虛擬溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

謝 檬，張安莉

（西安交通大學(xué) 城市學(xué)院，陜西 西安 710018）

傳統(tǒng)方法測(cè)量溫濕度多以熱電阻和熱電偶等溫度敏感元件，但都存在可靠性差，準(zhǔn)確度和精度低的缺點(diǎn)[1]。本設(shè)計(jì)采用VI界面，在單片機(jī)平臺(tái)上完成對(duì)溫度和濕度的實(shí)時(shí)測(cè)量。在系統(tǒng)的硬件方案設(shè)計(jì)中，采用帶有A/D轉(zhuǎn)換功能的DHT11溫濕度傳感器直接輸出的數(shù)字信號(hào)，通過單總線方式與下位機(jī)單片機(jī)通信，最后通過RS232串行接口將濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至上位機(jī)由LabVIEW處理分析和顯示報(bào)警等[2]。軟件設(shè)計(jì)中，在LabVIEW軟件平臺(tái)上采用G語言編寫運(yùn)行程序，模塊化的編程使得程序具有可讀性強(qiáng)、易于維護(hù)和方便升級(jí)的特點(diǎn)[3]。該系統(tǒng)包含溫濕度仿真模式、溫濕度實(shí)時(shí)設(shè)置與顯示模式、歷史數(shù)據(jù)記錄及歷史數(shù)據(jù)回讀模式等功能塊，可實(shí)現(xiàn)溫濕度設(shè)定值的實(shí)時(shí)設(shè)置、溫濕度超標(biāo)的實(shí)時(shí)報(bào)警、溫濕度曲線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史測(cè)控?cái)?shù)據(jù)記錄及回讀等。

圖1 溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Temperature and humiditymonitoring system structure diagram

1 虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含以下部分：控制對(duì)象建模、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)輸出接口電路設(shè)計(jì)及其他附屬功能的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用虛擬儀器技術(shù)搭建基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

各環(huán)節(jié)功能說明如下：

傳感器DHT11：采集待測(cè)的溫濕度信號(hào)并將其直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

數(shù)據(jù)傳輸：將傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)通過單總線方式傳入單片機(jī)。

89C51單片機(jī)：對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，并將其傳入上位機(jī)。

LabVIEW虛擬儀器：對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，顯示結(jié)果，超限報(bào)警等。

該系統(tǒng)數(shù)控部分采用89C51系列單片機(jī)控制，89C51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得89C51為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。

2 溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

基于LabVIEW的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。它主要由傳感器DHT11，單片機(jī)AT89C51最小系統(tǒng)，通信總線部分組成。

圖2 溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Temperature and humidity monitoring system structure diagram of hardware design

多路溫濕度采集采用單總線溫濕度采集系統(tǒng)，單片機(jī)的I/O口線作為總線掛接多個(gè)數(shù)字溫濕度傳感器DHT11，總線處高電平時(shí)，為DHT1提供電源。單片機(jī)通過巡回檢測(cè)，獲取各測(cè)溫點(diǎn)溫度，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡上，通過通信接口送上位機(jī)，同時(shí)可送LabVIEW軟件界面顯示，溫濕度超限時(shí)驅(qū)動(dòng)報(bào)警。

2.2 溫濕度傳感器DHT11采集流程圖

對(duì)多個(gè)DHT11進(jìn)行操作就能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的采集，DHT11的操作主要有以下幾個(gè)步驟：初始化，搜索DHT11，匹配DHT11，發(fā)送溫濕度轉(zhuǎn)換指令，讀取溫濕度值，如圖3所示。

圖3 溫濕度傳感器DHT11采集流程圖Fig.3 Temperature and humidity sensor DHT11 acquisition process

2.3 DHT11傳感器與下位機(jī)的通信過程

DHT11傳感器是通過單總線協(xié)議和下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。DHT11傳感器需要嚴(yán)格的讀寫協(xié)議來確保數(shù)據(jù)的完整性。整個(gè)讀寫分為，上位機(jī)發(fā)送起始信號(hào)，上位機(jī)接收下位機(jī)發(fā)來的握手響應(yīng)信號(hào)，讀“0”，和讀“1”4個(gè)步驟。所有的信號(hào)除主機(jī)啟動(dòng)復(fù)位信號(hào)外，全部都由DHT11產(chǎn)生。通過單總線訪問DHT11順序歸納如下：

1）主機(jī)發(fā)開始信號(hào)；2）主機(jī)等待接收DHT11響應(yīng)信號(hào)；3）主機(jī)連續(xù)接收40Bit的數(shù)據(jù)和校驗(yàn)和；4）數(shù)據(jù)處理。

傳感器數(shù)據(jù)輸出的是未編碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)（濕度、溫度、整數(shù)、小數(shù)）之間應(yīng)該分開處理。如果某次從傳感器中讀取如下5Byte數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 讀取的數(shù)據(jù)Tab.1 Read data

由以上數(shù)據(jù)就可得到濕度和溫度的值，計(jì)算方法：

humi（濕度）=byte4.byte3=45.0 （%RH）

temp（溫度）=byte2.byte1=28.0 （℃）

jiaoyan（校驗(yàn)）=byte4+byte3+byte2+byte1=73

3 溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件前面板設(shè)計(jì)

如圖4所示，前面板主要包括波形顯示窗口、當(dāng)前時(shí)間窗口、4個(gè)溫度報(bào)警上下限窗口、4個(gè)濕度報(bào)警上下限窗口、8個(gè)報(bào)警指示燈、1個(gè)溫度仿真數(shù)據(jù)輸入窗口、1個(gè)濕度仿真數(shù)據(jù)輸入窗口、1個(gè)模式選擇窗口以及退出按扭。

圖4 系統(tǒng)軟件前面板Fig.4 System software front panel

軟件主要實(shí)現(xiàn)波形實(shí)時(shí)顯示，采集模式、仿真模式、回放模式的切換，采集參數(shù)設(shè)置，仿真參數(shù)設(shè)置，報(bào)警界線設(shè)置等。在采集模式下可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示和同步保存。仿真模式下可以根據(jù)設(shè)置的仿真參數(shù)仿真出相應(yīng)波形。回放模式可以回放歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2 程序主要模塊

3.2.1 數(shù)據(jù)回放子程序

數(shù)據(jù)回放子程序程序的作用是對(duì)仿真模式和采集模式所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，以及對(duì)其處理。回放模式主要實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的顯示和分析，顯示主要分為波形顯示和表格顯示兩種方式，可以查詢指定時(shí)間段內(nèi)的記錄，并分別計(jì)算出這些記錄的平均值等信息。數(shù)據(jù)回放模式程序框圖完成讀取xls數(shù)據(jù)文件然后按列進(jìn)行處理計(jì)算出各列的平均值。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集子程序

數(shù)據(jù)采集子程序是利用LabVIEW中的VISA串口采集由下位機(jī)傳入的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集模式主要是通過VISA串口獲得由下位機(jī)通過溫濕度傳感器傳入的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)記錄與分析等等。

3.2.3 溫濕度報(bào)警子程序

溫度報(bào)警子程序模塊實(shí)時(shí)判斷各個(gè)通道當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)是否在設(shè)定的范圍之內(nèi)，當(dāng)超出范圍時(shí)報(bào)警燈會(huì)亮起。同時(shí)case結(jié)構(gòu)執(zhí)行條件滿足，執(zhí)行case內(nèi)的控件，完成當(dāng)前超范圍數(shù)據(jù)的保存。

4 系統(tǒng)的調(diào)試與測(cè)試

4.1 數(shù)據(jù)仿真模式的測(cè)試

在仿真模式下可以設(shè)定八個(gè)通道的溫濕度報(bào)警上下限，然后分別輸入溫濕度仿真數(shù)據(jù)的幅值，點(diǎn)擊運(yùn)行，如果輸入的數(shù)值超過所設(shè)8個(gè)通道的溫濕度報(bào)警上下限，則報(bào)警指示燈會(huì)閃爍，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)仿真模式前面板Fig.5 Simulationmode of the front panel data

仿真模式主要實(shí)現(xiàn)根據(jù)設(shè)定的仿真參數(shù)，模擬出相應(yīng)的波形并顯示在波形圖顯示窗口，同時(shí)自動(dòng)把對(duì)應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存在指定的數(shù)據(jù)文件。

如圖所示，設(shè)定溫度1、2、3、4的報(bào)警上下限分別是40與 0，設(shè)定濕度 1、2、3、4的報(bào)警上下限分別是 80與 0，然后設(shè)置溫度仿真數(shù)據(jù)幅值為40，濕度仿真數(shù)據(jù)幅值為100，然后點(diǎn)擊運(yùn)行，產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)中就會(huì)包含0-100的隨機(jī)數(shù)，當(dāng)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)超過所設(shè)的報(bào)警上下限時(shí)，報(bào)警燈就會(huì)閃爍。

4.2 數(shù)據(jù)回放模式的測(cè)試

數(shù)據(jù)回放模式主要是對(duì)仿真模式和采集模式所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，如圖6所示，可以設(shè)定時(shí)間A和時(shí)間B，然后點(diǎn)擊查詢，即可看到之前產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以表格形式展現(xiàn)出來。

圖6 數(shù)據(jù)回放模式前面板Fig.6 Front panel data playback mode

數(shù)據(jù)回放模式可以方便地查看歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并作簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)分析。同時(shí)，可以按時(shí)間段查詢歷史記錄，并以表格或者波形圖的形式顯示出來。此外，還可以計(jì)算出各參數(shù)在查詢的時(shí)間段內(nèi)的平均值。

4.3 數(shù)據(jù)采集模式的測(cè)試

數(shù)據(jù)采集模式主要是對(duì)傳感器通過單片機(jī)傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行波形顯示，如圖7所示，若被監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)的報(bào)警值，報(bào)警燈則會(huì)閃爍報(bào)警。其中，上面的曲線為濕度，下面的曲線為溫度。

圖7 數(shù)據(jù)采集模式前面板Fig.7 Front panel of data acquisitionmode

5 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)的基于LabVIEW的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含溫濕度仿真模式、溫濕度實(shí)時(shí)設(shè)置與顯示模式、歷史數(shù)據(jù)記錄及歷史數(shù)據(jù)回讀模式等功能塊，可實(shí)現(xiàn)溫濕度設(shè)定值的實(shí)時(shí)設(shè)置、溫濕度超標(biāo)的實(shí)時(shí)報(bào)警、溫濕度曲線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史測(cè)控?cái)?shù)據(jù)記錄及回讀等。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、可視性好，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠，能滿足技術(shù)更新的要求。

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