【正文】 14 所示 。溫度采集主要用保存采集溫度數據，在 VI 模塊中自動生成相應的溫度記錄文件，如圖 410 實時數據測控界面所示 [20]。根據溫度采集模塊設計流程圖，按以下步驟編程 [18]： 第一步 在 KEIL 軟件中新建項目，并命名為 PRO 并保存； 第二歩 在項目中依次新建主函數 main、溫度模塊函數 temp、顯示函數 lcd 并編譯調試； 第三步 將編譯好生成的 文件放入至硬件仿真電路中，初步驗 22 證編程程序是否和硬件匹配，并進行電路仿真，詳細的程序代碼見附件； 第四步 編輯好的程序植入溫度采集模塊中，并進行初步調試； 第五步 驗證溫度采集模塊測試溫度的準確性，具體方法為采集模塊測試溫度與溫度計測試溫度對比； 第六步 溫度采集模塊與上位機連接調試，具體如圖 48 所示。主程序主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理 DS18B20測量當前溫度值，溫度測量采用間隔掃描讀出溫度值，溫度采集模塊軟件流程圖如圖 43 所示 [17]。此外，系統(tǒng)硬件調試應保持相對獨立性，根據實際情形設計出相應電路。 圖 36 DS18B20 接口電路 振蕩與復位電路 單片機工作需要時鐘信號， AT89C51 內部有一個用于構成振蕩器的單級反相放大器，引腳 XTAL1 為反相輸入端， XTAL2 為反相器輸出端。 單片機最小系統(tǒng)介紹 下位機包括硬件電路和單片機軟件編程兩個部分，整個數據采集測試系統(tǒng)中主要起到溫度檢 測和溫度數據格式轉換功能，相當于數據采集系統(tǒng)的 “眼睛 ”。串行通信接口電路一般由可編程串行接口芯片、波特率發(fā)生器、 EIA 與 TTL 電 平轉換器以及地址譯碼電路組成。 本章小結 本章論述了系統(tǒng)設計方案確定過程，從系統(tǒng)設計任務出發(fā)，將數據采集系統(tǒng)具體設定為溫度采集，在系統(tǒng)信號采集模塊選擇上由傳統(tǒng) A/D 和D/A 信號采集轉換為芯片內部集成 A/D 模塊的傳感器，直接將采集到的溫度模擬信號量轉換數字信號量傳輸給單片機處理。 64位ROM及 一線總線接口 存儲器和控制器 高速緩沖 存儲器 8位 CRC生成器 溫度敏感元件 低溫觸發(fā)器 TL 高溫觸發(fā)器 TH 配置寄存器 電源檢測 10 DS18B20 擁有 64 位 ROM，低 8 位表示產品類型標識，高 8 位表示低56 位循環(huán)冗余校驗碼，中間 48 位表示序列號，可以實現一根總線掛多個DS18B20。具有采樣 /保持、模數轉換、串口數據輸出功能，接口電壓標準為，工作溫度范圍 40℃ ～ +85℃ ，功耗小于 。 DS18B20 介紹 DS18B20 作為測試系統(tǒng)的數據采集傳感器，采用即插即用元器件鏈接方式，便于數據采集，適應性強，抗干擾能力強，精度高，測溫范圍 55℃ ~+155℃ ，誤差為 177。 數據采集的本質是還原采集信號的真實值，不同類型的采集系統(tǒng)因采集模塊不同設計，在進行數據采集時總會顯示出較大差異。業(yè)內人士根據市場需求統(tǒng)計預測，我國虛擬儀器行業(yè)的產值未來 十年內將超過儀器儀表行業(yè)總產值的 50%。因此，由計算機控制配置控制模塊組成的測控系統(tǒng)，系統(tǒng)內控制模塊單元通過各種總線互連實現信息的傳輸共享成為服務測控主流。在硬件結構上包羅了各種總線結構的數據采集和儀器控制模塊，軟件上表現為 NI 公司推出的 LabVIEW 和 LabWindows/CVI 和 HP 公司打造的 VEEE，他們在各自的領域服務并贏得了行業(yè)認可 [9]。 GPIB 總線標準確立后只需 將傳統(tǒng)儀器通過 GPIB 和 RS232 連接至計算機端口，用戶就可以從測量儀器獲取數據，借助計算機平臺和虛擬儀器軟件工具來實現對數據的分析處理與顯示。 在機構和功能上，虛擬儀器利用現代計算機技術，配置現代裁剪硬件和專用軟件，不僅具備普通儀器的基本功能，而且擁有一些普通儀器不具有的功能；在使用方面，虛擬儀器利用可視化的圖形開發(fā)環(huán)境，建立直觀、靈活、高效的虛擬儀器面板，可以有效地提高儀器使用效率 [3]。然而，虛擬儀器只需在必要的數據采集硬件和通用計算機支持下，通過軟件設計實現儀器的全部功能變更。因此，對溫度的控制精度要求比較高的情況下，禁止出現溫度過沖現象，即不應許實際溫度超過控制的目標溫度，特別是隔熱效果較好的系統(tǒng)環(huán)境，溫度一旦出現過沖，將難以迅速實現溫度下降。溫度數據無處不在存在于周圍環(huán)境，溫度實時變化對我們生活、生產產生重要影響。現代電子檢測技術正朝著高集成度、低功耗、可編程以及數字化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)指針式儀器儀表不能進行溫度參數數字化處理與分享。 系統(tǒng)設計完成后進行了性能測試，表明該系統(tǒng)能夠對被測環(huán)境完成實時數據采集，存儲、信號分析和實時圖形顯示等工作，系統(tǒng)設計簡單、通用性好、可移植、易于操作、成品低可滿足一部分市場需求。為了促使生產系統(tǒng)與外界的熱能量交換盡可能的符合生產工藝要求，就需要采取控制技術來實現生產系統(tǒng)內部溫度處于一個相對穩(wěn)定理想值。具體到測量技術上是指在通用的計算機平臺上設計測試系統(tǒng)，用戶操作這臺計算機就可以對被測環(huán)境完成測試任務。 虛擬儀器介紹 虛擬儀器的概念由美國儀器公司提出，在計算機基礎上通過增加相關硬件和軟件構成，具有可視化界面的儀器，利用高性能的模塊化硬件設計，結合功能高效的軟件來完成數據采集與控制、數據處理與分析、數據顯示等物理功能。隨后，美國 NI 公司提出 “軟件就是儀器 ”，開辟了虛擬儀器新方向。 虛擬儀器技術發(fā)展現狀 國外發(fā)展情況 虛擬儀器概念起源于上世紀 80 年代，由美國 NI 公司提出，一直成為發(fā)達國家自動測控領域研究的重點和應用前沿。以計算機為主體，配置檢測裝置、執(zhí)行機構與被控對象 (生產過程 )共 同構成計算機測控系統(tǒng)，系統(tǒng)中的計算機實現生產過程的檢測、監(jiān)督和控制功能，然而該系統(tǒng)通信協議不開放，檢控功能單一，因此這種測控系統(tǒng)是一個自封閉系統(tǒng) [11]。 NI 公司也已在 2020 年提出了 “NI 中國高校推廣計劃 ”，從而進一步打開中國虛擬儀器發(fā)展市場。為了提高系統(tǒng)設計應用能力，在設計過程中將采集信號設置為溫度。信號采集完成需要進行信號分析處理，根據采樣信息和控制中心設置相應的信號處理 算法，控制中心根據算法結果做出一定決策來實現數據信息的 7 最終目的。傳感器工作電壓 3V~，濕度測量范圍 2090%RH，溫度測量范圍 050℃ ，運用于暖通空調、氣象站等。 圖 24 DS18B20 內部結構圖 DS18B20 內部計數器 1 是一個對溫度影響小的低溫度系數產生固定頻率的脈沖信號振蕩器，低溫時振蕩器的脈沖可以通過門電路，而當到達某一設置高溫時振蕩器的脈沖無法通過門電路。通過觀察表 22 DS18B20 采樣值與溫度關系可以發(fā)現一個十進制和二進制之間有很明顯的關系，就是把二進制的高字節(jié)的低半字節(jié)和低字節(jié)的高半字節(jié)組成一個字節(jié)，這個字節(jié)的二進制化為十進制后，就是溫度值的百、十、個位值，而剩下的低字節(jié)的低半字節(jié)化成十進制后，就是溫度值的小數部 分。一般通用硬件平臺具有兩種基本功能分別為采集信號和產生信號，它們分別以實現 A/D 轉換和 D/A 轉換功能為核心，配置一定信號脈沖、數據存儲、數據 I/O 等功能，最終完成信號采集、產生、控制，完成模擬環(huán)境下數據測試。單片機與上位機傳送連接由高到低排序分別為：啟用終止符、終止符、超時、數據位（ 8 位）、奇偶校驗位、錯誤輸入、停止位、流控制、錯誤輸出。 數據采集系統(tǒng)主要電路 采用數字溫度芯片 DS18B20 測量溫度，輸出信號數字化，單總線傳輸。 圖 38 主電路 本章小結 本章 節(jié)主要進行系統(tǒng)硬件設計，包括系統(tǒng)仿真和相關器件參數選擇。圖標 /連接器作為圖形化參數，具體表現為子 VI 調用。 圖 47 DS18B20 的讀時序 讀 操作時單片機首先拉低總線至少 1us，單片機釋放總線后，總線電平就由 DS18B20 器件決定，但 DS18B20 器件發(fā)出的數據僅能保持 15us，所以單片機應 15us 內采樣總線電平。 圖 49 主頁界面 23 前面板實時數據測控 實時數據測控界面包括 VISA 設置、溫度報警限度設置、溫度數據顯示、溫度波形顯示、溫度計顯示、實時溫度數據顯示、溫度采集等。 VISA 配置串口 VI 主要有 VISA 資源名稱確認、波特率設置為 4800,、數據比特（ 8）以及奇偶（ 0）等，使 VISA 資源名稱指定的串口按特定設置初始化，通過連線數據至 VISA 資源名稱 輸入端口可確定要使用的多態(tài)實例。 圖 52 二次測試記錄 27 實時性驗證，具體如圖 53 所示。 ，容易造成溫度測試參數被無關用戶刪除。 在設計溫度采集模塊這一方面，剛開始我是通過以前買的面包板和散裝的電子元器件進行模塊制造，但是最終沒能成功。 此外，我也感謝電子發(fā)燒友這個平臺，為我提供了大量的資料，論壇里面的前輩們更是對我悉心指導，讓我獲益匪淺，讓我想起一句話 “努力是自己的，成績是大家的 ”。 現在即將揮別我的學校、老師、同學，還有我的大學生活，雖然依依不舍，但是對未來的路，我充滿了信心。時光匆匆飛逝，大學的努力與付出，隨著畢業(yè)設計的完成，給我的大學生涯劃下一個完美的句號。 經過一段時間學習和交流，我根據一些設計案例，慢慢模仿一些簡單的設計例子，在技術論壇中我認識一位熟悉 LabVIEW 編程的前輩，她對我進行了很多輔導，導致最終系統(tǒng)設計模塊確定下來。 在后續(xù)進行數據系 統(tǒng)升級過程中需重點完成登錄界面功能，優(yōu)化測量程序和溫度采集模塊，減小溫度測量誤差。 圖 54 測試一致性驗證 ，驗證數據保存歷史記錄功能，具體如圖 55。如圖 413 串口通訊程序框圖所示 。實時溫度數據顯示主要是對溫度采集模塊進行實時溫度顯示，與溫度數據顯示一致。 KEIL C51 是作為單片機 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發(fā)調試工具，可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發(fā)流程。 圖 41 LabVIEW 前面板結構圖 圖 42 LabVIEW 程序框圖 19 下位機程序設計 系統(tǒng)程序包括主程序、讀取溫度子程序、數據轉換子程序、顯示程序子程序等。在設計過程需要進行元器件選擇，以免在硬件設計過程中出現設計缺陷。 圖 35 硬件結構圖 LCD 顯示 DS18B20 溫度傳感 器 電 源 電 路 復 位 電 路 時鐘振蕩電路 89C52 16 DS18B20 與單片機接口電路 溫度傳感器 DS18B20 芯片數據端 2 引腳連接到單片機的 引腳，向單片機傳送溫度測量值， 1 引腳接地， 3 引腳和數據端 2 引腳之間接一個電阻后接電源 VCC，外接電阻主要是限流作用，防止電流過大燒毀傳感器，同時這樣實現對溫度的檢測，具體如圖 36 所示 [13]。停止位進行幀結束的停止位數量，奇偶校驗位進行傳輸數據校驗。 串口通訊 串口通信是外設和計算機間，通過數據信號線、地線、控制線等，按位進行傳輸數據的一種通訊方式。 表 21 DS18B20 采樣值與溫度關系 二進制 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 十進制 0 0 1 1 2 3 3 4 5 5 6 6 7 8 8 9 表 22 DS18B20 采樣值與溫度關系 二進制采樣值 十六進制表示 十進制溫度 / ℃ 0000 0111 1101 0000 07D0H +125 0000 0001 1001 0001 0191H + 0000 0000 0000 0000 0000H 0 1111 1110 0110 1111 FE6FH 1111 1100 1001 0000 FC90H 55 例如： 07D0H 7DH=125 溫度值 125℃ ； 0191H 19H=25 1*= 溫度值 ℃ ； 0000H 溫度值為 0； FE6FH 1110 0110 1111 取補為 0001 1001 0001 (91H） 溫度值為 ℃ ； FC90H 1100 1001 0000 取補為 0011 0111 0000（ 370H） 37H=55 溫度值為 55℃ 。計數器 1 和溫度寄存器預置為 55℃ 時對應相應基數值，計數器 1 對低溫度系數晶振發(fā)出的固定頻率脈沖信號進行減法計數處理，計數器 1 預設值減至 0 時且門電路未關閉，則溫度寄存器的值將 +1（溫度高于 55℃ ），同 時計數器 1 的預設值將被重新裝入開始新一輪采集低溫度系數晶振發(fā)出的固定頻率脈沖信號，循環(huán)至計數器 2 計數到 0 時，停止溫度寄存器值累加，溫度寄存器值為所測溫度，電路對振蕩器的溫度系數進行補償，斜率累