基于LabVIEW的分布式實驗室環境監測平臺設計

程學珍等

摘要：作者結合實驗室建設，設計了基于LabVIEW的分布式實驗室環境監測平臺。使用多種傳感器、LabVIEW、單片機等工具，對平臺的數據采集部分、串口通信部分、分析處理部分等進行了硬件與軟件的系統設計。實驗結果表明，該平臺能夠實現實驗室環境實時監測、超限報警，報表生成打印等功能。該平臺的設計，能幫助學生鞏固LabVIEW、單片機、傳感器等知識，提高學生的創新能力與動手能力，達到更好的教學效果。

關鍵詞：LabVIEW；分布式；實驗室；環境監測；傳感器；單片機

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）10-0069-04

前言

培養學生的創新意識與動手能力是高校實驗室建設的主要目的之一，也對學生以后的職業發展具有重要意義。本文結合山東科技大學檢測技術實驗室的建設，設計了基于LabVIEW的分布式實驗室環境監測平臺，實現了對實驗室環境數據的實時、可靠監測。[1]一方面學生可以更好地鞏固LabVIEW、單片機、傳感器等知識。另一方面，學生可以在平臺上進行二次開發，進而培養綜合動手能力和創新意識，充分發揮綜合性實驗的效能。

平臺總體結構設計

平臺主要由下位機系統和上位機系統構成：下位機系統以STC12C5A60S2單片機作為主控制器，以溫濕度傳感器、粉塵傳感器、流量傳感器作為感測元件分別對溫度、濕度、粉塵濃度、流量等數據進行采集[2]，并通過串口發送到上位機系統；上位機系統基于LabVIEW[3-5]主要實現對數據的解析、顯示，超限報警，報表打印等功能。系統設計總體結構框圖如圖1所示。

硬件系統設計

硬件系統電路主要包括單片機控制器模塊、電源模塊、溫濕度檢測模塊、粉塵濃度檢測模塊、流量檢測模塊、串口通信模塊等。

1.單片機控制器模塊

單片機控制器模塊主要包括STC12C5A60S2單片機、復位電路和時鐘電路。其中復位電路采用上電復位和手動復位兩種方式；時鐘電路的晶振頻率為11.0592MHz。[6]單片機控制器模塊電路原理圖如上頁圖2所示。

2.其他模塊設計

系統電源電路采用兩節18650鋰電池作為前端電源，經L7805穩壓電路穩壓后，輸出5V電壓供給系統使用。相比于經變壓器整流降壓的電源，使用鋰電池使得系統的可移動性更強，提高了系統的靈活性和適應性。溫濕度檢測模塊選用的是AM2320溫濕度傳感器。該傳感器包括電容濕敏元件與高精度集成的測溫元件，含有已校準數字信號輸出，支持單總線和標準I2C總線兩種通信方式。筆者選用的通信方式為單總線方式，信號傳輸距離可達20米以上。粉塵濃度檢測模塊選用的是ZPH01粉塵傳感器。傳感器采用紅外線LED和可見光截止的光電傳感器，檢測單元采用粒子計數原理對粉塵濃度進行檢測，并將濃度轉換為PWM信號進行輸出。流量檢測模塊選用的是YF-S201流量傳感器。傳感器由塑料閥體、轉子組件和霍爾傳感器組成，磁性轉子轉動并且轉速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應脈沖信號，反饋給控制器，由控制器判斷流量的大小，進行調控。串口通信選用的是基于PL2303芯片的USB轉TTL串口通信模塊，具有USB數據格式與TTL電平信號的雙向轉換功能，從上位機接收USB數據并將其轉換為TTL電平信號發送給下位機，[7]也可從下位機接收TTL電平信號并轉換為USB數據格式傳送回上位機。

硬件系統總體電路原理圖如圖3所示，硬件系統實物圖如圖4所示。

軟件系統設計

1.下位機軟件設計

設計下位機軟件控制傳感器進行參數檢測，并將數據讀取到單片機進行數據處理，然后發送到上位機。下位機環境參數采集流程圖如圖5所示，部分程序如圖6所示。

2.上位機軟件設計

使用LabVIEW設計上位機軟件[8]，將接收到的數據進行分析、處理，若超限，則啟動聲光報警。還可以進行數據存儲和報表生成打印、遠傳等，實現數據共享。上位機程序流程圖如下頁圖7所示。

（1）串口配置程序設計

在串口配置程序中，通信設置使用的是COM3端口[9]，波特率設置為4800bit/s，數據位設置為8位，無奇偶位，1位為停止位。

（2）數據讀取及顯示程序設計

LabVIEW讀取數據本質上是讀取字符串。當讀取字符串VISA從下位機一次性完成16字節數據字符串讀取后，經截取字符串函數，分別將溫度、濕度、粉塵濃度、流量[10]對應的字節截取后傳送到各自的數據通道，再由字符串至數值轉換函數將字符串轉換為數值后送顯示控件顯示。讀取字符串VISA通過調用屬性節點，經串口讀取下位機發送上來的數據。讀取字符串VISA的讀取字節總數設置為16字節，包括1個起始字節“S”、4個溫度字節、4個濕度字節、3個濃度字節和4個流量字節。

（3）數據存儲與報表生成程序設計

當數據被截取分流后，和時間函數一起通過創建數組函數生成一個數組[11-13]，并存放在指定路徑的Excel表格中。本文的報表生成程序使用的是LabVIEW中的MS Office Report函數，利用MS Office Report函數可以制作簡單的報表，支持的文件格式有Word、Excel。只需要事先制作一個文件模板并完成項目名稱和數據寫入區域配置，該函數即可自動生成一個簡單報表，在上位機連接打印機后，可直接進行報表打印。本文中的報表內容主要包括報表名稱、操作人、報表生成時間、參數檢測時間和所采集的數據等內容。

（4）聲光報警程序設計

將上位機從下位機讀取到的數據與用戶預先設定的參數值進行比較，若數據大小在設定范圍內，則比較結果為“假”，程序繼續運行，不發生報警；若采集到的環境參數超出預先設定的參數范圍，則比較值為“真”，進而觸發報警燈和聲音報警模塊，上位機同時進行聲光報警。

（5）系統界面設計

系統界面主要包括日期顯示、操作人、主顯示區、通信及數據保存設置區、參數設置區及操作區等。其中主顯示區包括波形圖顯示、實時參數顯示、報警燈等控件；通信及數據保存設置區主要包括通信參數設置、通信串口選擇和采集數據路徑保存等。

上位機軟件設計程序如圖8所示。

平臺調試及結果

下位機軟件調試及結果，如圖9所示。在串口通信調試階段，使用SSCOM3.2串口調試助手作為上位機與下位機進行通信，串口通信調試結果如圖10所示。從通信顯示界面中可以看到，第1個字節“S”為接收起始位[14]，通知上位機開始接收數據；第2～5字節為溫度字節，測得溫度為24.8攝氏度；第6～9字節為相對濕度字節，測得相對濕度為31.5%RH；第10～12字節為粉塵濃度字節，測得粉塵濃度為26ug/m；第13～16字節為流量字節，測得瞬時流量為8.9L/min。

運行本平臺，監測界面顯示結果如圖11所示。從運行結果可以看出，參數檢測、顯示、報警、報表等功能均正常。將采集的參數進行保存，點擊報表按鈕，系統程序啟動打印機服務，自動讀取保存的數據并按模板生成預設報表。檢測報表如圖12所示。

結論

與驗證性的實驗平臺相比，本平臺可以進行二次開發及功能拓展，進而提高學生分析、解決實際問題的能力，充分激發學生的創新意識，提高學生的動手操作能力，對實驗室與傳感器理論與技術課程建設具有實際意義。

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作者簡介：程學珍（1964—），女，博士，教授，研究方向為傳感器理論與檢測技術。

基金項目：國家自然科學基金（61503224）；山東省重點研發計劃（2016GSF117009）；青島市民生科技計劃（17-3-3-88-nsh）；山東省研究生教育優質課程立項建設項目（2016050）；山東科技大學研究生教育創新計劃項目（KDYC15017）；山東科技大學優秀教學團隊建設計劃資助項目（NOXTD20170510）。