定時器溢出一次的時間為（256-X）×1 us，T1 的溢出率為它的倒數(shù)，將已知的數(shù)帶入公式后得9600=，求得X=253，轉化為16 進制為0XFD。

4.1.3 溫度采集子程序

由于DS18B20 采用單總線協(xié)議方式，即在同一根數(shù)據(jù)線上實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸，而對AT89S51 來說，硬件上不支持單總線協(xié)議，因此，必須模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20 芯片的訪問。

因設計需求，采集數(shù)據(jù)的精度達1 ℃，故系統(tǒng)軟件設計中對DS18B20 將采取其默認分辨率，也即12 位分辨率。根據(jù)對DS18B20 的分析可知，讀取溫度子程序流程如圖5 所示。

圖5 溫度采集子程序

4.2 上位機的軟件設計

4.2.1 上位機程序

上位機系統(tǒng)應用LabVIEW 進行設計。LabVIEW 具有高性能無縫集成擴展性強及開發(fā)時間短等優(yōu)點其用于系統(tǒng)的開發(fā)測試及實現(xiàn)可減少產(chǎn)品投放市場的時間，在汽車和航天航空技等工程應用領域深受用戶的歡迎。

VISA（Virtual Instrument Software Architecture，虛擬儀器軟件結構體系）是用來與其他儀器總線進行通信的高級應用編程接口，VISA 子模板主要有基本節(jié)點指定接口事件處理高層寄存器讀寫低層寄存器讀寫等部分。LabVIEW 中所有的VISA 節(jié)點都位于程序框圖中放置這些節(jié)點的具體操作為：Functions→All Functions→Instrument I/O→VISA。上位機系統(tǒng)的程序流程如圖6 所示。

圖6 上位機程序流程

4.2.2 上位機前面板

根據(jù)設計的要求，在針對人機直接接觸界面的設計時，考慮到人性化、直觀化以及易操作性，該面板包括溫度數(shù)據(jù)接收儲存部分、溫度波形顯示部分、溫度計、溫度上下限調(diào)節(jié)部分、警報部分、參數(shù)選擇部分、實時時間顯示部分、啟動和退出部分，前面板的設計如7 圖所示。

圖7 上位機前面板

設計的前面板實現(xiàn)要求的基本功能，顯示溫度數(shù)值并記錄溫度曲線圖，上下限的選擇，并給出各種參數(shù)的選擇，串口選擇分為COM1 和COM2，波特率的值為4800、9600、12 000 等可供選擇，數(shù)據(jù)位數(shù)、校驗位數(shù)、停止位數(shù)等。此外，該前面板的設計還囊括實時時間的顯示，可以方便使用者準確掌握時間。

5 仿真

應用到的仿真軟件主要是Keil uVision4 和Proteus 以及虛擬串口和串口調(diào)試助手、LabVIEW，將這幾個軟件分別或同時運行對進行仿真。

5.1 正確連線電路圖

打開仿真軟件Proteus，按方案設計整體電路圖，并正確連線，然后把生成的.hex 文件加載到AT89S51 中啟動運行，查看運行結果。運行仿真后的結果如圖8 所示。

圖8 仿真運行后的電路

由于Proteus 應用軟件中沒有AT89S51 芯片，所以此處用AT89C51 仿真測試。通過以上的仿真測試結果可知，系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)的獲取以及顯示電路沒有任何的錯誤，基本符合要求，且具有現(xiàn)實可能性。

5.2 虛擬串口以及串口調(diào)試助手

下機位在Proteus 中仿真成功，之后下位機要將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機，所以，在仿真中需要將上下位機聯(lián)系起來。因此，現(xiàn)在要通過虛擬串口及串口調(diào)試助手讓上下位機聯(lián)系起來，使設計實現(xiàn)其已預定好的功能，通過在PC 機上建立虛擬串口（Virtual Serial Port Driver，簡稱虛擬串口）檢測下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)量，使用串口調(diào)試助手協(xié)助調(diào)試數(shù)據(jù)的由下機位到上機位的傳輸。虛擬串口是給電腦上模擬安裝一個串口，該串口可當實物串口使用，上面會顯示接收和發(fā)送的字符數(shù)量，且可以顯示哪個軟件打開哪個串口，可直觀的顯示串口打開位置。接下來打開串口調(diào)試助手，在這里串口調(diào)試助手會幫助顯示串口調(diào)試的結果，接收到或發(fā)送數(shù)據(jù)，并使其顯示出來。虛擬串口和串口調(diào)試助手的演示如圖9 所示。

圖9 虛擬串口以及串口調(diào)試助手

5.3 LabVIEW 軟件仿真

LabVIEW 軟件作為上位機，起到接收數(shù)據(jù)、儲存、顯示并報警的功能，可以直觀的檢測實時溫度并記錄數(shù)據(jù)，在仿真的過程中，LabVIEW 的仿真如圖10 所示。

圖10 上機位仿真演示

6 結論與展望

在相關領域研究的基礎之上，針對更加人性化的人機交流，介紹一種溫度系統(tǒng)采集系統(tǒng)設計，該系統(tǒng)以AT89S51 和DS18B20實現(xiàn)對溫度的采集和處理，同時使用LCD1602 液晶顯示器搭建顯示電路，顯示當前溫度。與傳統(tǒng)溫度計相比，功耗低，可以自動采集溫度，測量范圍廣，讀數(shù)方便，結構小巧，使用方便。

在電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速的今天，信息化是制造業(yè)工廠的必然趨勢，可以在設計的基礎上進行系統(tǒng)功能的改進與擴展，實現(xiàn)更多的功能，滿足更多制造業(yè)設備的需求。可拓展溫度采集功能，設定溫度采集的范圍，更好地應用系統(tǒng)的報警功能，對環(huán)境或設備溫度起到檢測、監(jiān)測的功能。此外，隨著“智慧工廠”、“5G+”、“大數(shù)據(jù)”等技術的流行，該系統(tǒng)也可廣泛應用于其中，系統(tǒng)中還可加入無線通信模塊及存儲模塊，實時獲得設備溫度數(shù)據(jù)，形成大數(shù)據(jù)，留存記錄，以便對設備問題進行分析，增強系統(tǒng)功能。