基于USB的LabvieW温度监测系统设计

刘玉玲

摘要：以Labview、单片机和DSl8820为核心，设计了一款温度监测系统。该系统通过DSl8820温度传感器采集温度信号，经单片机的串口转USB，再由USB接口将信号发送Labview，可以实现温度的实时采集、处理、显示及报警，同时在Lab-view中可设置温度的上下限，查看温度曲线以及调出历史数据等功能。该系统的下位机采用的是单片机最小系统，外加温度传感器，串口转USB模块，上位机采用的是NI公司的一款图形化编程软件Labview，整体简单易行，却很好地实现了温度的监测功能。设计中，可更换传感器实现不同参数的监测，如湿度监测、粉尘监测、烟雾监测等，使得该系统可以应用到各种不同的场合。

关键词：Labview;单片机;USB

中图分类号：TP391 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）13-0007-04

在很多场合，温度的变化对生产或生活都会产生极大的影响，比如智能温室大棚、多个机台设备的生产车间、名贵鱼的鱼缸等，温度恒定是保证产品质量的重要前提，因此温度数据的采集和监测意义重大。

本监测系统可以对监测场所的温度数据实时采集，绘制温度曲线，当温度高于上限或低于下限均可实现报警，并可以查看相关的历史数据。整个系统成本较低，非常适合学生在实验室中设计开发。

1系统的硬件部分

系统的硬件由温度传感器DS18820、51单片机AT89S51、USB转接芯片CH340组成，其硬件框图如图1所示。数字温度传感器可将温度值直接转换成数字量发送至单片机，单片机对该温度信号进行处理后，通过串口转USB的转接芯片将数据送至计算机，计算机的Labview软件处理后以人机界面的窗口形式，直观地展示数据曲线。

1.1温度传感器DSl8820

DSl8820是一款常用的温度传感器，它的优势是低功耗、抗干扰能力强的单总线数字温度传感器，该传感器在使用过程中无需外加AD。从DS18820到主控芯片仅连接一条线，硬件电路简单，而且每个DS18820有唯一的系列号，因此多个可以存在于同一条单线总线上，有利于系统后续拓展成多路的温度监测。

DS18820提供9位温度读数，测量范围是-55°C至125°C，增量值位0.5℃。

1.2单片机AT89S51

系统的主控芯片选用了AT89S51，此单片机功能简单、价格低廉，单片机有4K的片内程序存储器，可以外扩至64K，128B片内数据存储器，64K片外数据存储器，AT89S51支持在线编程下载，极大地方便了调试。

1.3串口转USB接口模块

由于目前大部分笔记本电脑未配置串口，故需要将串口信号转换成更为通用的USB接口信号，选用的芯片是CH340。CH340是USB总线转接芯片，可以实现USB转串口、IrDA红外或打印口。芯片内置了USB上拉电阻、复位电路，内置了独立的收发缓冲区，支持单工、半双工或者全双工异步串行通讯。

2系统的软件部分

2.1下位机软件

系统软件的编写是在Keil uVision4的集成开发环境下，用C语言编写的，整个软件实现了硬件初始化、温度采集、数据转换、上下位机通信4个模块。系统的主程序流程图如图2所示。

2.2上位机软件

上位机使用虚拟仪器完成温度数据的读取、转换和处理，温度上下限的设置，实时曲线图的绘制，历史曲线的查看。Labview虚拟仪器程序由前面板和程序框图构成，前面板是人机交互界面，用来输入输出，程序框图是用户以框图的形式编制的代码。

1）上位机的前面板

系统上位机前面板如图3所示，包括三个数据输入控件，用来输入VISA资源端口名称以及上下限温度;两个布尔量的圆形指示灯，当温度超过上下限时，相应指示灯点亮;一个温度值显示的仪表控件，可以更加直观读取当前温度值;三个数值显示控件，分别显示接收数据的字符型、数值型和接收数据的长度;两个布尔量的开关按钮，一个控制采集数据的启停，一个退出整个监测界面;一个波形图表的图形显示控件，显示當前采集温度的实时曲线。

2）串口通信模块

上位机框图中所采用的串口是NI_VISA串口Serial函数来访问和控制串口的，VISA（Virtual Instrument Software Architec-ture，简称为“Visa”）为虚拟仪器软件结构。函数的打开如图4所示，程序框图面板a仪器I/Oa串口。串口函数常用的四个子函数分别为：VISA配置串口、VISA写入、VISA读取、VISA关闭。VISA配置串口是完成串口参数的初始化设置，包括串口资源的名称、波特率、数据比特、奇偶校验、停止位等，停止位的典型值是1、1.5、2位，但在初始化时停止位的输人应配置成10、15、20。

VISA读取子函数是每次从串口读取一定字节数的数据，VISA关闭子函数是当程序停止前，把使用的串口设备关闭，若不关闭，该串口就一直被占用。

在设计串口时，应最先安装VISA驱动，该驱动并不在软件安装程序中，若不安装，前面板运行时，串口资源名称无法从下拉框获取，程序无法运行。安装成功后，下拉框就可以看到相应的COM口。

3）数据采集处理模块

该模块将单片机的数据进行采集和处理，以便实时显示。VISA读取子函数中左边输入有个VISA的字节总数，如图5所示，因此在读取前必须指定这个个数。VISA读取函数的“读取字节数”的输入端口设置十分必要，在串口通信中，如果当前缓冲区的数据量小于指定的字节数，程序会一直停在VISA读取上，在超时的时间（默认是10秒）内无法满足数据量时，程序会“Time out”如果超时时间设置过长，有可能导致程序停止在VISA读取这个节点上。

使用“Bytes at Port”串口的属性节点，可以很好地解决以上问题。在仪器I/O子面板下，如图6所示，程序框图面板a仪器I/O&VISA&高级VISA&VISA属性节点5Serial Setting&Number ofBytes atSerialPort。

也可以在资源线上右键a创建aInstr类的属性aSerial Set-tings&Number ofBytes atSerialPort，如图7所示。

此属性节点可以很好地把当前缓冲区字节数匹配到vI—sA读取的“读取字节数”这个输入端上，缓冲数即为读取字节数，无任何等待。

目前串口的收发大致有两种类型：一种是主动型的，即上下位机相互通信，上位机发指令，下位机响应，并返回数据给上位机;另一种是被动型，即下位机一直往上位机发送数。本系统采用的是被动接收，定时器设置每ls接收一次数据。

单片机发送的温度值为6字节，首字节表示正负，后五个字节表示最大三位数，精度小数点后一位的温度值，如+103.5。为了保证接收的数据帧不错乱、不丢包，当且仅当接收数据为6个字节的数据包，系统才会保存和显示。

4）显示、报警和存储模块

实时显示包括数值显示、曲线显示。为了使曲线的横坐标与系统时间相同，需要修改波形图表的横坐标属性。程序框图如图8所示，获取系统的时间标识，按名称解除捆绑，分别得到时、分、秒，计算（（60*时）+分）*60+秒，得到曲线横坐标的off-set，XScale.Offset最后链接至波形图表。运行程序，波形图的坐标轴显示如图9所示。

从VISA读取子函数接收到的是字符型数据，为了直观显示和画图，将其用十进制数字符至数值转换，转换成十进制数值，此数据在前面板有三种显示方式：数值控件显示、仪表盘显示、曲线显示。前面板设定温度的上下限，比较器比较后输出至上下限指示灯。程序框圖如图10所示。

系统还可以查询历史温度数据，点击图形控件，右键导出数据至Excel，可查看历史记录。图11是记录的是10：51-10：52的后半分钟内的温度值。与此对应的前面板监测界面图，如图3所示。系统可保留一天的数据。更改坐标轴的offset，可以保留不同时间的数据。总体的上位机软件程序框图如图12所示。

3总结

该课题简单易行，成本较低，适合学生在实验室中设计开发。课题本身灵活性高，可进行相关拓展，如需检测湿度、烟雾等信号，只需要将温度传感器对应的更换为湿度传感器或烟雾传感器;若通信距离较远或者想摆脱线缆的束缚，可将通信方式由串口的有线传输改为无线通信，例如采用zigbee模块CC2430或无线收发模块NRF24L01。