【正文】 現(xiàn)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。最后要感謝的就是我的工作領導和同事，感謝在我做畢業(yè)設計時候給我提供時間，為我分擔工作任務。在整個的設計中，許多老師、同學也參與其中，為我的系統(tǒng)設計提供了許多指導性建議和意見。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。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 ”。從課題的選擇到項目的最終完成，孫老師給我提出了許多建議，特別是在系統(tǒng)功能方面，孫老師更是孜孜不倦。 30 致謝 該設計及學位論文是在孫克偉老師的帶領和悉心指導下完成的。 經(jīng)過一段時間學習和交流，我根據(jù)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。下位機主要通過單片機作為數(shù)據(jù)采集模塊， 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?qū)Σ杉男盘栠M行存儲，在進行歷史記錄調(diào)用時候可以顯示出原始數(shù)據(jù)采集記錄。 本章小結 系統(tǒng)調(diào)試主要是對周圍環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集，將溫度信號通過采集模塊傳輸至單片機，單片機將采集的數(shù)據(jù)通過通訊線路上傳至上位機系統(tǒng)，根據(jù) 系 統(tǒng) 設 計 任 務 不 斷 優(yōu) 化 系 統(tǒng) 設 計 。 在后續(xù)進行數(shù)據(jù)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。 ，容易造成溫度測試參數(shù)被無關用戶刪除。 28 系統(tǒng)評估升級 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要面向?qū)ο笫菧囟?，在系統(tǒng)調(diào)試過過程中還面臨以下問題點： ，不能適應對溫度要求變化小的測試場所?！?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 54 測試一致性驗證 ，驗證數(shù)據(jù)保存歷史記錄功能，具體如圖 55。 圖 52 二次測試記錄 27 實時性驗證，具體如圖 53 所示。 26 第 5章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)試 系統(tǒng)調(diào)試 根據(jù)設計程序和仿真結果進行系統(tǒng)調(diào)試，具體調(diào)試步驟如下： LabVIEW 軟件和 VISA 驅(qū)動，在電腦桌面生成圖標 ； USB 串口連接到電腦，并安裝驅(qū)動程序，在電腦設備管理器中出現(xiàn)顯示 ； OK 后，打開 LabVIEW 應用軟件并開啟數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)，同時打開溫度模塊進行溫度測試； 設置好波特率4800 然后進行數(shù)據(jù)溫度采集； ，測試記錄如下圖 51 所示。 圖 414 溫度顯示和波形顯示框圖 25 本章小結 本章主要進行系統(tǒng)軟件程序設計，包括上位機和下位機程序編寫。如圖 413 串口通訊程序框圖所示。 VISA 配置串口 VI 主要有 VISA 資源名稱確認、波特率設置為 4800,、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)至 VISA 資源名稱輸入端口可確定要使用的多態(tài)實例。 圖 412 用戶登錄界面 串口通訊程序框圖 串口通訊設置主要配置 VISA 串口函數(shù)、 VISA 讀寫串口函數(shù)、 VISA關閉串口函數(shù)。 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。實時溫度數(shù)據(jù)顯示主要是對溫度采集 模塊進行實時溫度顯示，與溫度數(shù)據(jù)顯示一致。 圖 49 主頁界面 23 前面板實時數(shù)據(jù)測控 實時數(shù)據(jù)測控界面包括 VISA 設置、溫度報警限度設置、溫度數(shù)據(jù)顯示、溫度波形顯示、溫度計顯示、實時溫度數(shù)據(jù)顯示、溫度采集等。程序框圖設計主要負責上位機程序中算法、邏輯等功能，是程序運行的核心 [19]。 圖 48 溫度采集模塊程序 上位機程序設計 上位機程序設計分為兩部分，前面板設計和程序框圖設計。 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(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。 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(shù)據(jù)僅能保持 15us，所以單片機應 15us 內(nèi)采樣總線電平。 圖 46 DS18B20 的寫時序 寫 0 時序時單片機拉低總線并保持低電平至少 60us，然后釋放總線；寫 1 時序，單片機拉低總線，在 15us 內(nèi)要釋放總線。 圖 43 程序流程圖 初始化程序 單片機與 DS18B20 器件進行通信是以初始化開始，初始化序列包括單片機產(chǎn)生復位脈沖和 DS18B20 器件回應的應答脈沖，如圖 44 所示。 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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序、顯示程序子程序等。圖標 /連接器作為圖 形化參數(shù)，具體表現(xiàn)為子 VI 調(diào)用。 一個完整的 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境由基本模塊和擴展模塊組成，引擎部分是整個圖像化開發(fā)環(huán)境的核心，包括編輯模塊、運行模塊和調(diào)試模塊，程序組成有前面板、程序框圖、圖標 /連結器，前面板是圖形用戶界面，負責用戶輸入和顯示輸出，具體表現(xiàn)為開關、按鈕、圖形等，前面板結構圖如圖 41 所示。 18 第 4章 采集系統(tǒng)軟件設計 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)動和應用軟件，操作系統(tǒng)是虛擬儀器運行基礎平臺，儀器驅(qū)動是控制硬件接口驅(qū)動程序，負責連接硬件與軟件通訊信號；應用軟件負責虛擬儀器程序編程、調(diào)試等 。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(xiàn)設計缺陷。 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(shù)選擇。 圖 37 振蕩與復位電路 復位電路一般有上電復位、手動開關復位、自動復位等 幾種復位形式形式，一般單片機系統(tǒng)模塊中復位電路由上電復位和手動開關復位組成，上電復位是單片機上電后 RST 引腳瞬間獲得高電平，隨著電容 C 充電完成后形成短路，復位引腳電平開始下降最終由高電平變?yōu)榈碗娖?，實現(xiàn)復位動作，復位變?yōu)榈碗娖綍r，單片機開始執(zhí)行程序，振蕩與復位電路如圖37 所示 [15]。單片機在開機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循環(huán)狀態(tài)等情況下都需要復位。 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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)對溫度的檢測，具體如圖 36 所示 [13]。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要電路 采用數(shù)字溫度芯片 DS18B20 測量溫度，輸出信號數(shù)字化，單總線傳輸。步進電機驅(qū)動模塊采用 ULN20xxA 驅(qū)動芯片，接五相四線步進馬達， 接口引出，也可以實現(xiàn) PWM 脈沖控制電機。下位機開發(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、步進電機驅(qū)動模塊、 DS18B20 溫度采集模塊、無線接口模塊、獨立鍵盤模塊、 DS1302 萬年歷顯示模塊、 LED 點陣模塊、 CPU 控制中心等。停止位進行幀結束的停止位數(shù)量，奇偶校驗位進行傳輸數(shù)據(jù)校驗。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(shù)據(jù)位（ 8 位）、奇偶校驗位、錯誤輸入、停止位、流控制、錯誤輸出。 圖 34 CH340G 通訊結構圖 CH340 芯片內(nèi)置上拉電阻， UD+和 UD分別連接至 USB 總線上，配置電源上電復位電路， XI 和 XO 引腳外接 12MHZ 晶體振動器，為芯片提供 12MHZ 時鐘信號， TXD 引腳和 RXD 引腳負責進行數(shù)據(jù)傳輸。CH340 作為單片機開發(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。 串口通訊 串口通信是外設和計算機間，通過數(shù)據(jù)信號線、地線、控制線等，按位進行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式。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(chǎn)生信號，它們分別以實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換和 D/A 轉(zhuǎn)換功能為核心，配置一定信號脈沖、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù) I/O 等功能，最終完成信號采集、產(chǎn)生、控制，完成模擬環(huán)境下數(shù)據(jù)測試。 圖 31 系統(tǒng)硬件構成示意圖 A/D 和 D/A 模塊設計 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計包括硬件和軟件兩大部分，硬件主要是獲取現(xiàn)實環(huán)境的被測信號，為信號采集與控制提供物理傳輸通道，軟件用來控制測試環(huán)境的數(shù)據(jù)采集、處理、分析、顯示等物理功能，通過不同的軟件實現(xiàn)不同虛擬儀器功能，測試系統(tǒng)結構如圖 32 所示。 12 第 3章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計任務負責采集測試環(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 PC 端，上位機借用 LBVIEW 軟件構建數(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。 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℃ 。通過觀察表 22 DS18B20 采樣值與溫度關系可以發(fā)現(xiàn)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(shù)部分。 圖 25 DS18B20 測溫內(nèi)部結構圖 測試參數(shù)分析