【正文】 30 致謝 該設(shè)計及學(xué)位論文是在孫克偉老師的帶領(lǐng)和悉心指導(dǎo)下完成的。 本章小結(jié) 系統(tǒng)調(diào)試主要是對周圍環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將溫度信號通過采集模塊傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)通過通訊線路上傳至上位機(jī)系統(tǒng)，根據(jù) 系 統(tǒng) 設(shè) 計 任 務(wù) 不 斷 優(yōu) 化 系 統(tǒng) 設(shè) 計 ?！?左右，基本可以實現(xiàn)溫度采集、波形顯示、數(shù)據(jù)處理等功能。 圖 414 溫度顯示和波形顯示框圖 25 本章小結(jié) 本章主要進(jìn)行系統(tǒng)軟件程序設(shè)計，包括上位機(jī)和下位機(jī)程序編寫。 圖 410 實時數(shù)據(jù)測控界面 前面板歷史記錄 歷史記錄界面主要有回放按鈕，溫度采集記錄表和溫度采集波形圖，在進(jìn)行溫度采集完成后，系統(tǒng)會保存溫度采集記錄，通過回放功能可以實現(xiàn)對溫度采集記錄的回放，有利于追溯被測環(huán)境溫度變化情況，如圖 411歷史記錄界面所示。 圖 48 溫度采集模塊程序 上位機(jī)程序設(shè)計 上位機(jī)程序設(shè)計分為兩部分，前面板設(shè)計和程序框圖設(shè)計。 圖 43 程序流程圖 初始化程序 單片機(jī)與 DS18B20 器件進(jìn)行通信是以初始化開始，初始化序列包括單片機(jī)產(chǎn)生復(fù)位脈沖和 DS18B20 器件回應(yīng)的應(yīng)答脈沖，如圖 44 所示 。 18 第 4章 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計 虛擬儀器開發(fā)軟件 虛擬儀器的軟件包括操作系統(tǒng)、儀器驅(qū)動和應(yīng)用軟件，操作系統(tǒng)是虛擬儀器運(yùn)行基礎(chǔ)平臺，儀器驅(qū)動是控制硬件接口驅(qū)動程序，負(fù)責(zé)連接硬件與軟件通訊信號；應(yīng)用軟件負(fù)責(zé)虛擬儀器程序編程、調(diào)試等。單片機(jī)在開機(jī)時或在工作中因干擾而使程序失控或工作中程序處于某種死機(jī)循環(huán)狀態(tài)等情況下都需要復(fù)位。下位機(jī)開發(fā)板 HC6800ES 是一款多用途產(chǎn)品，提供 15 串口通信方式，該串口集供電、編程、仿真、通信功能于一體，并提供 ISP 接口功能，外部資源豐富，通過功能配置可以實現(xiàn)以下功能： 個 LED 顯示（接口可以實現(xiàn)跑馬燈、流水燈、花樣彩燈等）； 位靜態(tài)數(shù)碼管顯示； ； ； （ 74HC595 驅(qū)動接口）； 、時鐘、萬年歷試驗； 、紅外線顯示； 、液 晶、蜂鳴器顯示試驗； 、 LCD160 EEPROM 試驗； 開發(fā)板 HC6800ES 硬件模塊資源豐富，主要有 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、 DS18B20 溫度采集模塊、無線接口模塊、獨(dú)立鍵盤模塊、 DS1302 萬年歷顯示模塊、 LED 點陣模塊、 CPU 控制中心等。CH340 作為單片機(jī)開發(fā)板 USB 總線轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn) USB 轉(zhuǎn)串口功能，如圖 33 所示。 12 第 3章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)負(fù)責(zé)采集測試環(huán)境的溫度參數(shù)，采集的溫度參數(shù)通過 串口通訊傳輸?shù)缴衔粰C(jī) PC 端，上位機(jī)借用 LBVIEW 軟件構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， LabVIEW 前面板將 PC 端接受到的溫度參數(shù)顯示出來。高速緩沖存儲器內(nèi)部有 9 個字節(jié)，第 2 字節(jié)存放轉(zhuǎn)換完成的溫度值，第 4 字節(jié)存放上、下限報警值 TH 和 TL，第 5 字節(jié)為配置寄存器，第 8 字節(jié)為保留字節(jié)， 9 字節(jié)是 CRC 校驗碼，提高串行傳輸?shù)目煽啃浴?A/D 轉(zhuǎn)換通過采樣保持、量化和編碼實現(xiàn)對輸入模擬電壓信號采用保持，在保持時間內(nèi)實現(xiàn)電壓量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，并將轉(zhuǎn)化結(jié)果用編碼形式輸 出?！?，可以多點組網(wǎng)、多點測溫，工作電源電壓為 3V~，應(yīng)用于一般工業(yè)測溫現(xiàn)場、家庭溫度測量等。其中決定信號采集差異的主要為采集頻率，在一段完整連續(xù)模擬信號中，設(shè)置不同的采集周期導(dǎo)致采集 信號的差異顯著表現(xiàn)出來。伴隨著虛擬技術(shù)發(fā)展推進(jìn)，也涌現(xiàn)出一批研究成果，如唐山大學(xué)基于ComXactPCIV PYI 研制的鍋爐供熱自動控制系統(tǒng)成功地運(yùn)用在唐山市熱力 5 總公司項目上；清華大學(xué)基于 ComXactPCIV PYI 技術(shù)建設(shè)的實驗熱工水利測控平臺研制成功了先進(jìn)的熱工測量技術(shù)和熱工仿真技術(shù)成功地完成了海水淡化等重要課題研究；國防科技大學(xué)基于 NaOVIEP 的分布式 VYI 儀器教學(xué)實驗系統(tǒng)的研制為 VYI 儀器廣泛進(jìn)入大學(xué)實驗室創(chuàng)造了條件；清華大學(xué)利用虛擬儀器構(gòu)建汽車發(fā)動機(jī)檢測系統(tǒng)用于汽車發(fā)動機(jī)出廠的 自動檢測等。 傳統(tǒng)測控儀器在面對現(xiàn)實問題中，我國也積極開展引進(jìn)虛擬儀器產(chǎn)品。 1997 年， NI 公司首次推出基于計算機(jī)的開發(fā)式的模塊化測試系統(tǒng) PXI，與 HP 公司主導(dǎo) VXI 模塊化測試系統(tǒng)形成強(qiáng)大競爭， 2020 年， NI 公司推出 Compact RIO 以及嵌入式可編程采集控制器模塊 ,以高可靠性、高實時性、低功耗等優(yōu)點獲得業(yè)內(nèi)好評。 第二階段：開放式儀器發(fā)展階段。 虛擬儀器是一種功能意義上的儀器，并不強(qiáng)調(diào)物理上的實現(xiàn)形式，在與傳統(tǒng)儀器同臺競爭方面，概括起來如下：一、豐富和增加了傳統(tǒng)儀器的功能，用戶可以根據(jù)運(yùn)用環(huán)境需要靈活的定義儀器，組合不同硬件資源構(gòu)建多用途儀器；二、突出了軟件地位，虛擬儀器與硬件交互限制較小，與其他設(shè)備 通訊連接方便，在模擬分析時虛擬儀器漂移現(xiàn)象可控，無需定期校準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化的總線通訊提高了測量精度、準(zhǔn)確度；三、開放的平臺，虛擬儀器用戶組建系統(tǒng)代碼，可以自由方便儀器功能、面板的修改，為用戶提供了寬范圍的使用空間；四、開放的工業(yè)對接標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計者利用虛擬儀器開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)設(shè)計、使用和管理的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，生產(chǎn)維護(hù)和開發(fā)費(fèi)用低，提高儀器市場競爭力和使用效率；五、構(gòu)建系統(tǒng)便捷，虛擬儀器既可以作為測試系統(tǒng)獨(dú)立使用，也可以通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成分布式測試系統(tǒng)、遠(yuǎn)程測試、監(jiān)控與故障診斷等，與軟件結(jié)合使用降低了開發(fā)成本；六、虛擬儀器 可編程性，虛擬具有強(qiáng)大的圖形用戶界面（ GUI），計算機(jī)可以實時、直接進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯，通過分析軟件進(jìn)行軟件編程的修改、編輯，也可以利用計算機(jī)存儲功能記錄數(shù)據(jù)、分享數(shù)據(jù)等 [4]。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器除了在性能、易用性、用戶可定制性等方面具有更多優(yōu)點外，在工程應(yīng)用和社會經(jīng)濟(jì)效 2 益方面也獨(dú)樹一幟。因此，溫度參數(shù)實時檢測具有實用價值，便于溫度超出正常范圍內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度波動影響產(chǎn)品品質(zhì)，甚至?xí)?dǎo)致產(chǎn)品報廢，在能源和生物領(lǐng)域，溫度不穩(wěn)定會造成能源供應(yīng)系統(tǒng)受阻，生物產(chǎn)品不達(dá)標(biāo)等。 本設(shè)計介紹了一種基于 LabVIEW 編程軟件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計方案，該方案采用了 DS18B20 溫度傳感器作為溫度采集介質(zhì)，處理器 STC89C52作為溫度采集模塊的控制芯片。系統(tǒng)設(shè)計具有實用價值，可以完成醫(yī)療衛(wèi)生、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)研究、公共交通和活動場所等領(lǐng)域的溫度數(shù)據(jù)采集工作。 在社會生產(chǎn)環(huán)境中，生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部與外界的熱傳遞總會以各種方式進(jìn)行熱量交換，系統(tǒng)內(nèi)部熱源的干擾也是變化莫測。虛擬儀器提出的主要思想是利用模塊化硬件設(shè)計，結(jié)合軟件完成各種測試、測量和自動化應(yīng)用。用戶可以植入系統(tǒng)算法應(yīng)用于虛擬儀器，提供傳統(tǒng)臺式儀器不 具備的功能，而且完全可以通過軟件配置實現(xiàn)多功能集成于一體的儀器系統(tǒng)。 LabVIEW 軟件采 3 用圖形化語言代替代碼編程，將傳統(tǒng)意義上的硬件設(shè)計 和代碼語法轉(zhuǎn)化為軟件流程和整體功能布局，大大簡化了編程流程，提高了編程效能，以其獨(dú)特生命力贏得工程技術(shù)人員支持。隨著總線標(biāo)準(zhǔn)的確立和模塊化儀器架構(gòu)的出現(xiàn)，實現(xiàn)了模塊化儀器構(gòu)架通過總線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)成為系統(tǒng)，相對獨(dú)立儀器來說減 少了系統(tǒng)集成時間，提高了響應(yīng)性和簡便性，此外虛擬儀器平臺不斷完善贏得行業(yè)認(rèn)可，從而也為儀器工具標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展起到推動作用。 國內(nèi)發(fā)展情況 傳統(tǒng)的儀器測控系統(tǒng)采用獨(dú)立式儀器儀表集中對被測環(huán)境、設(shè)備進(jìn)行參數(shù)監(jiān)控，用戶通過控制界面進(jìn)行集中操作。據(jù)了解國內(nèi)展開虛擬儀器技術(shù)研究、教學(xué)和開發(fā)的學(xué)校有清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、重慶大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、國防科技大學(xué)、四川大學(xué) 等數(shù)十所高校。 6 第 2章 系統(tǒng)方案設(shè)計 設(shè)計任務(wù) 課題設(shè)計任務(wù)是利用 LabVIEW 的串口通信模塊，采集來自單片機(jī)獲得的數(shù)據(jù)采集信號，并在 LabVIEW 上實時繪圖顯示，并通過設(shè)置數(shù)據(jù)采集信號數(shù)值上下限，當(dāng)采集信號高 出或者低于預(yù)警線時，界面會出現(xiàn)相應(yīng)的提示，同時能夠?qū)Σ杉男盘栠M(jìn)行存儲，在進(jìn)行歷史記錄調(diào)用時候可以顯示出原始數(shù)據(jù)采集記錄。在信號處理分析過程中一般設(shè)置信號采集樣本為 510,采集樣本信息過大會導(dǎo)致處理數(shù)據(jù)量大，處理速度慢影響信號處理質(zhì)量。傳感器數(shù)據(jù)傳輸以濕度、溫度數(shù)據(jù)的 40Bit 為單位一次性傳給單片機(jī)，采用校驗和的方式檢測傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否。 DS18B20 測溫原理 DS18B20 溫度傳感器主要有 64 位 ROM、高速緩沖存儲器、 CRC 生成器、溫度敏感器件、高低溫觸發(fā)器及配置寄存器等部件組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 24 所示。溫度值以 ℃ /LSB 形式表現(xiàn)出來，即溫度值為溫度寄存器里的二進(jìn)制乘以 ，就是實際的十進(jìn)制溫度值，DS18B20 采樣值與溫度關(guān)系如表 21 所示。 圖 32 信號采集結(jié)構(gòu)圖 單 片 機(jī) 通訊口 上 位 機(jī) ： 個 人 計 算機(jī)、專用計算機(jī) LCD顯示 數(shù)字 I/O AD/DA轉(zhuǎn)換 液晶顯示 結(jié)果顯示模塊 溫 度 采 集 模 塊 數(shù)據(jù)處理 模塊 LabVIEW系統(tǒng) 13 虛擬儀器硬件分為基礎(chǔ)硬件平臺和外圍測試設(shè)備，其中基礎(chǔ)平臺包括計算機(jī)，外圍測試設(shè)備主要有 GPIB 系統(tǒng)、 VXI 系統(tǒng)、 PXI 系統(tǒng)、 DAQ 系統(tǒng)或者串口系統(tǒng)等，常用有 RS232 或 USB 串口總線的便捷式數(shù)據(jù)采集模塊。 采集模塊和上位機(jī)通訊采用串行通信，波特率設(shè)置為 4800、采用奇偶校驗，數(shù)據(jù)位為 8 位。 采用開發(fā)板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計主要是結(jié)合系統(tǒng)后期升級擴(kuò)展需要，例如在溫度采集閉塞環(huán)境中，需要降溫或者升溫可以通過開發(fā)板其他I/O 口加上開發(fā)板上的電機(jī)驅(qū)動模塊實現(xiàn)，鍵盤可以實現(xiàn)下位機(jī)自身調(diào)試，實時模塊可以進(jìn)行下位機(jī)實時數(shù)據(jù)記錄等。 17 主電路圖 單片機(jī)硬件仿真系統(tǒng)設(shè)置采用 LM016L 顯示器，根據(jù)相應(yīng)的芯 片對比，開發(fā)板采用 LCD1602 與 LM016L 測試原理和讀寫時序一樣，在進(jìn)行仿真變成過程只需對相應(yīng)資源進(jìn)行部分更改，主電路如圖 38 所示 [16]。程序框圖提供 VI 程序的圖形化源程序，具體表現(xiàn)為函數(shù)、結(jié)構(gòu)、連線等，程序框圖如圖 42 所示。 讀時序也是由讀 1 時序和讀 0 時序組成，如圖 47 所示 。 前面板主頁界面 主頁頁面主要是用戶登錄界面，用戶通過輸入用戶名 、密碼進(jìn)入到溫度測試系統(tǒng)，同時在登錄過程中如果密碼或者用戶名輸入錯誤將不能登錄，系統(tǒng)將阻止非用戶查看溫度數(shù)據(jù)資料信息，登錄界面如圖 49 所示 。 VISA 讀取函數(shù)從 VISA 資源名稱指定的設(shè)備或接口中讀取指定數(shù)量的字節(jié)，并使數(shù)據(jù)返回至讀取緩沖區(qū)。 圖 51 一次測試記錄 ，將傳感器放置于電腦散熱風(fēng)口并記錄參數(shù) 測試準(zhǔn)確性驗證，具體如圖 52 所示。 ，只能進(jìn)行溫度顯示和超限度報警，不能勝任對溫度敏感工藝場所，無法完成溫度維持在某個限度范圍內(nèi)。為了提高系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用能力，在設(shè)計過程中將采集信號設(shè)置為溫度。孫老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時還在思想、生活上給我方向性引導(dǎo)，在此謹(jǐn)向我的指導(dǎo)老師孫老師表達(dá)最崇高的敬意。最終匯聚成一句話：感謝你們一直支持我，不離不棄。 畢業(yè)設(shè)計的順利完成，離不開其它各位老師、同學(xué)的關(guān)心和幫助。后期經(jīng)過調(diào)試改善，設(shè)計的系統(tǒng)基本可達(dá)到設(shè)計任務(wù)要求，主要成果如下： (1)實現(xiàn)了用 STC89C52 通過 DS18B20 測量周圍環(huán)境的溫度 ,通過串口將測試溫度值發(fā)送到上位機(jī)； (2)學(xué)會了 LabVIEW 的初級使用方法； (3)用 LabVIEW 編 寫了一串口通信程序，可以將下位機(jī)發(fā)送上來的溫度數(shù)據(jù)送往顯示控件顯示。設(shè)置溫度補(bǔ)償功能，當(dāng)溫度高出預(yù)警值時候進(jìn)行溫度降溫處理，溫度低于預(yù)警值時候進(jìn)行升溫處理，具體做法可以通過設(shè)置電機(jī)控制模塊，溫度高時進(jìn)行驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行制冷處理，溫度低時驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行加熱處理維持溫度在限度范圍內(nèi)。 圖 55 歷史記錄回放 綜上所述，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)具有實時性，數(shù)據(jù)記錄可以進(jìn)行保存、調(diào)用，可以實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)記錄追溯，系統(tǒng)溫度采集與實際環(huán)境溫度有一定偏差，主要受到溫度采集模塊精度限制，偏差范圍在 177。 圖 413 串口通訊程序框圖 溫度顯示和波形顯示模塊 溫度顯示和波形顯示模塊程序框圖主要是溫度記錄的顯示和波形顯示，記錄顯示主要包括實時顯示，數(shù)據(jù)記錄顯示、溫度計顯示，波形顯示主要實時顯示溫度變化波形，具體如圖 4