基于LabVIEW的多點溫度采集實驗開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

摘要：文中運用LabVIEW靈活的圖形化可視化編程技術(shù)，將單片機(jī)課程與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了基于LabVIEW的多點溫度采集處理演示及實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)以DS18B20為溫度傳感器，利用單片機(jī)為核心控制器設(shè)計了多點溫度數(shù)據(jù)采集下位機(jī)系統(tǒng);利用LabVIEW設(shè)計出具有良好界面的多點溫度數(shù)據(jù)采集上位機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理與分析、超限報警以及數(shù)據(jù)回放等功能。該系統(tǒng)交互性較好，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識。

在對多類型、多通道信號同時進(jìn)行檢測和控制中，傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)能力有限。如何將計算機(jī)與各種設(shè)施、設(shè)備結(jié)合。簡化人工操作并實現(xiàn)自動控制，滿足社會的需求，成為一個很迫切的問題。溫度檢測是現(xiàn)代檢測技術(shù)的重要組成部分，在保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源和安全生產(chǎn)等方面起著關(guān)鍵的作用。

PC機(jī)具有強(qiáng)大的監(jiān)控和管理功能，而單片機(jī)則具有快速及靈活的控制特點，通過PC機(jī)的RS-232串行接口與外部設(shè)備進(jìn)行通信，是許多測控系統(tǒng)中常用的一種通信解決方案。LabVIEW是一個劃時代的圖形化編程系統(tǒng)，應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與控制、信號分析等方面，它為不熟悉文本語言編程的專業(yè)科技工作者在測控領(lǐng)域建立計算機(jī)儀器系統(tǒng)一虛擬儀器，提供了一個便捷、輕松的圖形化設(shè)計環(huán)境。文中主要是利用單片機(jī)、DS18B20以及LabVIEW軟件設(shè)計實現(xiàn)了多通道溫度采集實驗開發(fā)控制系統(tǒng);該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的交互性、實時性和可視性，他能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識，提高教學(xué)質(zhì)量。

1 多點溫度采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)作為溫度數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)闹骺匦酒?，溫度傳感器用單總線的DS18B20采集現(xiàn)場各點溫度數(shù)據(jù)，采集得到的數(shù)據(jù)利用單片機(jī)經(jīng)串口傳給計算機(jī)。上位機(jī)采用數(shù)據(jù)處理能力超強(qiáng)的LabVIEW軟件編程，編程實現(xiàn)對讀取到的串口數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示、存儲、回放等功能。

多點溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由上位機(jī)部分和下位機(jī)兩部分組成。下位機(jī)部分由AT89S51單片機(jī)、DS18B20溫度傳感器、電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232、電源電路、復(fù)位電路及晶振電路組成。當(dāng)PC機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令時，T89S51單片機(jī)啟動DS18B20溫度傳感器對外界溫度進(jìn)行采集，將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳給AT89S51單片機(jī)，單片機(jī)再將接收到的溫度數(shù)據(jù)通過串口傳送給PC機(jī)。下位機(jī)采用LabVIEW軟件對接收到的串口數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、顯示、保存、回放以及報警等相關(guān)操作。系統(tǒng)總體設(shè)計框如圖1所示。

2 系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計

2.1 多點溫度數(shù)據(jù)采集下位機(jī)設(shè)計

下位機(jī)由單片機(jī)系統(tǒng)、溫度傳感器、電平轉(zhuǎn)換電路、電源電路、RS-232串口、時鐘和復(fù)位電路組成。當(dāng)單片機(jī)接收到由PC發(fā)送來的啟動采集命令后，單片機(jī)發(fā)出控制信號，啟動DS18B20溫度傳感器對外界制定的通道溫度進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，單片機(jī)再將接收到的溫度數(shù)據(jù)通過串口傳送給PC機(jī)。

2.2 溫度采集系統(tǒng)電路設(shè)計

先設(shè)計出單片機(jī)最小系統(tǒng);然后利用DS18B20數(shù)字溫度傳感器來設(shè)計溫度采集系統(tǒng)。該傳感器具有耐磨耐碰，體積小，使用方便的特點，適用于各種狹小空間數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。本系統(tǒng)是將8個傳感器的DQ引腳分別通過一個上拉電阻接到了單片機(jī)的P2口上，VCC引腳與+5 V電源相連接，GND引腳接地。連接如圖2所示。

2.3 電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

該系統(tǒng)用RS-232總線進(jìn)行串行通信，所以需電平轉(zhuǎn)換電路。在發(fā)送端需要用驅(qū)動電路將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-232電平，在接收端需要用接收電路將RS-232電平轉(zhuǎn)換為TTL電平。本系統(tǒng)使用MAX232芯片，該芯片使用單一+5 V電源供電，實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。PC機(jī)與單片機(jī)之間連接如圖3所示。

3 系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計

在設(shè)計完溫度采集硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再配上相應(yīng)的軟件，才能構(gòu)成一個完整的多點溫度數(shù)據(jù)采集試驗系統(tǒng)。在本系統(tǒng)的設(shè)計過程中，總體設(shè)計采用自上至下的設(shè)計思想將主程序設(shè)計好，而在各個部分展開成從屬程序或子程序時，是將各個小模塊分別進(jìn)行設(shè)計和編程，同時在編程的過程中又用到了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的思想。系統(tǒng)程序包括上位機(jī)程序和下位機(jī)程序，下位機(jī)程序完成對溫度數(shù)據(jù)的采集，上位機(jī)程序則對采集來的數(shù)據(jù)做后續(xù)的相關(guān)處理。

3.1 上位機(jī)程序設(shè)計

系統(tǒng)上位機(jī)采用Labview軟件設(shè)計實現(xiàn)如圖4所示：該上位機(jī)系統(tǒng)主要包括調(diào)用溫度數(shù)據(jù)采集、讀取數(shù)據(jù)、調(diào)用溫度數(shù)據(jù)處理子程序、顯示、保存、調(diào)用溫度數(shù)據(jù)回放以及報警等功能。在上位機(jī)主程序開始運行之后，用戶選擇數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)回放。若選取了數(shù)據(jù)回放，就執(zhí)行回放歷史數(shù)據(jù)命令;若選取了數(shù)據(jù)采集，就采集對應(yīng)通道的數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理、保存、顯示溫度并且判斷是否超限等。上位機(jī)程序流程圖如圖5所示。

3.2 下位機(jī)程序設(shè)計

下位機(jī)主程序包括單片機(jī)系統(tǒng)初始化、等待采集命令、調(diào)用溫度數(shù)據(jù)讀取子程序、調(diào)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序、發(fā)送數(shù)據(jù)等程序。單片機(jī)上電后，系統(tǒng)開始初始化、等待采集命令;當(dāng)接收到采集某一通道命令后，就調(diào)用讀取對應(yīng)通道的DS18B20的子程序，再調(diào)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理子程序，把數(shù)據(jù)通過串口回傳給PC機(jī)，然后等待下一采集命令。下位機(jī)程序流圖如圖6所示。

3.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

該系統(tǒng)設(shè)計完成后，經(jīng)過反復(fù)運行調(diào)試，排除了軟件和硬件的設(shè)計故障;系統(tǒng)采集第一路溫度信號，傳給上位機(jī)顯示如圖5所示，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：選擇采集線路、實時顯示采集線路的溫度數(shù)值、通過圖形化的窗口顯示溫度變化過程、顯示采集時間日期、報警限設(shè)置、超限報警以及采集方式選擇等功能，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計目的。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)既充分利用了LabVIEW的強(qiáng)大功能，又發(fā)揮了單片機(jī)快速及靈活的特點，降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本、提高了開發(fā)效率。該系統(tǒng)通過長時間的運行試驗，驗證了該系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性以及一定的實用性。該系統(tǒng)界面友好、操作簡單、交互性好，便于學(xué)生掌握單片機(jī)課程以及虛擬儀器課程設(shè)計實現(xiàn)過程，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。