基于LabView多點溫度監測系統的設計

劉文科，謝樂聰，劉家凱，許海林

（佳木斯大學 信息電子技術學院，黑龍江 佳木斯 154007）

基于LabView多點溫度監測系統的設計

劉文科，謝樂聰，劉家凱，許海林

（佳木斯大學 信息電子技術學院，黑龍江 佳木斯 154007）

虛擬儀器其優勢在于可實現傳統儀器的基本功能，可根據用戶的實際需求改變儀器定義，完美地展現了虛擬儀器的實用性和靈活性，實現多種多樣的應用需求。本設計是以LabView作為開發平臺設計的虛擬儀器作為上位機，單片機作為下位機聯合組成的系統。上位機是通過USB通信模塊接收來自下位機采集的多點溫度數據，下位機是通過STC89C52單片機作為主控芯片，利用數字溫度傳感器采集溫度數據、無線傳輸實現遠距離數據傳輸，最終達到多點溫度數據采集并傳輸給上位機。經過安裝調試，實現了各種基本功能。

LabView；無線傳輸；溫度傳感器；單片機

1 引言

1.1 課題的來源及研究目的和意義

課題來源于虛擬儀器的迅速發展以及相關技術在農業工業等各種領域的成熟。研究目的及意義：溫度與生產及生活密切相關，環境溫度的測量有著很廣泛而重要的意義。作為儀器技術和計算機技術完美結合的虛擬儀器技術提供了一個很好的解決方案來應對這個難題。使用虛擬儀器技術，只要將需要測量的信號通過I/O接口設備采集后送入計算機，再通過虛擬儀器開發工具和利用計算機強大的數據分析、處理功能以及顯示器的強大顯示能力，可滿足特殊測試的要求。同時隨著無線設備的興起，采用無線傳輸的方式對數據進行發送、接收，減少不必要的線路設備開支。

1.2 國內外的研究現狀

虛擬儀器目前在國外發展很快，美國國家儀器公司(NI公司)等一些元器件廠商已經在市場上推出了基于虛擬儀器技術設計的商品化儀器產品。

1.3 本課題的主要內容

本設計上位機以LabView為基礎實現環境溫度的控制與顯示功能，由STC89C52單片機作為下位機主控制芯片，溫度傳感器DS18B20、無線數據傳輸模塊nRF24L01構成溫度采集、傳輸系統，AMS1117芯片構成3.3V電平轉換電路。

2 系統的方案選擇及硬件設計

目前溫度監測在工業、農業和生活中都有廣泛的應用，采用虛擬儀器的方式進行數據監測控制具有很大優勢。因為數據采集的方式很多，如何選擇數據采集芯片在設計中是非常重要的，好的選擇可以讓開發難度降低，開發時間減短，降低開發成本，使產品更快地推向市場。同樣主控芯片和接口芯片在整個系統的構建中也有重要的意義。

2.1 系統總體方案設計及選擇

（1）上位機軟件選擇。考慮到LabView在工程上的應用廣泛、開發周期短、易學習、數據采集方面出色、僅通過程序流程圖的理解就可利用圖形來開發程序，并且在調試修改方面簡潔。綜合考慮決定LabView進行上位機軟件的開發。

（2）上位機與下位機的通訊方式的選擇。綜合上述條件，本設計上位機決定選用LabView為編程語言設計上位機軟件，下位機決定選用STC89C52作為主從機主控芯片，主從機之間采用無線數據傳輸模塊通信，主機用串口通信的方式進行上下位機通信。主機部分包括：主控制芯片、溫度傳感器、無線數據傳輸模塊、接口電路、電源模塊。從機部分包括：主控制芯片、溫度傳感器、無線數據傳輸模塊、電源模塊。

2.2 系統硬件分析及選擇

（1）主控制器選擇。中和多方因數，考慮到本次設計的成本、安全性、便捷性，因此采用STC89C52芯片作為本設計中的主控芯片。

（2）溫度傳感器選擇。數字溫度傳感器DS18B20采用“一線總線”接口。將溫度轉化為串行數字信號直接供處理器處理，具有功耗低、性能高、抗干擾能力強的特點。

（3）3.3V電壓轉換芯片選擇。AMS1117是一款三端線性穩壓電路。本系統中nRF24L01無線收發模塊需要的電壓為1.9～3.6V，因此采用固定版本型號3.3V輸出的AMS1117作為電壓轉換芯片。

2.3 系統硬件電路設計

（1）溫度數據采集總電路設計。為了達到體積小、功耗低、方便、成本低等特點，溫度數據采集電路主要由單片機STC89C52、數字溫度傳感器DS18B20、電平轉換芯片AMS1117、無線收發模塊nRF24L01構成。

（2）單片機最小系統電路設計。該系統由晶振11.0592M、無極性電容30pf、極性電容10uF、電阻10K構成，晶振產生單片機工作的時鐘頻率。

3 系統軟件設計

通過軟件的設計可以使硬件在此程序的控制下按命令執行，從而通過調試達到設計要求。

3.1 DS18B20溫度采集部分軟件設計

根據要求，需要對溫度采集模塊編程測出所需要的數據。因此必須通過對DS18B20芯片的數據手冊的分析才可以了解到DS18B20芯片具體使用方法，下面就根據數據手冊的內容對DS18B20芯片進行編程。

3.2 nRF24L01收發部分軟件設計

nRF24L01收發部分軟件設計參照系統規程不變。

3.3 LabView上位機軟件設計

（1）上位機程序流程圖。上位機的工作流程是先由登陸模塊進行登陸操作，判斷是否有操作權限。登陸成功后由串口通信模塊接收來自下位機的數據，經過數據處理模塊的處理后分別將信號送給顯示模塊、溫度報警模塊、數據儲存模塊完成相應的數據顯示功能、溫度報警功能、歷史數據記錄儲存功能。

（2）串口通信模塊程序設計。串口通信模塊主要是通過LabView的VISA來實現的。VISA（虛擬儀器軟件結構體系）是在所有LabView工作平臺上控制VXI、GPID、RS-232以及其他種類儀器的單接口程序庫。VISA提供了簡單易用的控制函數集，具有簡單的應用形式。

4 安裝與調試

在系統硬件電路設計和軟件程序設計后，需要進行安裝和調試工作。安裝過程包括硬件電路的安裝和軟件驅動的安裝。其中，軟件驅動的安裝包括PL2303USB轉TTL接口部分驅動軟件的安裝和VISA驅動的安裝。

4.1 安裝過程

（1）PL2303USB轉TTL接口部分驅動軟件的安裝。（2）VISA驅動的安裝。（3）硬件電路的安裝。

4.2 調試過程

調試過程主要分為下位機調試、上位機調試和系統聯調。參照電路原理圖，找齊元器件，分別檢測各元器件是否正常，有無損壞，確認無誤之后焊接到電路板上。焊好后先用萬用表測試有無短路現象，保證電路能夠正常工作。確認數據無誤之后進行上位機調試，打開LabView軟件，設置好相應串口參數，點擊連續運行按鈕觀察得到的數據。改變當前溫度，進行系統聯調。可用手指捏住DS18B20溫度傳感器，改變傳感器周圍的溫度，觀察得到的數據變化，至此設計完成系統正常運行。

圖1所示是調試好的上位機正常工作的界面，從圖1中看出，系統可以正常工作顯示當前溫度數值，并將顯示的溫度信息記錄在表格控件中形成歷史記錄。

5 結束語

通過硬件和軟件測試、聯調，最終達到了本設計的基本要求。本系統克服了傳統的的專用儀器無法與計算機連接進行數據處理及顯示儲存、成本高、更新升級慢、儀器靈活性差等問題，同樣也克服了不同點之間數據傳輸不便等問題。

系統未解決問題：無法控制測溫間隔時間；串口通信有距離限制；數據傳輸時的偶爾錯誤；nRF24L01無線傳輸距離上的限制；判斷數據錯誤時的表格空白寫入；電路對傳感器電磁干擾等問題。

圖1 上位機溫度數據采集界面

TP274

A

1671-0711（2016）11（下）-0072-02

（黑龍江省大學生創新創業訓練計劃項目，項目編號201410222015）。