基于LabVIEW及單片機的溫度測控系統設計

李冬冬 魏志欽 黃凌森 吳濟敏 黃吉彪 羅擴龍

（華南理工大學廣州學院，廣東 廣州 510800）

基于LabVIEW及單片機的溫度測控系統設計

李冬冬 魏志欽 黃凌森 吳濟敏 黃吉彪 羅擴龍

（華南理工大學廣州學院，廣東 廣州 510800）

溫度測量控制系統正逐漸向虛擬儀器的方向發展,而LabVIEW是應用最廣泛的虛擬儀器軟件,但是與其配套的數據采集卡一般成本較高,為了降低其成本,設計了一個基于LabVIEW的溫度控制系統，該系統通過DS18B20溫度傳感器采集溫度，再通過單片機與電腦的通訊，將信息傳送給LabVIEW來對溫度進行測量、監控。

LabVIEW；單片機；溫度監控；DS18B20

1．引言

美國國家儀器公司率先提出了虛擬儀器這個概念，徹底改變了傳統儀器由廠家定義、用戶無法隨心改變的模式，使測控儀器發生了巨大變革。與傳統儀器相比，虛擬儀器有很多的優點：對測試量的處理和計算可以更復雜且速度更快，測試結果的表達方式更加多種多樣，可以方便地存儲和傳遞測試數據，價格低且技術更新更快。目前的溫度測量與控制系統大都還是使用傳統溫度測量儀器，其功能基本都是由硬件或固化的軟件來實現，而且它的功能只能通過廠家定義、設置，這顯得非常的單一、固定，用戶無法根據自己的意愿隨意去改變其結構和功能，因此這樣的溫度控制系統已經不能適應現代化監測系統的要求。虛擬儀器技術在分布式測控系統、遠程設備診斷以及網絡虛擬實驗室建設等領域都得到了廣泛的應用，但LabVIEW所支持的數據采集卡價格比較昂貴，造成了溫度測量與控制系統的成本比較高。為了解決這一問題，本項目采用AT89S51單片機、溫度傳感器、溫控部件等通過串口和上位機的通信組成了成本較低的溫度測量控制系統。

2．系統方案設計

該溫度系統硬件由計算機、單片機、溫度控制電路和溫度傳感器組成，框圖如圖1所示。該系統集計算機、強大的圖形化編程軟件LabVIEW和模塊化硬件于一體，建立靈活，且以LabVIEW為基礎的測量及控制模式，構建出滿足隨時可改變要求的系統[1]。通過傳感器獲取溫度信號，再由單片機組成的小系統對溫度信號進行采集、整理和轉換，然后通過單片機將數據在LED顯示屏中，同時也通過單片機與電腦的串口通信將數據傳送給計算機，并通過計算機運行的Lab-VIEW程序分析處理單片機輸入的數據，最終在計算機顯示結果，同時將控制信息返回給單片機，通過單片機控制溫度控制電路。另外采用電阻加熱取代電機加熱，冷卻采用制冷

圖1系統結構框圖

3．下位機的設計

該虛擬溫控系統采用單片機AT89S51作為下位機，控制溫度傳感器DS18B20的操作，并將從DS18B20溫度傳感器讀取的數據通過電腦與單片機的串口通信發送給計算機的LabVIEW軟件。數字式溫度傳感器DS18B20把當時的溫度轉換為數字信號傳輸給單片機AT89C51，之后通過串口的COM口發送給計算機，該串口具有TTL-RS232電平轉換功能。下位機程序采用匯編語言編寫，主要包括定時器初始化、DS18B20的初始化、啟動DS18B20溫度轉換、讀取DS18B20的數據、串口數據發送模塊[2]。

4．上位機的設計

上位機采用LabVIEW圖形化編程軟件來編寫程序，無需編寫繁瑣復雜的計算機程序代碼，只需要寫上相應的圖形即可實現測控系統的構建，程序簡單明了并且界面美觀。

本設計主要使用了LabVIEW的串行通信節點。在Lab-VIEW中，串行通信節點位于函數選板共包括8個節點，分別實現初始化串口、串口寫、串口讀、檢測串口緩存、中斷以及關閉串口等功能，VISA配置串口節點用于初始化串口。在利用計算機控制串口儀器設備時，先要配置好串口，即先初始化串口，使計算機串口的各種參數設置與儀器設備的串口保持一致，才能夠正確地進行串行通信。并且在每次使用前都需要如此設置，達到成功進行通信的目的[3]。

根據設計要求將串口初始化為波特率2 400b/s，數據位8位，1位停止位，無奇偶校驗位。從運行初始化后一直處于等待接收數據狀態。數據采集終端每過一定時間上傳一次數據，這個數據是和時間一起上傳的，是自動記錄數據歷史的部分，所以要存儲在一個特定的文件夾里，等待后續程序的處理。

當需要上傳某一特定時間段的數據時，需要上位機發送一個命令(即起始時刻和終止時刻的數值)給單片機，這時需退出記錄數據狀態，向串口發送一個命令串，需要注意的是發送命令的控制按鈕要設計為一個脈沖的形式，否則程序會循環發送命令，不能返回等待定時上傳狀態[4]。

圖2 溫度測控系統用戶界面

圖2為溫度測控系統的界面，即LabVIEW的前面板。前面板提供了端口選擇功能，同時也能顯示當前的溫度情況?？刂泼姘暹€有一個數據報警模塊，當實際溫度大于溫度上限或小于溫度下限值時予以超溫報警。超溫報警時，系統即中斷自動控溫，確保人員及設備安全。系統通過信號燈及報警聲實現超溫報警，即當采樣數據超過系統所設定的上下限時，指示燈變紅，并發出警報聲[5]。

5．部分程序框圖

后界面為程序框圖，由不同的模塊所組成，每個模塊都有對應的功能，都控制著不同的部位。當串口參數設置正確，則文本框里的數據就可以通過串口發送至下位機的單片機，更新相應的目標溫度。生成報表及溫度數據處理的程序框圖分別如3、4所示。

圖3 報表部分的程序框圖

圖4 溫度數據處理部分的程序框圖

6．結論

隨著傳感器技術的不斷發展，傳統的測試方法已經不能滿足我們對測試精度的要求。隨著信號檢測和計算機技術的不斷發展也使得高精度實時采集數據和分析處理成為可能。本項目是基于LabVIEW軟件設計的溫度測量與控制系統，可在計算機上和LED上同時完成被控溫度的實時顯示、直方圖統計顯示及PID控制，同時也可將采集的溫度數據保存到指定的數據庫中，以備系統運行中隨時查閱和分析。查詢結果以表格形式呈現，方便用戶查看。同時，只需要一些傳感和溫控電路就可以完成整個系統的功能。此測試系統，極大地降低了溫度監控系統的成本，系統具有很大的靈活性，同時也大大提高了系統的測試精度。同傳統系統相比，采用虛擬儀器的方法具有效率高、性能好、運行可靠、成本低等特點。

[1]王琦，翟正軍，郭陽明．基于虛擬儀器的實驗室溫濕度控制系統的設計與實現[J]．測控技術，2009，(3)：39-42．

[2]李全利．單片機原理及接口技術[M]．北京：高等教育出版社，2009．

[3]宋文緒，楊帆．傳感器與檢測技術[M]．北京：高等教育出版社，2009．

[4]林鷹，郭兵，楊奕．實時異構監控系統數據平臺的集成技術[J]．西南師范大學學報(自然科學版)，2005，30(1)：87-91．

[5]廖傳書．基于LabVIEW與串行口的直接數據通信[J]．中國水運，2006(4)：23-25．

Design of Temperature Measurement and Control System Based on LabVIEW and Microprocessor

Li Dongdong Wei Zhiqin Huang Lingsen Wu Jimin Huang Jibiao Luo Kuolong
(Guangzhou College,South China University of Technology,Guangzhou 510800,Guangdong)

Temperature measurement and control system is developing towards the trend of virtual instrument.Currently Lab-VIEW is a software for virtual instrument used most widely.However,the data acquisition equipment connected with it is generally expensive.In order to reduce the cost,the temperature measurement and control system based on LabVIEW is designed,which gets temperature by sensor DS18B20 and transmits the message to LabVIEW with the communication between microprocessor and computer,to measure and control temperature.

LabVIEW;Microprocessor;temperature control;DS18B20

李冬冬，男，廣東揭西人，碩士，講師。研究方向：測試技術。的方式，加速冷卻，通過P1.1、P1.2輸出高、低電平控制加熱或停止，通過P1.3、P1.4輸出高、低電平控制制冷或停止。