基于Proteus和LabVIEW的溫室大棚溫濕度測控系統(tǒng)設(shè)計及仿真

孫萬麟

（昌吉學(xué)院 物理系，新疆昌吉，831100）

隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化控制技術(shù)應(yīng)用越來越普及，尤其是眾多學(xué)者研制各種各樣監(jiān)控裝置對工農(nóng)業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集、監(jiān)控已經(jīng)成為熱潮。比如煉鋼廠，人們研究對熔爐里的溫度進(jìn)行實(shí)時采集、監(jiān)控，以確保生產(chǎn)的安全和鋼材的質(zhì)量；水庫，人們研究對水位進(jìn)行實(shí)時采集、監(jiān)控，以確保處于安全水位；溫室大棚，人們研究對溫濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，以確保蔬菜在適宜環(huán)境生長等[1-3]。近年來，許多學(xué)者都先借助虛擬儀器技術(shù)對各類數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計及仿真，然后在進(jìn)行調(diào)試、制作，以減少元器件浪費(fèi)，降低成本。目前，應(yīng)用最為廣泛的仿真軟件當(dāng)屬Proteus和LabVIEW，Proteus軟件是仿真單片機(jī)及其外圍器件的最佳工具，而LabVIEW軟件則以其友好美觀的用戶界面深受眾多學(xué)者的喜愛，如今將多種軟件聯(lián)合仿真已經(jīng)成為當(dāng)下主流[4-6]，已有許多學(xué)者將Proteus和LabVIEW聯(lián)合起來進(jìn)行各類控制系統(tǒng)設(shè)計及其仿真，并且有好多高校已建立虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行輔助實(shí)踐教學(xué)[7-10]。鑒于此，本文采用Proteus軟件作為下位機(jī)數(shù)據(jù)采集及控制平臺，LabVIEW軟件作為上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺，聯(lián)合利用LabVIEW和Proteus各自優(yōu)勢設(shè)計及其仿真一個以單片機(jī)作為主控器的溫室大棚溫濕度測控系統(tǒng)。

1 溫濕度測控系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)主要由兩大模塊構(gòu)成，分別是以AT89C51單片機(jī)為主控器的數(shù)據(jù)采集模塊和LabVIEW為主控制的數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊，首先通過DHT11傳感器進(jìn)行實(shí)時采集溫濕度數(shù)據(jù)，因DHT11能直接以數(shù)字量輸出，故不需要A/D轉(zhuǎn)換模塊。緊接著單片機(jī)對采集溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及傳輸，并將采集數(shù)據(jù)在LCD液晶屏上顯示，同時單片機(jī)將采集數(shù)據(jù)通過虛擬串口傳輸給LabVIEW進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并配置報警指示燈進(jìn)行實(shí)時提醒，指示燈為綠色表示正常，指示燈為紅色表示異常，該系統(tǒng)構(gòu)成框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

依據(jù)圖1系統(tǒng)構(gòu)成框架，采用Proteus軟件繪制數(shù)據(jù)采集電路圖，該電路以通用型AT89C51單片機(jī)作為主控器，并配有時鐘電路、RC復(fù)位電路、DHT11溫濕度傳感器、LCD液晶顯示、排阻RP1、串行端口通信模塊以及虛擬串行端口顯示模塊等構(gòu)成，其電路圖如圖2所示，該電路主要功能是實(shí)現(xiàn)對溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時采集并在LCD屏上顯示，同時將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至虛擬串口。

圖2 系統(tǒng)電路圖

3 數(shù)據(jù)監(jiān)控界面設(shè)計

3.1 LabVIEW前面板設(shè)計

LabVIEW前面板用來繪制用戶監(jiān)控界面（人機(jī)交互界面），前面板控件選板上提供了各種各樣的控件，可以方便快捷地創(chuàng)建用戶界面。本文利用各控件所設(shè)置LabVIEW前面板監(jiān)控界面如圖3所示，主要實(shí)現(xiàn)對溫濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示，并設(shè)置超越閾值范圍指示燈具有報警提示功能。還有，增設(shè)錯誤輸出控件，可以對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，也可根據(jù)錯誤提示，對系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，比如設(shè)置直觀顯示溫濕度波形曲線和溫度計、濕度計，方便實(shí)時對出現(xiàn)問題及時記錄。除此之外，設(shè)置了系統(tǒng)參數(shù)，比如溫濕度上下限、串行通信參數(shù)配置等。

圖3 監(jiān)控界面圖

3.2 LabVIEW后面板設(shè)計

LabVIEW后面板用來實(shí)現(xiàn)前面板功能程序框圖，也可理解為LabVIEW軟件編程界面，后面板采用連線將各個控件連接在一起，實(shí)現(xiàn)對前面板各個控件進(jìn)行控制，并根據(jù)需求還可以添加想要的參數(shù)。本文依據(jù)圖3所實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控界面功能所對應(yīng)的程序框圖如圖4所示。

圖4 程序框圖

4 軟件設(shè)計

本文采用C語言編寫溫濕度測控系統(tǒng)源程序，其中主程序是上位機(jī)LabVIEW與下位機(jī)單片機(jī)之間相互通信，其設(shè)計流程如圖5所示[11～13]。

圖5 上下位機(jī)通信流程圖

主程序部分代碼如下[13～16]：

5 仿真及其分析

本文選取大白菜蔬菜溫室大棚作為研究對象，依據(jù)大白菜最佳生長溫度在20℃～30℃，最佳生長濕度在75%～80%，因此設(shè)置溫度上限為30℃，下限為20℃，濕度上限為80%，下限為75%。同時將虛擬串口參數(shù)如串口號、波特率數(shù)據(jù)位等必須與LabVIEW中COMPIM控件VISA參數(shù)值設(shè)置一致，才能實(shí)現(xiàn)正常通信。采用KeilC51軟件進(jìn)行系統(tǒng)源程序調(diào)試、編譯，并生成對應(yīng)的hex文件，并將其加載至AT89C51單片機(jī)中。參數(shù)設(shè)置好，Protues正常運(yùn)行后，運(yùn)行LabVIEW，并打開串口調(diào)試助手，LabVIEW和Protues兩個軟件將通過連通狀態(tài)的虛擬串口COM1和COM2進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，溫濕度傳感器會將采集到的數(shù)據(jù)通過虛擬串口傳送給上位機(jī)。

（1）若某時刻系統(tǒng)DHT11傳感器采集溫度（RH）為25℃，濕度(TH)為76%，Proteus仿真結(jié)果如圖6所示，LabVIEW監(jiān)控界面數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖6 Proteus運(yùn)行圖

圖7 監(jiān)控運(yùn)行結(jié)果

在圖6中，LCD液晶屏顯示系統(tǒng)溫濕度，System(系統(tǒng))：TH（濕度）:76、RH（溫度）:25，即此刻DHT11傳感器采集溫度值為25℃，濕度值為76%，則溫濕度均在閾值范圍內(nèi)。由圖7監(jiān)控界面直觀看到，溫度值為25℃，濕度值為76%，且報警指示燈是綠燈點(diǎn)亮，進(jìn)一步表明此刻溫度值和濕度值都是正常狀態(tài)。比較圖6和圖7，LabVIEW監(jiān)控界面與LCD屏顯示數(shù)據(jù)一致，誤差為零，表明上位機(jī)LabVIEW與下位機(jī)單片機(jī)正常通信。

（2）若某時刻系統(tǒng)DHT11傳感器采集RH為25℃，TH為81%，Proteus仿真結(jié)果如圖8所示，LabVIEW監(jiān)控界面數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖8 Proteus運(yùn)行圖

圖9 監(jiān)控運(yùn)行結(jié)果

在圖8中，LCD液晶屏顯示系統(tǒng)溫濕度，System：TH:81、RH:25，即此刻DHT11傳感器采集溫度值為25℃，濕度值為81%，即溫度在閾值范圍內(nèi)，但濕度超出閾值范圍。由圖9監(jiān)控界面直觀看到，溫度值為25℃，濕度值為81%，且報警指示燈是紅燈點(diǎn)亮，表示此刻數(shù)據(jù)是異常狀態(tài)，其實(shí)就是DHT11傳感器采集的實(shí)際濕度超過了上限。比較圖8和圖9，LabVIEW監(jiān)控界面與LCD屏顯示數(shù)據(jù)一致，誤差為零，表明上位機(jī)LabVIEW與下位機(jī)單片機(jī)是正常通信，但報警指示燈紅燈點(diǎn)亮，說明此時是異常狀態(tài)，提醒用戶及時檢修電路。

6 結(jié)論

本文聯(lián)合LabVIEW和Proteus各自優(yōu)勢，以單片機(jī)作為主控器，設(shè)計及其仿真了一個溫室大棚溫濕度測控系統(tǒng)。采用Proteus軟件設(shè)計數(shù)據(jù)采集電路，采用LabVIEW軟件設(shè)計用戶監(jiān)控界面，將下位機(jī)采集數(shù)據(jù)通過虛擬串口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。仿真表明，上位機(jī)LabVIEW與下位機(jī)單片機(jī)正常通信，證實(shí)本系統(tǒng)設(shè)計正確、可行，為類似其他單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計提供一些借鑒。