【正文】 最終匯聚成一句話：感謝你們一直支持我，不離不棄。 畢業(yè)設計的順利完成，離不開其它各位老師、同學的關心和幫助。孫老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想、生活上給我方向性引導，在此謹 向我的指導老師孫老師表達最崇高的敬意。后期經(jīng)過調試改善，設計的系統(tǒng)基本可達到設計任務要求，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； (2)學會了 LabVIEW 的初 級使用方法； (3)用 LabVIEW 編寫了一串口通信程序，可以將下位機發(fā)送上來的溫度數(shù)據(jù)送往顯示控件顯示。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。設置溫度補償功能，當溫度高出預警值時候進行溫度降溫處理，溫度低于預警值時候進行升溫處理，具體做法可以通過設置電機控制模塊，溫度高時進行驅動電機進行制冷處理，溫度低時驅動電機進行加熱處理維持溫度在限度范圍內。 ，只能進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。 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)記錄可以進行保存、調用，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 51 一次測試記錄 ，將傳感器放置于電腦散熱風口并記錄參數(shù) 測試準確性驗證，具體如圖 52 所示。 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 414 所示。 VISA 讀取函數(shù)從 VISA 資源名稱指定的設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)。溫度采集主要用保存采集溫度數(shù)據(jù)，在 VI 模塊中自動生成相應的溫度記錄文件，如圖 410 實時數(shù)據(jù)測控界面所示 [20]。 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。根據(jù)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(shù) main、溫度模塊函數(shù) temp、顯示函數(shù) 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。 讀時序也是由讀 1 時序和讀 0 時序組成，如圖 47 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]。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)、結構、連線等，程序框圖如圖 42 所示。此外，系統(tǒng)硬件調試應保持相對獨立性，根據(jù)實際情形設計出相應電路。 17 主電路圖 單片機硬件仿真系統(tǒng)設置 采用 LM016L 顯示器，根據(jù)相應的芯片對比，開發(fā)板采用 LCD1602 與 LM016L 測試原理和讀寫時序一樣，在進行仿真變成過程只需對相應資源進行部分更改，主電路如圖 38 所示 [16]。 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。 采用開發(fā)板進行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計主要是結合系統(tǒng)后期升級擴展需要，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)板上的電機驅動模塊實現(xiàn)，鍵盤可以實現(xiàn)下位機自身調試，實時模塊可以進行下位機實時數(shù)據(jù)記錄等。 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(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)中主要起到溫度檢測和溫度數(shù)據(jù)格式轉換功能，相當于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的 “眼睛 ”。 采集模塊和上位機通訊采用串行通信，波特率設置為 4800、采用奇偶校驗，數(shù)據(jù)位為 8 位。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。 圖 32 信號采集結構圖 單 片 機 通訊口 上 位 機 ： 個 人 計 算機、專用計算機 LCD 顯示 數(shù)字 I/O AD/DA 轉換 液晶顯示 結 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硬件平臺和外圍測試設備，其中基礎平臺包括計算機，外圍測試設備主要有 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。 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(shù)據(jù)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(shù)字信號量傳輸給單片機處理。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制乘以 ，就是實際的十進制溫度值，DS18B20 采樣值與溫度關系如表 21 所示。 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(xiàn)一根總線掛多個DS18B20。 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，內部 結構圖如圖 24 所示。具有采樣 /保持、模數(shù)轉換、串口數(shù)據(jù)輸出功能，接口電壓標準為，工作溫度范圍 40℃ ～ +85℃ ，功耗小于 。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，采用校驗和的方式檢測傳輸數(shù)據(jù)的準確與否。 DS18B20 介紹 DS18B20 作為測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集傳感器，采用即插即用元器件鏈接方式，便于數(shù)據(jù)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。在信號處理分析過程中一般設置信號采集樣本為 510,采集樣本信息過大會導致處理數(shù)據(jù)量大，處理速度慢影響信號處理質量。 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集時總會顯示出較大差異。 6 第 2章 系統(tǒng)方案設計 設計任務 課題設計任務是利用 LabVIEW 的串口通信模塊，采集來自單片機獲得的數(shù)據(jù)采集信號，并在 LabVIEW 上實時繪圖顯示，并通過設置數(shù) 據(jù)采集信號數(shù)值上下限，當采集信號高出或者低于預警線時，界面會出現(xiàn)相應的提示，同時能夠對采集的信號進行存儲，在進行歷史記錄調用時候可以顯示出原始數(shù)據(jù)采集記錄。業(yè)內人士根據(jù)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%。據(jù)了解國內展開虛擬儀器技術研究、教學和開發(fā)的學校有清華大學、中國科學技術大學、哈爾濱工業(yè)大學、重慶大學、復旦大學、上 海交通大學、國防科技大學、四川大學等數(shù)十所高校。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(xiàn)信息的傳輸共享成為服務測控主流。 國內發(fā)展情況 傳統(tǒng)的儀器測控系統(tǒng)采用獨立式儀器儀表集中對被測環(huán)境、設備進行參數(shù)監(jiān)控，用戶通過控制界面進行集中操作。在硬件結構上包羅了各種總線結構的數(shù)據(jù)采集和儀器控制模塊，軟件上表現(xiàn)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]。隨著總線標準的確立和模塊化儀器架構的出現(xiàn)，實現(xiàn)了模塊化儀器構架通過總線通信協(xié)議標 準互聯(lián)成為系統(tǒng)，相對獨立儀器來說減少了系統(tǒng)集成時間，提高了響應性和簡便性，此外虛擬儀器平臺不斷完善贏得行業(yè)認可，從而也為儀器工具標準化發(fā)展起到推動作用。 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(shù)據(jù)，借助計算機平臺和虛擬儀器軟件工具來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理與顯示。 LabVIEW 軟件采 3 用圖形化語言代 替代碼編程，將傳統(tǒng)意義上的硬件設計和代碼語法轉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，以其獨特生命力贏得工程技術人員支持。在機構和功能上，虛擬儀器利用現(xiàn)代計算機技術，配置現(xiàn)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]。用戶可以植入系統(tǒng)算法 應用于虛擬儀器，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)。然而，虛擬儀器只需在必要的數(shù)據(jù)采集硬件和通用計算機支持下，通過軟件設計實現(xiàn)儀器的全部功能變更。虛擬儀器提出的主要思想是利用模塊化硬件設計，結合軟件完成各種測試、測量和自動化應用。因此，對溫度的控制精度要求比較高的情況下，禁止出現(xiàn)溫度過沖現(xiàn)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(xiàn)過沖，將難以迅速實現(xiàn)溫度下降。 在社會生產環(huán)境中，生產系統(tǒng)內部與外界的熱傳遞總會以各種方式進行熱量交換，系統(tǒng)內部熱源的干擾也是變化莫測。溫度數(shù)據(jù)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。系統(tǒng)設計具有實用價值，可以完成醫(yī)療衛(wèi)生、工農業(yè)生產、科學技術研究、公共交通和活動場所等領域的溫度數(shù)據(jù)采集工作?，F(xiàn)代電子檢測技術正朝著高集成度、低功耗、可編程以及數(shù)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(shù)數(shù)字化處理與分享。 本設計介紹了一種基于 LabVIEW 編程軟件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計方案，該方案采用了 DS18B20 溫度傳感器作為溫度采集介質，處理器 STC89C52作為 溫度采集模塊的控制芯片。 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(shù)據(jù)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。在工業(yè)生產過程中，溫度波動影響產品品質，甚至會導致產品報廢，在能源和生物領域，溫度不穩(wěn)定會造成能 源供應系統(tǒng)受阻，生物產品不達標等。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(xiàn)生產系統(tǒng)內部溫度處于一個相對穩(wěn)定理想值。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進行相應的溫度補償。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。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，在工程應用和社會經(jīng)濟效 2 益方面也獨樹一幟。 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(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)處理與分析、數(shù)據(jù)顯示等物理功能。 虛擬儀器是一種功能意義上的儀器，并不強調物理上的實現(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)運用環(huán)境需要靈活的定義儀器，組合不同硬件資源構建多用途儀器；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，標準化的總線通訊提高了測量精度、準確度；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