基于虛擬儀器的溫度采集系統(tǒng)

電控學(xué)院課程設(shè)計(jì)〔論文〕課程名稱：虛擬儀器題目：基于虛擬儀器的溫度采集控制院〔系〕：電氣與控制工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)姓名：***學(xué)號(hào)：***********指導(dǎo)教師：昝宏洋彭倩2023年1月4日目錄TOC\o"1-3"\h\u1.緒論11.1設(shè)計(jì)意義11.2國(guó)內(nèi)外的研究狀況及開(kāi)展趨勢(shì)11.3主要研究?jī)?nèi)容22.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)22.1整體設(shè)計(jì)22.2設(shè)計(jì)任務(wù)22.3系統(tǒng)方案選擇23.下位機(jī)設(shè)計(jì)53.1硬件設(shè)計(jì)53.2軟件設(shè)計(jì)64.上位機(jī)設(shè)計(jì)64.1前面板設(shè)計(jì)64.2后面板設(shè)計(jì)75.系統(tǒng)調(diào)試96.結(jié)論97.參考文獻(xiàn)98.附錄10程序清單10[摘要]本文主要描述了利用PC機(jī)與AT89C52單片機(jī)之間的通信程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)溫度采集和顯示。由單片機(jī)采集一個(gè)溫度信號(hào)，將采集到的溫度信號(hào)傳送給PC機(jī)并顯示，單片機(jī)程序用C語(yǔ)言編寫(xiě)，最后實(shí)現(xiàn)上位機(jī)同步顯示下位機(jī)測(cè)量的溫度值。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89c52溫度采集DS18B20傳感器LabVIEW基于虛擬儀器的溫度采集控制1.緒論1.1設(shè)計(jì)意義單片微型計(jì)算機(jī)是隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的開(kāi)展而誕生的，由于它具有體積小、功能強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于電子儀表、家用電器、軍事裝置、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，使產(chǎn)品小型化、智能化，既提高了產(chǎn)品的功能和質(zhì)量，又降低了本錢(qián)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。本文主要介紹單片機(jī)在溫度控制中的應(yīng)用。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反響過(guò)程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)。采用MCS-51單片機(jī)來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問(wèn)題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題。1.2國(guó)內(nèi)外的研究狀況及開(kāi)展趨勢(shì)傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻測(cè)溫方法以其技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn),在未來(lái)溫度測(cè)量領(lǐng)域中，依然能夠廣泛使用。隨著新材料、新工藝以及一些新技術(shù)的開(kāi)展,其應(yīng)用范圍更加拓展。在傳感器結(jié)構(gòu)改良方面，出現(xiàn)了薄膜溫度傳感器、陶瓷薄膜熱電偶,紅外測(cè)溫技術(shù)、分布式光纖測(cè)溫、光纖多點(diǎn)溫度傳感器等，可以應(yīng)用在油井溫度測(cè)量、大壩或地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、飛機(jī)蒙皮的健康監(jiān)測(cè)方面等場(chǎng)合,具有很好的應(yīng)用前景，是近幾年溫度測(cè)量技術(shù)開(kāi)展的重點(diǎn)之一。現(xiàn)代化集中管理需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、制表、打印、繪圖、報(bào)警等,同時(shí),又要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，完成各種規(guī)定操作，到達(dá)集中管理的目的。加之單片機(jī)的計(jì)算能力有限，難以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。因此在功能比擬復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，通常以PC機(jī)為上位機(jī)，單片機(jī)為下位機(jī)，由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)的采集及對(duì)裝置的控制，而由上位機(jī)完成各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理及對(duì)單片機(jī)的控制。1.3主要研究?jī)?nèi)容本次設(shè)計(jì)主要圍繞在應(yīng)用智能儀器儀表的過(guò)程中，經(jīng)常需要將儀器儀表的數(shù)據(jù)采集到上位機(jī)〔PC〕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在本課題中，主要研究基于LabVIEW的溫度采集和上位機(jī)程序設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。本課題主要涉及以下問(wèn)題：1)通過(guò)RS232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。利用RS232接口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)〔PC〕與下位機(jī)〔單片機(jī)〕之間的數(shù)據(jù)通訊。2)利用圖形方式實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。對(duì)于監(jiān)控界面數(shù)據(jù)的顯示，包括數(shù)值顯示和實(shí)時(shí)曲線顯示兩種方式。2.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)2.1整體設(shè)計(jì)利用52單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理傳輸?shù)目刂破鳎?2單片機(jī)最小系統(tǒng)中集成了MAX232，可以直接利用232接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。整體設(shè)計(jì)框圖如下列圖所示AT89C52RS-232PC機(jī)圖2.1.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖2.2設(shè)計(jì)任務(wù)下位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度的采集，數(shù)據(jù)精度為1。利用52單片機(jī)上的RS-232接口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信。上位機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收和數(shù)據(jù)曲線顯示。2.3系統(tǒng)方案選擇2.3.1通信協(xié)議RS-232是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。典型的RS-232信號(hào)在正負(fù)電平之間擺動(dòng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在+5～+15V，負(fù)電平在-5～-15V電平。當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為T(mén)TL，從開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3～+12V與-3～-12V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約15米，最高速率為20kb/s。RS-232是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)〔即只用一對(duì)收、發(fā)設(shè)備〕通訊而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為3～7kΩ。所以RS-232適合本地設(shè)備之間的通信。圖2.3.1RS-232串口通信電路2.3.2下位機(jī)總體設(shè)計(jì)下位機(jī)采用52單片機(jī)最小系統(tǒng)作為主控系統(tǒng)，DS18B20作為采集溫度數(shù)據(jù)的傳感器。DS18B20讀溫度的流程為：復(fù)位→發(fā)0CCHSKIPROM命令→發(fā)44H開(kāi)始轉(zhuǎn)換命令→延時(shí)→復(fù)位→發(fā)0CCHSKIPROM命令→發(fā)0BEH讀存儲(chǔ)器命令→連續(xù)讀出兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)〔即溫度〕→結(jié)束。DS1820需要嚴(yán)格的協(xié)議以確保數(shù)據(jù)的完整性。協(xié)議包括幾種單線信號(hào)類型：復(fù)位脈沖、存在脈沖、寫(xiě)0、寫(xiě)1、讀0和讀1。所有這些信號(hào)，除存在脈沖外，都是由總線控制器發(fā)出的。和DS1820間的任何通訊都需要以初始化序列開(kāi)始，一個(gè)復(fù)位脈沖跟著一個(gè)存在脈沖，說(shuō)明DS1820已經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)送和接收數(shù)據(jù)〔適當(dāng)?shù)腞OM命令和存儲(chǔ)器操作命令〕。DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時(shí)DS18B20的1腳接地，2腳作為信號(hào)線，3腳接電源，如圖2.3.2.所示。另一種是寄生電源供電方式。圖2.3.2DS18B20封裝圖當(dāng)DS18B20處于寫(xiě)存儲(chǔ)器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開(kāi)啟時(shí)間最大為10us。采用寄生電源供電方式時(shí)VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。2.3.3上位機(jī)總體設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件采用當(dāng)前測(cè)試測(cè)量應(yīng)用最廣泛的LabVIEW編寫(xiě)。LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，類似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，但LabVIEW與其它計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其它計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼行，而LabVIEW使用圖形化編程語(yǔ)言G語(yǔ)言編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。像C或BASIC一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)可完成任何編程任務(wù)的龐大的函數(shù)庫(kù)。LabVIEW的函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫(huà)形式顯示數(shù)據(jù)及其通過(guò)程序〔子VI〕的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的差異很大，具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器，例如示波器和波形發(fā)生器，性能強(qiáng)大，但是價(jià)格昂貴，且被廠家限定了功能，只能完成一件或幾件具體的工作，因此，用戶通常都不能夠?qū)ζ浼右詳U(kuò)展或自定義其功能?；赑C機(jī)的虛擬儀器系統(tǒng)，誕生以來(lái)就充分利用了現(xiàn)成即用的PC機(jī)所帶來(lái)的最新科技。這些科技和性能上的優(yōu)勢(shì)迅速縮短了獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器和PC機(jī)之間的距離，除了融合諸多功能強(qiáng)大的特性，這些平臺(tái)還為用戶提供了簡(jiǎn)單的聯(lián)網(wǎng)工具。此外，虛擬儀器應(yīng)用安裝在PC機(jī)上的軟件和一系列可選的插入式硬件，無(wú)需更換整套設(shè)備，即能完成新系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。3.下位機(jī)設(shè)計(jì)3.1硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)〔包括復(fù)位電路、晶振電路〕并集成RS-232作為通信接口，如圖3.1.1所示圖3.1.1硬件原理圖DS18B20的工作電路如圖3.1.2所示，采用外部供電而非總線供電的方式，由于單片機(jī)的最小系統(tǒng)中有5V電源，直接使用單片機(jī)中的5V電源對(duì)DS18B20進(jìn)行供電。圖3.1.2DS18B20電路圖3.2軟件設(shè)計(jì)溫度數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)采集、讀出并處理DS18B20測(cè)量的當(dāng)前溫度值，溫度測(cè)量每1s進(jìn)行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測(cè)量一次被測(cè)溫度，其程序流程見(jiàn)圖3.2所示。初始化初始化調(diào)用顯示子程序1S到？初次上電讀出溫度值計(jì)算處理顯示數(shù)據(jù)刷新發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換開(kāi)始命令NYNY圖3.2溫度采集流程圖4.上位機(jī)設(shè)計(jì)4.1前面板設(shè)計(jì)上位機(jī)前面板設(shè)計(jì)如圖4.1所示，前面板中有溫度采集的實(shí)時(shí)溫度曲線，有當(dāng)前溫度顯示，以十進(jìn)制進(jìn)行顯示，同時(shí)可設(shè)定溫度上下限報(bào)警值，實(shí)現(xiàn)溫度上下限報(bào)警。圖4.1前面板設(shè)計(jì)界面4.2后面板設(shè)計(jì)圖4.2.1VISA串口設(shè)置界面圖4.2.2溫度采集處理框圖設(shè)計(jì)圖4.2.3定時(shí)數(shù)據(jù)采集界面設(shè)計(jì)5.系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試調(diào)試結(jié)果如下列圖所示，系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果與預(yù)期要求相同，實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)采集，數(shù)據(jù)曲線，報(bào)警功能。同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信。圖5.1系統(tǒng)運(yùn)行圖6.結(jié)論本系統(tǒng)利用通過(guò)RS-232串口通信接口將下位機(jī)發(fā)送的兩個(gè)字節(jié)〔16位數(shù)據(jù)〕傳送到上位機(jī)，并在下位機(jī)程序設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)十六進(jìn)制向十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換；利用數(shù)字化的溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度的采集監(jiān)控；利用串口通信將采集的溫度數(shù)據(jù)傳給電腦；利用電腦LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示，既實(shí)現(xiàn)了采集監(jiān)控的功能，又可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理和分析，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。下位機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量，并通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)與上位機(jī)之間的實(shí)時(shí)通信，上位機(jī)可以實(shí)時(shí)接收下位機(jī)采集的溫度數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)繪制實(shí)時(shí)溫度曲線以及儀表數(shù)值顯示，溫度上下限報(bào)警等功能。7.參考文獻(xiàn)【1】江建軍，孫彪.LabVIEW程序設(shè)計(jì)教程.北京電子工業(yè)出版社，2023.【2】阮奇楨.我和LabVIEW.北京航空航天大學(xué)出版社，2023.【3】彭倩.虛擬儀器實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū).西安科技大學(xué)，2023.【4】柴鈺.單片機(jī)原理及應(yīng)用.西安電子科技大學(xué)出版社，2023.8.附錄程序清單/**********************************************************************本程序主要功能：通過(guò)DS18B20檢測(cè)溫度，連續(xù)發(fā)送或間隔發(fā)送；自動(dòng)控制并將溫度值以十六進(jìn)制形式〔2字節(jié)〕通過(guò)串口發(fā)送給數(shù)據(jù)傳送模塊。**晶振頻率：11.0592MHz**線路->單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板***********************************************************************/#include<reg52.h>#include<intrins.h>#include<string.h>#definebuf_max50//緩存長(zhǎng)度50sbitDQ=P3^6;//DS18B20數(shù)據(jù)接口sbitP_L=P0^0;//測(cè)量指示sbitJDQ1=P2^0;//繼電器1控制sbitIDQ2=P2^1;//繼電器2控制unsignedchari=0;unsignedchar*send_data;//要發(fā)送的數(shù)據(jù)unsignedcharrec_buf[buf_max];//接收緩存voiddelay(unsignedint);//延時(shí)函數(shù)voidDS18B20_init(void);//DS18B20初始化unsignedintget_temper(void);//讀取溫度程序voidDS18B20_write(unsignedcharin_data);//DS18B20寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)unsignedcharDS18B20_read(void);//讀取數(shù)據(jù)程序unsignedinthtd(unsignedinta);//進(jìn)制轉(zhuǎn)換函數(shù)voidclr_buf(void);//去除緩存內(nèi)容voidSerial_init(void);//串口中斷處理函數(shù)floattemp;//溫度存放器bitDS18B20;//18B20存在標(biāo)志，1存在，0不存在unsignedchartab[10]={0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6};//字段轉(zhuǎn)換表voidmain(void){unsignedinta,temp;unsignedcharcontrol=1;//繼電器控制標(biāo)志，默認(rèn)為1，自動(dòng)控制unsignedcharget=1;//數(shù)據(jù)發(fā)送標(biāo)志，默認(rèn)為1，連續(xù)發(fā)送TMOD=0x20;//定時(shí)器1，方式2//PCON=0x80;//電源控制19200TL1=0xfd;TH1=0xfd;//11.0592MHz晶振，波特率9600,SCON=0x50;//方式1TR1=1;//啟動(dòng)定時(shí)ES=1;EA=1;temp=get_temper()；//這段程序用于避開(kāi)剛上電時(shí)顯示85的問(wèn)題for(a=0;a<200;a++)delay(500);while(1){temp=get_temper();//測(cè)量溫度f(wàn)or(a=0;a<100;a++)//發(fā)送數(shù)據(jù)方式選擇if(get==1)//連續(xù)發(fā)送〔單片機(jī)周期性的向PC機(jī)發(fā)送檢測(cè)的電壓值〕{ES=0;SUBF=(unsignedchar)(temp>>8);//將測(cè)量節(jié)點(diǎn)發(fā)送給PCwhile(TI!=1);TI=0;SBUF=(unsignedchar)temp;while(TI!=1);TI=0;ES=1;}if(get==2)//間隔發(fā)送〔PC向單片機(jī)發(fā)送一次get1，單片機(jī)向PC發(fā)送檢測(cè)的電壓值〕{ES=0;SUBF=(unsignedchar)(temp>>8);//將測(cè)量結(jié)果發(fā)送給PCwhile(TI!=1);TI=0;SBUF=(unsignedchar)temp;while(TI!=1);TI=0;ES=1;get=3;//終止發(fā)送標(biāo)志}}/*************************DS18B20讀取溫度函數(shù)***********************//*函數(shù)原型：voidget_temper(void)/*函數(shù)功能：DS18B20讀取溫度/*****************************************************************/unsignedintget_temper(void){unsignedchark,T_sign,T_L,T_H;DS18B20_init();//DS18B20初始化if(DS18B20)//判斷DS18B20是否存在，不存在返回{DS18B20_write(0xcc);//跳過(guò)ROM匹配DS18B20_write(0x44);//發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令DS18B20_init();//DS18B20初始化if(DS18B20)//判斷DS18B20是否存在，不存在返回{DS18B20_write(0xcc);//跳過(guò)ROM匹配DS18B20_write(0xbe);//發(fā)出讀溫度命令T_L=DS18B20_read();//數(shù)據(jù)讀出T_H=DS18B20_read();K=T_H&0xf8;if(k==0xf8)T_sign=1;//溫度是負(fù)數(shù)elseT_sign=0;//溫度是正數(shù)T_H=T_H&0x07;temp=(T_H*256+T_L)*0.625;//溫度轉(zhuǎn)換常數(shù)乘以10是因?yàn)橐４嬉晃恍?shù)return(temp);}}}/*************************DS18B20寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)***********************//*函數(shù)原型：voidDS18B20_write(ucharin_data)/*函數(shù)功能：DS18B20寫(xiě)數(shù)據(jù)/*輸入?yún)?shù)：要發(fā)送寫(xiě)入的數(shù)據(jù)/*****************************************************************/voidDS18B20_write(unsignedcharin_data)//寫(xiě)DS1820的子程序{unsignedchari,out_data,k;out_data=in_data;for(i=1;i<9;i++)//串行發(fā)送數(shù)據(jù){DQ=0;DQ=1;_nop_();k=out_data&0x01;if(k==0x01)//判斷數(shù)據(jù)寫(xiě)1{DQ=1;}else//寫(xiě)0{DQ=0;}delay(4);//延時(shí)42usDQ=1;out_data=_cror_(out_data,1);//循環(huán)左移1位}}/**************DS18B20讀函數(shù)**************************************************/*函數(shù)原型：voidDS18B20_read()/*函數(shù)功能：DS18B20讀數(shù)據(jù)/*輸出參數(shù)：讀到的一字節(jié)內(nèi)容/*調(diào)用模塊：delay()/******************************************************************************unsignedcharDS18B20_read(){unsignedchari,in_data,k;in_data=0;for(i=1;i<9;i++)//串行發(fā)送數(shù)據(jù){DQ=0;DQ=1;_nop_();_nop_();k=DQ;//讀DQ端if(k==1)//讀到的數(shù)據(jù)是1{In_data=in_data|0x01;}else{in_data=in_data|0x00;}delay(3);//延時(shí)51usDQ=1;in_data=_cror_(in_data,1);//循環(huán)右移1位}return(in_data);}/********************************DS18B20初始化*******************************/*函數(shù)原型：voidDS18B20_init(void)/*函數(shù)功能：DS18B20初始化/*調(diào)用模塊:delay()/******************************************************************************voidDS18B20_init(void){unsignedchara;DQ=1;//主機(jī)發(fā)出復(fù)位低脈沖DQ=0;delay(44);//延時(shí)54