C8051F350的多傳感器測控平臺設計

王 瑜

(西安航空學院 機械工程學院，西安 710077)

C8051F350的多傳感器測控平臺設計

王 瑜

(西安航空學院 機械工程學院，西安 710077)

以C8051F350單片機為主控芯片，結合Labwindows/CVI 2012開發平臺，設計了一種多傳感器測控系統。系統主要包含以下4個部分：C8051F350控制器模塊、傳感器模塊、受控模塊和上位機。系統主要實現2個功能：通過上位機使C8051F350控制器模塊控制傳感器模塊實現溫度、濕度、電壓和傾角數據的實時檢測和顯示功能；通過上位機使C8051F350控制器模塊控制受控模塊實現風扇、直流電機和4路繼電器信號的控制功能。

C8051F350；多傳感器；Labwindows/CVI；測控系統

引 言

隨著科技的發展，在測控系統中，往往需要使用多數量、多類型的傳感器進行數據采集與傳輸[1]，而且需要對多種負載進行控制，嵌入式信號采集處理系統的應用越來越廣泛，也更加輕便靈活[2]。本文設計了一種基于C8051F350單片機，并結合Labwindows/CVI 2012開發平臺的多傳感器測控系統。

由Silicon Labs公司生產的C8051F350單片機是一種低成本、高精度的主控芯片。本文充分利用C8051F350的片上24位具有低噪聲和高線性度的Σ-△型ADC，該ADC具有在片校準功能，減少硬件電路的設計，提高了系統的可靠性和穩定性[3]；并采用USB轉RS232通信接口，實現了和Labwindows/CVI 2012的數據采集和傳輸。本系統可以實現對溫度、濕度、電壓、傾角數據等物理量的檢測，還可對風扇、直流電機、繼電器進行控制，甚至可作為開發板，利用風扇和溫濕度傳感器實現恒溫控制，實現風扇和直流電機的PWM調速控制，利用溫濕度傳感器和繼電器模塊控制加濕器實現恒濕度控制，利用傾角傳感器和繼電器模塊實現跌倒檢測和報警[4]，實現單片機和上位機的通信等功能，為單片機與嵌入式系統、傳感器技術和測控技術等課程的教學提供了完整的硬件平臺。

1 系統的結構及工作原理

系統的結構框圖如圖1所示，該測控系統主要由C8051F350控制器模塊、穩壓電源模塊、溫濕度傳感器模塊DHT11、電壓傳感器模塊、傾角傳感器模塊GY-952、上位機、風扇模塊、直流電機模塊和4路繼電器模塊組成。穩壓電源模塊給整個系統供電，溫濕度傳感器DHT11采集濕度信號，將其轉換為數字信號送入控制器模塊C8051F350，電壓傳感器模塊采集DC 0～16.5 V電壓信號，將其轉換為0～3.3 V模擬量信號送入控制器模塊C8051F350的A/D轉換接口；傾角傳感器模塊GY-952采集角度信號，將其轉換為0.1～2.9 V模擬量信號送入控制器模塊C8051F350的A/D轉換接口。控制器模塊C8051F350將傳感器模塊采集的信息送入上位機顯示，通過上位機給控制器模塊C8051F350發送命令，控制受控模塊完成相應的功能，實現風扇、直流電機模塊的轉速控制和4路繼電器模塊的開關控制。

圖1 系統結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 溫濕度檢測電路

圖2 溫濕度檢測電路

本系統采用的溫濕度傳感器，DHT11是一款數字傳感器，包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，其能與一個高性能8位單片機相連接[5-6]。溫濕度檢測電路如圖2所示，溫濕度傳感器DHT11的Dout引腳與C8051F350的I/O口P01連接，將溫濕度信號轉換成數字信號送入C8051F350單片機，DHT11的VCC引腳接電源，NC引腳懸空，GND引腳接地。

2.2 電壓、傾角檢測電路

圖3 電壓、傾角檢測電路

電壓、傾角檢測電路如圖3所示，Vin端連接DC 0～16.5 V電壓信號，由于電阻R3和R4的分壓作用，使AIN00端產生0～3.3 V電壓信號，并送入C8051F350的A/D口，傾角檢測采用低成本、低功耗、體積小的GY-952模塊，其工作原理是通過陀螺儀與加速度傳感器經過數據融合算法最后得到直接的角度數據，本系統采用單軸模擬量輸出，GY-952把角度信號轉換成模擬量信號，在OUT引腳輸出0.1～2.9 V電壓信號，并送入C8051F350的A/D口，GY-952的VCC引腳接電源,GND引腳接地，B0、SWC、SWD、RX和TX引腳懸空。

2.3 風扇控制電路

上位機將命令發送到C8051F350以控制風扇，風扇控制電路如圖4所示，C8051F350的P10口通過電阻和三極管與風扇連接，實現風扇的低速、高速、智能和停止控制，其中風扇的轉速控制采用PWM調速控制，風扇的智能控制需要在上位機設置溫度的上下限，從而實現了風扇的轉速隨著溫度的變化達到智能控制，使溫度保持在設定的溫度的上下限之間。

圖4 風扇控制電路

2.4 直流電機控制電路

上位機發送命令控制直流電機，直流電機控制電路如圖5所示，選擇L298N芯片作為直流電機驅動芯片，L298N是一種雙H橋電機驅動芯片，其中每個H橋可以提供2 A的電流，功率部分供電電壓范圍是2.5～58 V，邏輯部分為5 V供電，接收5 V TTL電平。L298N的OUTPUT1和OUTPUT2引腳通過4個二極管1N4007與直流電機相連，二極管1N4007的作用是保護L298N芯片，L298N的INPUT1、INPUT2和ENABLE A引腳分別連接C8051F350的P11、P12和P13口，可以實現直流電機的啟動、停止、轉速和轉向控制，CURRENT SENSING A、CURRENT SENSING B引腳接地，SUPPLY VOLTAGE Vs和LOGIC SUPPLY VOLTAGE Vss引腳接電源，INPUT3、INPUT4、ENABLE B、OUTPUT3和OUTPUT4引腳懸空。

圖5 直流電機控制電路

2.5 繼電器控制電路

繼電器在實際中的應用非常廣泛和普遍，繼電器不僅可以有效地減少控制系統元件數量，而且對于線路的設計應用成本也能很好地進行控制節約，并且在實際應用中具有運行可靠、維護方式靈活方便等特征[7]。本系統采用上位機發送命令使繼電器控制電路工作，繼電器控制電路如圖6所示，選用MC1413芯片驅動4路繼電器，MC1413的IN1、IN2、IN3和IN4引腳分別和C8051F350的P14、P15、P16和P17口連接，OUT1、OUT2、OUT3和OUT4分別和4路繼電器的線圈連接，GND引腳接地，VDD引腳接電源，MC1413的IN5、IN6、IN7、OUT5、OUT6和OUT7引腳懸空。

圖6 繼電器控制電路

3 系統軟件設計

3.1 上位機軟件設計

本系統的上位機采用Labwindows/CVI 2012作為軟件開發平臺，上位機界面如圖7所示，上位機界面由3個區域組成，分別是：選擇串口區域、檢測區域和控制區域。通過“選擇串口”控件，用戶可以根據需要方便地選擇串口；在檢測區域中點擊“開始檢測”按鈕，可以顯示當前的溫度、濕度、電壓和傾角數據。

控制區域由3部分組成，分別是：風扇控制區域、電機控制區域和4路繼電器控制區域。其中點擊風扇控制區域中的“低速”按鈕，可以實現風扇的低速運行；點擊“高速”按鈕，可以實現風扇的高速運行；點擊“設置”按鈕，彈出風扇智能控制“溫度設置”界面。如圖8所示，在其中輸入溫度的上限和下限，可以實現風扇的智能閉環控制，即當前溫度低于溫度下限時，風扇停止運轉；當前溫度在溫度上限和溫度下限之間時，風扇低速運轉；當前溫度高于溫度上限時，風扇高速運轉。點擊“停止”按鈕，風扇停止運轉。

電機控制區域可以實現直流電機的啟動、轉速、轉向和停止控制，點擊“啟動”按鈕，電機運轉；電機的轉速控制包含6種速度，通過直流電機PWM調速實現，點擊 “轉速+”按鈕，電機加速運行；點擊“轉速-”按鈕，電機減速運行；點擊“反向”按鈕，電機反轉，再次點擊“反向”按鈕，電機正轉；點擊“停止”按鈕，電機停止運轉。

在4路繼電器控制區域中，分別點擊“繼電器1”、“繼電器2”、“繼電器3”和“繼電器4”按鈕，可實現4路繼電器控制電路的接通和斷開。

圖7 上位機界面

圖8 風扇智能控制 “溫度設置”界面

3.2 下位機軟件設計

下位機以C8051F350單片機作為主控芯片，軟件采用C語言設計，DHT11器件采用簡化的單總線通信。單總線即只有一根數據線，系統中的數據交換、控制均由單總線完成。C8051F350單片機與DHT11之間一次傳輸40位數據，高位先出，數據格式為：8位濕度整數數據+8位濕度小數數據+8位溫度整數數據+8位溫度小數數據+8位校驗位[8]，溫濕度讀取程序代碼如下：

sbit DATA = P0^1;

uchar RH(void){

DATA=0;

Delay1(180);

DATA=1;

Delay_10us();

Delay_10us();

Delay_10us();

Delay_10us();

DATA=1;

if(!DATA){

U8FLAG=2;

while((!DATA)&&U8FLAG++);

U8FLAG=2;

while((DATA)&&U8FLAG++);

COM();

U8RH_data_H_temp=U8comdata;

COM();

U8RH_data_L_temp=U8comdata;

COM();

U8T_data_H_temp=U8comdata;

COM();

U8T_data_L_temp=U8comdata;

COM();

U8checkdata_temp=U8comdata;

DATA=1;

U8temp=(U8T_data_H_temp+U8T_data_L_temp+U8RH_data_H_temp+U8RH_data_L_temp);

if(U8temp==U8checkdata_temp){

U8RH_data_H=U8RH_data_H_temp;

U8RH_data_L=U8RH_data_L_temp;

U8T_data_H=U8T_data_H_temp;

U8T_data_L=U8T_data_L_temp;

U8checkdata=U8checkdata_temp;

humidity = U8RH_data_H;

temperature = U8T_data_H;

}

return 1;

}

else{

return 0;

}

}

通過電壓、傾角檢測電路將電壓、傾角信號轉換成模擬量送入C8051F350的AIN00和AIN01口，利用C8051F350內部高精度A/D，完成電壓和傾角數據的采集，GY-952模塊數據輸出有兩種形式，分別為串口輸出和模擬輸出。串口輸出：MCU的RX接到模塊的TX，MCU的TX接到模塊的RX，然后向模塊發送相應指令即可；模擬輸出：模塊的模擬輸出的數據為ROLL，輸出范圍0.1～2.9 V，對應-180°～180°，直接用A/D采集即可，其中ROLL是歐拉角的計算方法，在GY-952模塊輸出的一幀數據中，數據1=ROLL=(高8位<<8)|低8位，本系統采用模擬輸出形式[9]。電壓讀取程序代碼如下：

void AD_convert(){

unsigned long t=0,m=0;

unsigned char idata d,input;

AD0INT=0;

input=0x08;{

for(d=0;d<6;d++){

ADC0MD=0x80;

ADC0MUX=input;

ADC0MD=0x82;

while(!AD0INT);

ADC0MD=0x00;

AD0INT=0;

t=ADC0M+ADC0H*0x100;

m+=t;

}

voltage=m/6;

}

;

}

圖9 下位機控制風扇軟件流程圖

本系統下位機控制風扇的軟件流程如圖9所示。首先，C8051F350接收上位機發送的控制命令，收到“高速”命令，風扇高速運行；收到“低速”命令，風扇低速運行；收到“停止”命令，風扇停止運行。收到“智能”命令，讀取風扇智能控制設置的溫度上下限值以及溫濕度傳感器DHT11采集的當前溫度值，如果當前溫度比設定溫度下限低，說明當前溫度低，不需要利用風扇降溫，故風扇停止運行；如果當前溫度比設定溫度下限高，而且當前溫度比設定溫度上限低，說明當前溫度符合我們的設定要求，故風扇低速運行；如果當前溫度比設定溫度上限高，說明當前溫度高，需要利用風扇快速降溫。

本系統下位機控制直流電機軟件流程如圖10所示，C8051F350接收上位機發送的控制命令，收到“啟動”命令，電機運行；收到“反向”命令，電機反向運行；收到“停止”命令，電機停止運行；收到“轉速+”命令，判斷轉速檔位是否大于6檔，如果大于6檔，將轉速檔位記錄變量speedrecord=6，速度最高的檔位為第6檔；收到“轉速-”命令，判斷轉速檔位是否小于1檔，如果小于1檔，轉速檔位記錄變量speedrecord=1，速度最低的檔位為第1檔。

圖10 下位機控制直流電機軟件流程圖

結 語

本文以C8051F350單片機為核心，結合Labwindows/CVI 2012軟件開發平臺，使用溫濕度傳感器DHT11、電壓傳感器、傾角傳感器GY-952、風扇、直流電機和4路繼電器，設計了一種多傳感器測控系統，系統運行穩定，上位

[1] 何諧.一種多傳感器數據采集與通信實驗平臺的設計[J].工業控制計算機，2016(6)：65-67.

[2] 李正軒，費樹岷.基于Zynq-7000FPGA的高速信號采集處理平臺[J].單片機與嵌入式系統應用，2016(2)：44-47.

[3] 沈金鑫，夏靜.基于C8051F350的多路高精度數據采集系統及應用[J].電子設計工程，2014(5)：154-156.

[4] 趙旭強，高天星，馬忠梅.CC3200與Android的跌倒檢測系統上位機設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2016(2)：32-35.

[5] 湯鍇杰，栗燦，王迪，張琴.基于DS18B20的數字式溫度采集報警系統設計[J].傳感器與微系統，2014(3)：99-102.

[6] 王登宏，厲佳男，賀雪輝，等.基于Arduino的手機同步顯示溫濕度檢測系統的設計與實現[J].工業控制計算機，2016(7)：42-45.

[7] 劉曉光.控制繼電器應用[J].科技傳播，2013(2)：150-151.

[8] 哈爾濱奧松機器人科技有限公司.溫濕度模塊DHT11產品手冊[EB/OL].[2017-02]. http://www.aosong.com/.

[9] GY-952模塊使用手冊[EB/OL].[2017-02].https://pan.baidu.com/s/1jIq9XaQ#list/path=%2F.

王瑜(講師)，主要研究方向為機電一體化技術、嵌入式系統應用。

Multi-sensor Measurement and Control Platform Based on C8051F350

Wang Yu

(School of Mechanical Engineering,Xi’an Aeronautical University,Xi’an 710077,China)

In the paper,a multi-sensor measurement and control system is designed,which is based on C8051F350 microcontroller and Labwindows/CVI 2012 development platform.The system consists of four modules:the C8051F350 controller module,the sensor module,the controlled module and the upper computer.The sensor module consists of the temperature and humidity sensor,the voltage sensor and the tilt sensor.The controlled module consists of the fan module,the DC motor module and four channels of relay module.The system has two main functions,which can realize the temperature,the humidity,the voltage and the tilt real-time detecting and displaying by C8051F350 controller module through the upper computer,and it can be used to control the fan,the motor,and the four channels of relay by C8051F350 controller module through the upper computer.

C8051F350;multi-sensor;Labwindows/CVI;measurement and control system

TP273

A

迪娜

2017-02-09)