基于LabView多点温度监测系统的设计

2017-01-10刘文科谢乐聪刘家凯许海林

中国设备工程 2016年16期

关键词：虚拟仪器温度传感器上位

刘文科，谢乐聪，刘家凯，许海林

（佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江佳木斯 154007）

基于LabView多点温度监测系统的设计

刘文科，谢乐聪，刘家凯，许海林

（佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江佳木斯 154007）

虚拟仪器其优势在于可实现传统仪器的基本功能，可根据用户的实际需求改变仪器定义，完美地展现了虚拟仪器的实用性和灵活性，实现多种多样的应用需求。本设计是以LabView作为开发平台设计的虚拟仪器作为上位机，单片机作为下位机联合组成的系统。上位机是通过USB通信模块接收来自下位机采集的多点温度数据，下位机是通过STC89C52单片机作为主控芯片，利用数字温度传感器采集温度数据、无线传输实现远距离数据传输，最终达到多点温度数据采集并传输给上位机。经过安装调试，实现了各种基本功能。

LabView；无线传输；温度传感器；单片机

1 引言

1.1 课题的来源及研究目的和意义

课题来源于虚拟仪器的迅速发展以及相关技术在农业工业等各种领域的成熟。研究目的及意义：温度与生产及生活密切相关，环境温度的测量有着很广泛而重要的意义。作为仪器技术和计算机技术完美结合的虚拟仪器技术提供了一个很好的解决方案来应对这个难题。使用虚拟仪器技术，只要将需要测量的信号通过I/O接口设备采集后送入计算机，再通过虚拟仪器开发工具和利用计算机强大的数据分析、处理功能以及显示器的强大显示能力，可满足特殊测试的要求。同时随着无线设备的兴起，采用无线传输的方式对数据进行发送、接收，减少不必要的线路设备开支。

1.2 国内外的研究现状

虚拟仪器目前在国外发展很快，美国国家仪器公司(NI公司)等一些元器件厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术设计的商品化仪器产品。

1.3 本课题的主要内容

本设计上位机以LabView为基础实现环境温度的控制与显示功能，由STC89C52单片机作为下位机主控制芯片，温度传感器DS18B20、无线数据传输模块nRF24L01构成温度采集、传输系统，AMS1117芯片构成3.3V电平转换电路。

2 系统的方案选择及硬件设计

目前温度监测在工业、农业和生活中都有广泛的应用，采用虚拟仪器的方式进行数据监测控制具有很大优势。因为数据采集的方式很多，如何选择数据采集芯片在设计中是非常重要的，好的选择可以让开发难度降低，开发时间减短，降低开发成本，使产品更快地推向市场。同样主控芯片和接口芯片在整个系统的构建中也有重要的意义。

2.1 系统总体方案设计及选择

（1）上位机软件选择。考虑到LabView在工程上的应用广泛、开发周期短、易学习、数据采集方面出色、仅通过程序流程图的理解就可利用图形来开发程序，并且在调试修改方面简洁。综合考虑决定LabView进行上位机软件的开发。

（2）上位机与下位机的通讯方式的选择。综合上述条件，本设计上位机决定选用LabView为编程语言设计上位机软件，下位机决定选用STC89C52作为主从机主控芯片，主从机之间采用无线数据传输模块通信，主机用串口通信的方式进行上下位机通信。主机部分包括：主控制芯片、温度传感器、无线数据传输模块、接口电路、电源模块。从机部分包括：主控制芯片、温度传感器、无线数据传输模块、电源模块。

2.2 系统硬件分析及选择

（1）主控制器选择。中和多方因数，考虑到本次设计的成本、安全性、便捷性，因此采用STC89C52芯片作为本设计中的主控芯片。

（2）温度传感器选择。数字温度传感器DS18B20采用“一线总线”接口。将温度转化为串行数字信号直接供处理器处理，具有功耗低、性能高、抗干扰能力强的特点。

（3）3.3V电压转换芯片选择。AMS1117是一款三端线性稳压电路。本系统中nRF24L01无线收发模块需要的电压为1.9～3.6V，因此采用固定版本型号3.3V输出的AMS1117作为电压转换芯片。

2.3 系统硬件电路设计

（1）温度数据采集总电路设计。为了达到体积小、功耗低、方便、成本低等特点，温度数据采集电路主要由单片机STC89C52、数字温度传感器DS18B20、电平转换芯片AMS1117、无线收发模块nRF24L01构成。

（2）单片机最小系统电路设计。该系统由晶振11.0592M、无极性电容30pf、极性电容10uF、电阻10K构成，晶振产生单片机工作的时钟频率。

3 系统软件设计

通过软件的设计可以使硬件在此程序的控制下按命令执行，从而通过调试达到设计要求。

3.1 DS18B20温度采集部分软件设计

根据要求，需要对温度采集模块编程测出所需要的数据。因此必须通过对DS18B20芯片的数据手册的分析才可以了解到DS18B20芯片具体使用方法，下面就根据数据手册的内容对DS18B20芯片进行编程。

3.2 nRF24L01收发部分软件设计

nRF24L01收发部分软件设计参照系统规程不变。

3.3 LabView上位机软件设计

（1）上位机程序流程图。上位机的工作流程是先由登陆模块进行登陆操作，判断是否有操作权限。登陆成功后由串口通信模块接收来自下位机的数据，经过数据处理模块的处理后分别将信号送给显示模块、温度报警模块、数据储存模块完成相应的数据显示功能、温度报警功能、历史数据记录储存功能。

（2）串口通信模块程序设计。串口通信模块主要是通过LabView的VISA来实现的。VISA（虚拟仪器软件结构体系）是在所有LabView工作平台上控制VXI、GPID、RS-232以及其他种类仪器的单接口程序库。VISA提供了简单易用的控制函数集，具有简单的应用形式。

4 安装与调试

在系统硬件电路设计和软件程序设计后，需要进行安装和调试工作。安装过程包括硬件电路的安装和软件驱动的安装。其中，软件驱动的安装包括PL2303USB转TTL接口部分驱动软件的安装和VISA驱动的安装。

4.1 安装过程

（1）PL2303USB转TTL接口部分驱动软件的安装。（2）VISA驱动的安装。（3）硬件电路的安装。

4.2 调试过程

调试过程主要分为下位机调试、上位机调试和系统联调。参照电路原理图，找齐元器件，分别检测各元器件是否正常，有无损坏，确认无误之后焊接到电路板上。焊好后先用万用表测试有无短路现象，保证电路能够正常工作。确认数据无误之后进行上位机调试，打开LabView软件，设置好相应串口参数，点击连续运行按钮观察得到的数据。改变当前温度，进行系统联调。可用手指捏住DS18B20温度传感器，改变传感器周围的温度，观察得到的数据变化，至此设计完成系统正常运行。

图1所示是调试好的上位机正常工作的界面，从图1中看出，系统可以正常工作显示当前温度数值，并将显示的温度信息记录在表格控件中形成历史记录。