基于USB的LabvieW溫度監測系統設計

劉玉玲

摘要：以Labview、單片機和DSl8820為核心，設計了一款溫度監測系統。該系統通過DSl8820溫度傳感器采集溫度信號，經單片機的串口轉USB，再由USB接口將信號發送Labview，可以實現溫度的實時采集、處理、顯示及報警，同時在Lab-view中可設置溫度的上下限，查看溫度曲線以及調出歷史數據等功能。該系統的下位機采用的是單片機最小系統，外加溫度傳感器，串口轉USB模塊，上位機采用的是NI公司的一款圖形化編程軟件Labview，整體簡單易行，卻很好地實現了溫度的監測功能。設計中，可更換傳感器實現不同參數的監測，如濕度監測、粉塵監測、煙霧監測等，使得該系統可以應用到各種不同的場合。

關鍵詞：Labview;單片機;USB

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）13-0007-04

在很多場合，溫度的變化對生產或生活都會產生極大的影響，比如智能溫室大棚、多個機臺設備的生產車間、名貴魚的魚缸等，溫度恒定是保證產品質量的重要前提，因此溫度數據的采集和監測意義重大。

本監測系統可以對監測場所的溫度數據實時采集，繪制溫度曲線，當溫度高于上限或低于下限均可實現報警，并可以查看相關的歷史數據。整個系統成本較低，非常適合學生在實驗室中設計開發。

1系統的硬件部分

系統的硬件由溫度傳感器DS18820、51單片機AT89S51、USB轉接芯片CH340組成，其硬件框圖如圖1所示。數字溫度傳感器可將溫度值直接轉換成數字量發送至單片機，單片機對該溫度信號進行處理后，通過串口轉USB的轉接芯片將數據送至計算機，計算機的Labview軟件處理后以人機界面的窗口形式，直觀地展示數據曲線。

1.1溫度傳感器DSl8820

DSl8820是一款常用的溫度傳感器，它的優勢是低功耗、抗干擾能力強的單總線數字溫度傳感器，該傳感器在使用過程中無需外加AD。從DS18820到主控芯片僅連接一條線，硬件電路簡單，而且每個DS18820有唯一的系列號，因此多個可以存在于同一條單線總線上，有利于系統后續拓展成多路的溫度監測。

DS18820提供9位溫度讀數，測量范圍是-55°C至125°C，增量值位0.5℃。

1.2單片機AT89S51

系統的主控芯片選用了AT89S51，此單片機功能簡單、價格低廉，單片機有4K的片內程序存儲器，可以外擴至64K，128B片內數據存儲器，64K片外數據存儲器，AT89S51支持在線編程下載，極大地方便了調試。

1.3串口轉USB接口模塊

由于目前大部分筆記本電腦未配置串口，故需要將串口信號轉換成更為通用的USB接口信號，選用的芯片是CH340。CH340是USB總線轉接芯片，可以實現USB轉串口、IrDA紅外或打印口。芯片內置了USB上拉電阻、復位電路，內置了獨立的收發緩沖區，支持單工、半雙工或者全雙工異步串行通訊。

2系統的軟件部分

2.1下位機軟件

系統軟件的編寫是在Keil uVision4的集成開發環境下，用C語言編寫的，整個軟件實現了硬件初始化、溫度采集、數據轉換、上下位機通信4個模塊。系統的主程序流程圖如圖2所示。

2.2上位機軟件

上位機使用虛擬儀器完成溫度數據的讀取、轉換和處理，溫度上下限的設置，實時曲線圖的繪制，歷史曲線的查看。Labview虛擬儀器程序由前面板和程序框圖構成，前面板是人機交互界面，用來輸入輸出，程序框圖是用戶以框圖的形式編制的代碼。

1）上位機的前面板

系統上位機前面板如圖3所示，包括三個數據輸入控件，用來輸入VISA資源端口名稱以及上下限溫度;兩個布爾量的圓形指示燈，當溫度超過上下限時，相應指示燈點亮;一個溫度值顯示的儀表控件，可以更加直觀讀取當前溫度值;三個數值顯示控件，分別顯示接收數據的字符型、數值型和接收數據的長度;兩個布爾量的開關按鈕，一個控制采集數據的啟停，一個退出整個監測界面;一個波形圖表的圖形顯示控件，顯示當前采集溫度的實時曲線。

2）串口通信模塊

上位機框圖中所采用的串口是NI_VISA串口Serial函數來訪問和控制串口的，VISA（Virtual Instrument Software Architec-ture，簡稱為“Visa”）為虛擬儀器軟件結構。函數的打開如圖4所示，程序框圖面板a儀器I/Oa串口。串口函數常用的四個子函數分別為：VISA配置串口、VISA寫入、VISA讀取、VISA關閉。VISA配置串口是完成串口參數的初始化設置，包括串口資源的名稱、波特率、數據比特、奇偶校驗、停止位等，停止位的典型值是1、1.5、2位，但在初始化時停止位的輸人應配置成10、15、20。

VISA讀取子函數是每次從串口讀取一定字節數的數據，VISA關閉子函數是當程序停止前，把使用的串口設備關閉，若不關閉，該串口就一直被占用。

在設計串口時，應最先安裝VISA驅動，該驅動并不在軟件安裝程序中，若不安裝，前面板運行時，串口資源名稱無法從下拉框獲取，程序無法運行。安裝成功后，下拉框就可以看到相應的COM口。

3）數據采集處理模塊

該模塊將單片機的數據進行采集和處理，以便實時顯示。VISA讀取子函數中左邊輸入有個VISA的字節總數，如圖5所示，因此在讀取前必須指定這個個數。VISA讀取函數的“讀取字節數”的輸入端口設置十分必要，在串口通信中，如果當前緩沖區的數據量小于指定的字節數，程序會一直停在VISA讀取上，在超時的時間（默認是10秒）內無法滿足數據量時，程序會“Time out”如果超時時間設置過長，有可能導致程序停止在VISA讀取這個節點上。

使用“Bytes at Port”串口的屬性節點，可以很好地解決以上問題。在儀器I/O子面板下，如圖6所示，程序框圖面板a儀器I/O&VISA&高級VISA&VISA屬性節點5Serial Setting&Number ofBytes atSerialPort。

也可以在資源線上右鍵a創建aInstr類的屬性aSerial Set-tings&Number ofBytes atSerialPort，如圖7所示。

此屬性節點可以很好地把當前緩沖區字節數匹配到vI—sA讀取的“讀取字節數”這個輸入端上，緩沖數即為讀取字節數，無任何等待。

目前串口的收發大致有兩種類型：一種是主動型的，即上下位機相互通信，上位機發指令，下位機響應，并返回數據給上位機;另一種是被動型，即下位機一直往上位機發送數。本系統采用的是被動接收，定時器設置每ls接收一次數據。

單片機發送的溫度值為6字節，首字節表示正負，后五個字節表示最大三位數，精度小數點后一位的溫度值，如+103.5。為了保證接收的數據幀不錯亂、不丟包，當且僅當接收數據為6個字節的數據包，系統才會保存和顯示。

4）顯示、報警和存儲模塊

實時顯示包括數值顯示、曲線顯示。為了使曲線的橫坐標與系統時間相同，需要修改波形圖表的橫坐標屬性。程序框圖如圖8所示，獲取系統的時間標識，按名稱解除捆綁，分別得到時、分、秒，計算（（60*時）+分）*60+秒，得到曲線橫坐標的off-set，XScale.Offset最后鏈接至波形圖表。運行程序，波形圖的坐標軸顯示如圖9所示。

從VISA讀取子函數接收到的是字符型數據，為了直觀顯示和畫圖，將其用十進制數字符至數值轉換，轉換成十進制數值，此數據在前面板有三種顯示方式：數值控件顯示、儀表盤顯示、曲線顯示。前面板設定溫度的上下限，比較器比較后輸出至上下限指示燈。程序框圖如圖10所示。

系統還可以查詢歷史溫度數據，點擊圖形控件，右鍵導出數據至Excel，可查看歷史記錄。圖11是記錄的是10：51-10：52的后半分鐘內的溫度值。與此對應的前面板監測界面圖，如圖3所示。系統可保留一天的數據。更改坐標軸的offset，可以保留不同時間的數據。總體的上位機軟件程序框圖如圖12所示。

3總結

該課題簡單易行，成本較低，適合學生在實驗室中設計開發。課題本身靈活性高，可進行相關拓展，如需檢測濕度、煙霧等信號，只需要將溫度傳感器對應的更換為濕度傳感器或煙霧傳感器;若通信距離較遠或者想擺脫線纜的束縛，可將通信方式由串口的有線傳輸改為無線通信，例如采用zigbee模塊CC2430或無線收發模塊NRF24L01。