基于虛擬儀器的溫濕度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉 剛 王立香 任魯涌

（山東理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 淄博 255000）

0 引言

溫度和濕度的監(jiān)控在冷庫、圖書館、博物館、醫(yī)藥、電子等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。溫濕度的測(cè)量一般通過傳統(tǒng)的儀器來測(cè)量，這些儀器與外部設(shè)備連接不方便，界面設(shè)計(jì)不夠靈活，擴(kuò)展性不好。隨著智能儀器、虛擬儀器的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)據(jù)的測(cè)量變得越來越方便和靈活。本文以AT89C51單片機(jī)為下位機(jī)控制核心，利用溫濕度傳感器SHT10完成溫濕度的數(shù)據(jù)采集。單片機(jī)將采集的溫濕度數(shù)據(jù)通過串行通信接口上傳到上位機(jī)，上位機(jī)應(yīng)用軟件采用虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW 2017進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。上位機(jī)的功能是采用數(shù)字和量表的形式實(shí)時(shí)顯示采集的溫、濕度數(shù)據(jù)；根據(jù)設(shè)置的溫、濕度范圍，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)超出設(shè)置范圍時(shí)，報(bào)警提示用戶。系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互特點(diǎn)，靈活性強(qiáng)，采集數(shù)據(jù)易于觀測(cè)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示，其下位機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1中虛線框內(nèi)部分所示。系統(tǒng)硬件主要由溫、濕度傳感器、AT89C51單片機(jī)、串行通信電平轉(zhuǎn)換接口、電源模塊等電路構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

為了方便采集溫度和濕數(shù)據(jù)，滿足系統(tǒng)為了方便采集溫度和濕數(shù)據(jù)，滿足系統(tǒng)需求。要選擇合適溫、濕度傳感器需求。要選擇合適溫、濕度傳感器需求。要選擇合適溫、濕度傳感器需求。要選擇合適溫、濕度傳感器需求。要選擇合適溫、濕度傳感器的作用是將環(huán)境溫、濕度轉(zhuǎn)換成的作用是將環(huán)境溫、濕度轉(zhuǎn)換成便于分析處理的電信號(hào)。為了簡(jiǎn)化。為了簡(jiǎn)化系設(shè)計(jì)，本文采用瑞士，本文采用瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的單片式溫、濕度傳感器溫、濕度傳感器 SHT10，該傳感器，該傳感器將溫、濕度變換器，將溫、濕度變換器，放大電路，A/D變換等電路在一個(gè)芯片中[1]，具有較高的穩(wěn)定性和可靠。同時(shí)，芯同時(shí)，芯片內(nèi)部集成了兩線制的串行通信接口，與外圍系統(tǒng)連電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單制的串行通信接口，與外圍系統(tǒng)連電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。SHT10的濕度測(cè)量范圍為0～100%RH，分辨率典型值為0.05%RH。在25℃下，濕度范圍為20～80%RH范圍內(nèi)，濕度的測(cè)量精為范圍內(nèi)，濕度的測(cè)量精為±4.5%RH。該傳感器的溫度測(cè)量范圍為.40～123.8℃，分辨率的典型值為，分辨率的典型值為0.01℃，其測(cè)量精，其測(cè)量精度在25℃時(shí)達(dá)到±0.5℃[2]。SHT10有 4個(gè)引腳，分別是電源正和地串行數(shù)據(jù)個(gè)引腳，分別是電源正和地串行數(shù)據(jù)個(gè)引腳，分別是電源正和地串行數(shù)據(jù)（DATA）和串行時(shí)鐘引腳（DATA）和串行時(shí)鐘引腳（SCK）和串行時(shí)鐘引腳 （SCK），芯片施加的電壓必須在2.4～5.5V之間。SHT10與單片機(jī)的連接較為簡(jiǎn)單，如圖2所示。

為了得到真實(shí)的溫度和濕度信息，需要將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的物理量，在實(shí)際應(yīng)用中，可以設(shè)置不同的溫度和濕度分辨率。本系統(tǒng)中，設(shè)置濕度的分辨率為，溫度的分辨率為。為了使得到的溫度和濕度更加精確，需要對(duì)從傳感器讀取的數(shù)值進(jìn)行補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償方法如下：

式中，T 為待測(cè)溫度值，d1=-40.1，d2=0.04，SQT為從傳感器讀出的溫度值。

圖2 傳感器與51單片機(jī)連接

濕度補(bǔ)償方法如下：

式中，RH為待測(cè)環(huán)境的相對(duì)濕度，SORH為從傳感器讀出的濕度值，t1=0.01，t2=0.00128，c1=-2.0468，c2=0.05872，c3=-0.00041。

系統(tǒng)MCU采用AT89C51單片機(jī)，為了將傳感器采集的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)進(jìn)行分析，本文采用了串行通行的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳，為此，需要在單片機(jī)外部加電平轉(zhuǎn)換芯片，電路如圖3所示：

圖3 單片機(jī)串行通信接口電路

本文采用異步串行通信（UART）方式，將采集溫度和濕度信息通過串口實(shí)時(shí)上傳到計(jì)算機(jī)，由上位機(jī)軟件對(duì)采集的溫度和濕度信息進(jìn)行顯示和分析等操作。

除了傳感器電路和串口電平轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)外圍電路和還包括復(fù)位電路、電源供電電路、時(shí)鐘電路等電路。

2 上位機(jī)LabVIEW程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW 2017進(jìn)行開發(fā),LabVIEW采用圖形化的設(shè)計(jì)語言，支持多種硬件接口，具有編程方便，任務(wù)開發(fā)周期短等特點(diǎn)[3]。上位機(jī)應(yīng)用軟件的主要任務(wù)是分別用波形圖和數(shù)字及儀表的形式，對(duì)采集的溫度和濕度進(jìn)行顯示，并設(shè)有報(bào)警提示。用戶通過應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)溫度和濕度的上限和下限，當(dāng)溫度和濕度不在設(shè)置的范圍內(nèi)時(shí)，報(bào)警提示用戶。

本文利用LabVIEW的VISA串口通信模塊，通過計(jì)算機(jī)的串口和下位機(jī)連接，本系統(tǒng)采用異步串行通信模式、通信波特率為 9600bps、8位數(shù)據(jù)位數(shù)，無校驗(yàn)、1位停止位的方式進(jìn)行通信。在實(shí)際應(yīng)用中，上位機(jī)可以根據(jù)下位機(jī)設(shè)置的UART通信模式對(duì)通信速率等串行通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

為了保證上位機(jī)與下位機(jī)的可靠通信，采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式進(jìn)行應(yīng)用軟件的程序設(shè)計(jì)。對(duì)從計(jì)算機(jī)串口接收的數(shù)據(jù)通過隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行接收和讀取。為了對(duì)采集的溫度和濕度數(shù)據(jù)正確區(qū)分，下位機(jī)對(duì)傳送溫度和濕度信息加幀頭（0×AA0×55）處理。因此，上位機(jī)軟件需要對(duì)幀頭進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)處理。對(duì)接收到的數(shù)據(jù)流，判斷幀頭位置，從而正確的讀取溫度和濕度的數(shù)值。

系統(tǒng)的運(yùn)行界面如圖4所示，從圖中可以看出，采集的溫度低于設(shè)置的低溫報(bào)警閾值，因此，用戶程序中，低溫報(bào)警燈被點(diǎn)亮；同樣，采集的濕度值高于設(shè)置的高濕度報(bào)警閾值，高濕度報(bào)警燈也被點(diǎn)亮。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行界面

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于AT89C51和虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW 2017的溫、濕度檢測(cè)系統(tǒng)。上位機(jī)和下位機(jī)之間通過串口進(jìn)行通信，上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式。上位機(jī)通過串行通信接收單片機(jī)上傳的數(shù)據(jù)并以不同方式進(jìn)行顯示，通過應(yīng)用界面設(shè)置溫度和濕度的正常范圍，當(dāng)超出范圍時(shí)，會(huì)進(jìn)行高/低溫或高/低濕度報(bào)警。系統(tǒng)性能穩(wěn)定，具有較好的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。