基于LabVIEW的温度采集系统设计-10.18

.PAGE.基于LabVIEW的温度采集系统设计摘要近些年来单片机取得了突飞猛进的发展并且已在各行业得到广泛应用,在本文中,完成了智能温度采集系统的设计,本系统采用单总线操作,简单电路,精确测量,多点测量。能够在较低的成本下实现有效的温度监测。通过人机界面显示和查询,节约能源,创造价值,具有一定的商业价值。本系统也可广泛应用于消防等其他系统中。本文首先分析了当前单片机的发展以及应用范围,设计了基于STC89C52单片机的温度恒定单片机采集系统的总体架构以及硬件部分,对系统的硬件的搭建以及部分传感器模块做了详细论证和设计。控制节点经过研究对比,选用STC89C52,对外围电路中的传感器模块、供电电源模块、协调器接口电路以及时钟均做了详细设计,通过对比分析选择了适合本课题的温湿度传感器。最后,进行了软件的设计和实现,主要包括主控程序、数据上传设计、报警子程序设计、按键扫描子程序设计以及终端子程序设计等。实验测试,验证了在特定条件下系统数据传输正常；实验及仿真表明,该系统能很好的实现环境的采集以及传输功能,验证了该方案的可行性。论文从温度采集系统的理论依据、设计思路、实现过程、测试结果等方面均做了详细阐述,取得了预期效果,论文的研究成果对温度采集系统的完整性起到了补充作用,对其实践应用起到了推动作用。关键词：单片机采集温度Constanttemperature

monitorsystemof

theclassroomAbstractInrecentyears,

thispaperdesignsan

intelligent

temperaturemonitoringsystem,

thissystem

istorealizethe

temperature

measurementsystem

ofSTC89C52

basedonMCUandDS185B20,

MCU

inthesystem

asthe

input

anddisplayof

temperature

controldevice,DS18B20isusedas

temperature

acquisition

and

temperaturedata

output

device

the.

Thissystemusesasingle

busoperation,

hastheadvantagesofsimplecircuit,

accuratemeasuredvalue,

canrealize

multipointmeasurement.

To

ensuretherealizationof

theeffectivemonitoringofthe

room

temperature

withlowcost.

Throughtheman-machineinterfacetodisplayand

query,

saveenergyand

createvalue,

hasacertaincommercialvalue.

Thesystemcanalsobe

widelyusedin

firefighting

andother

systems.Thispaperfirst

analysisofthecurrentdevelopment

ofMCUand

thescopeofapplication,the

partoftheoverall

architecture

design

STC89C52microcontroller,

temperaturemonitoringsystem

basedon

MCU

andhardware,

thesystem

hardwareselection,

design,constructionand

theperipheralmodules

of

sensormodule

todoadetailed

demonstrationanddesign.

Throughthe

comparativestudyof

thecontrolnode,

selectSTC89C52,

thesensormodule,

theperipheralcircuit

ofthe

powersupplymodule,

interfacecircuitandclock

coordinator

hasmadethedetaileddesign,

throughthecomparisonandanalysisofthe

temperatureandhumiditysensor

issuitableforthistopic.

Finally,

designedandrealizedthesoftware,

includingthe

mainprogram,

dataupload

alarm

design,

programdesign,

keyboardscanningsubroutine

design

andterminal

programdesign.

Finallyaccordingtothedesign

ideaof

realizing

allfunctionsofthesystem.

Theexperimentaltesting,

verification

inthe

systemofdatatransmission

undercertainconditionsare

normal;that

theexperimentandsimulation,

thesystemcanrealize

the

acquisitionand

transmissionfunctionof

theclassroomenvironment

isverygood,

validatethefeasibilityofthescheme.Thetemperatureacquisitionsystemth.The

temperatureacquisition

systemtheorybasis,designideas,

implementationprocess,

thetestresults

were

describedindetail,

andachievedthedesiredresults,

theresearch

ontheintegrityof

the

temperatureacquisitionsystem

hasplayedacomplementaryrole,

for

the

application

toplayaroleinpromoting.Keyword：microcomputerMonitortemperature..目录TOC\o"1-3"\h\u299721温度采集系统总体方案设计1160961.1硬件总体设计1279571.2软件总体设计253062温度采集系统硬件设计3178082.1温度信号采集模块硬件设计316393温度传感器3246052.1.2A/D转换模块428179单片机模块4254852.1.4信号采集模块硬件设计4100472.2主控模块硬件设计5105542.2.1GPRS协议概述5204202.2.2主控模块硬件总设计5234582.3采集显示模块硬件设计5273372.3.1显示模块5208662.3.2显示采集模块硬件总设计570362.4电源模块硬件设计6212673软件编程及实现7317213.1软件编程关键技术引用78704SubVI技术7244833.1.2同步技术886963.1.3VIServer技术921573.1.4多线程技术10120623.2温度检测模块的软件设计10226843.3主控模块及显示采集模块软件设计10313613.4系统初始化子程序11105313.5数据采集设计12122843.7数据上传设计12133483.6GPRS软件设计13109514系统调试及仿真结果1556274.1硬件调试1576064.2软件调试16180334.4温度传感器部分16308904.5湿度检测部分17225835结论189369参考文献1921831致谢20..1温度采集系统总体方案设计1.1硬件总体设计随着电子信息的迅猛进步发展,温度系统在市场上也层出不穷,经过市场的研究和综合考虑,本设计考虑实现智能温度监测系统的远程无线传输。整个系统包含温度信号检测单元、以单片机为核心的主控单元和显示模块单元、电源模块单元等多重模块部分组合而成。不同模块所实现的功能是不同的,系统的设计以及器件的选择会直接影响整个系统的性能高低以及成本多少,为了使系统更加的高,本温度采集系统的硬件总体设计原理图如下图1-1所示：图1-1硬件设计原理图1温度检测模块本实验要求选用的温湿度传感器必须在体积精度稳定性上面都有优势。综上所述,本实验采用DS18B20温湿度传感器来对周围的温湿度进行采集。DS18B20温湿度传感器拥有一个独特的单线接口,仅仅只需要1个接口便能进行通信,可以同时存在于同一条总线上,无外部元器件,供电方式方便,测温范围大,最大精度0.0625℃。跟单片机相连接,能够实时检测传输当前检测到的温湿度数据。主控模块主控模块是控制模块的核心组成部分。本设计采用STC89C52的单片机进行控制,该单片机功率很低。检测模块可以检测到的温度信号传输给检测端的单片机进行处理后,通过有线传输传输到控制端的单片机模块进行处理。多个模块之间使用型号为MAX232串口进行通信。3.显示采集模块单片机把接收到的温度数据使用GPRS传送到机房显示采集系统。这样户便可以进行实时采集,工作人员进行对应的处理。4电源模块本系统采用双电源供电系统,本单元的主要功能是为单片机提供适当的工作电源,同时也为其他模块提供电源。如液晶显示屏、按键等,在本设计当中,电源系统输出+5V的电源。1.2软件总体设计软件系统总体设计采用"模块化"设计思想,使用了"从内而外"的嵌套设计方式,使用C++语言来完成程序。模块化设计意味着将整个程序分为主控模块和子模块进行设计,嵌套的思想是使用一个循环结束,再加上另一个循环嵌套。2温度采集系统硬件设计2.1温度信号采集模块硬件设计温度传感器为了更加及时准确的探测温湿度信号,对温湿度探测器提出了更高的要求,现在市场上的温湿度探测器的种类繁多。选择高性能、综合性能好的温湿度探测器,可以实时检测温湿度信号。另外,还要考虑其功耗问题。温湿度检测模块采用DS18B20温湿度传感器对温湿度进行检测,并将检测到的信号经过A/D转化传送给主控模块进行处理。DS18B20是Dallas半导体公司生产的数字化温湿度传感器,支持一线总线接口,的抗干扰性强,测量范围较大为-55℃到+125℃,能在多种恶劣环境下进行温湿度测量。这一模块最主要的设计就是测试火灾各路信号的阈值和调试各传感器的灵敏度。表2.1温湿度传感器基本参数产品型号DS18B20输出方式RS485接口工作电压12VDC测量范围温度范围-20℃至80℃湿度范围0-100%RH测量精度温度范围小于0.5℃,在25℃测试湿度范围小于0.5RH,在25℃测试通信接口物理接口RS485传输距离1200mm屏蔽按键设置地址范围1-254通过按键设置通信协议MODBUS-RTU协议波特率2400.4800.9600可选择,出厂默认设置9600bps数据格式EMC指标EFT<脉冲群>差模-2KV到8KV静电接触放电6KV空气放电8KV外形尺寸80*80*30mm质量250gDS18B20所需要的供电电压为12V,在本设计中使用5V为其供电。在DS18B20上电后在1s以内不要发送任何指令,直到其状态稳定。实际电路中在其电源和地引脚间架了100nF的滤波电容。DATA是外部MCU从JZ-THS12读取数据的引脚,它是一种单总线接口,一次读温湿度数据的操作时间大约是5ms。2.1.2A/D转换模块经过温湿度传感器转换后的输出温湿度信号不能直接送入单片机中进行处理,中间必须经过A/D转换装置。AD7812是由AnalogDevices公司生产的一种串行接口的10位8通道A/D转换器。本设计采用AD7812转换器,在转换过程中,因为任何一个模数转换器都会有一定程度的转换时间,所以在转换时要设置一个延时和延时的时间比设备的转换时间稍长,以保证转换过程的顺利进行。这里只需要将传感器的输出信号输入到其中任何一个可以放大,为简单起见,以第一模拟开关作为输入信号通道。单片机模块本系统采用单片机芯片,用于火灾探测终端的信号处理,用于处理火灾信号接收端和报警。单片机的主要功能是使系统的初始化,提供各种控制信号的主板,并读取数据处理,并将处理结果发送到输出模块和通信模块。微控制器产品已进入快速发展的时代,中国主流的单片机产品的销售8051、AVR、PIC系列单片机,单片机的选择应该是其成本高、易开发的性能。资源,主要考虑其性能指标是：钻头,转速、电压、功耗、系统扩展,内存容量,驱动能力的数量,抗干扰能力和是否嵌入ADC,DAC,等。也考虑了简单的软件开发。同一类型的产品往往有很多兼容的系列,不同厂家的价格有很大的差异。更重要的是,选择供应商的良好的服务,良好的产品性能,可以提供良好的技术服务供应商。2.1.4信号采集模块硬件设计检测电路由温度传感器、A/D转换模块ADC0809和电源组成。通过温度传感器对温度进行检测,然后通过A/D转换模块进行数模转换,最后将数字信号发送给检测端单片机,检测端单片机将数字信号处理后传送给主控模块。图2-1信号采集模块硬件设计2.2主控模块硬件设计2.2.1GPRS协议概述GPRS<GeneralPackerRadioService>是通用无线通信业务的简称,它是以GSM技术为基础发展起来的一项高速数据处理技术。它采用分组交换技术,可以实现点到点的数据通信。GPRS模块原理图：图2-2GPRS模块原理图2.2.2主控模块硬件总设计主控制模块主要由两片STC89C52芯片的无线发射接收装置及外围电路。单片机信号源主要是传输信号处理模块,温度传感器,信号处理和良好的无线发射模块发送。无线接收模块接收端接收到的数据,并将数据传输到单片机处理的温度信号检测端。主控模块的原理框图如图2-3所示。图2-3主控模块硬件设计2.3采集显示模块硬件设计2.3.1显示模块数码管是一种以数码管为主导的显示器,显示字符的组合。它采用8个数码管显示,其中7个用于字符显示,一个显示小数点,因此它通常被称为八段数码管显示。数码管显示控制使用的时间,以提供它具有一定的驱动能力的选择和选择的信号。数码管显示,采用动态扫描显示和静态显示,在单片机上实现,为了节省硬件资源,多数采用动态扫描显示法。2.3.2显示采集模块硬件总设计采集显示模块它由12864液晶显示模块MAX232串口通信模块还有西门子GPRS模块组成。单片机通过MAX232串口传输到GSM模块之中接收检测端的温度信号,再通过12864模块来显示温度信息。显示采集模块硬件设计如图2-4所示：图2-4显示采集模块硬件设计2.4电源模块硬件设计为了保证系统在城市突发性停电的情况下,系统可以连续工作,系统采用双电源供电。双电源供电系统主要由主电源和供电方式两种主要模式组成。主要的供电方式是220V交流电通过变压器的电压,再经过整流、滤波和电压输出的直流电压；从供电方式是停止供电时的主要动力来源,通过电池直接供电系统所需要的直流电压,以保持系统的正常工作。具体的电源框图如图2-5所示：图2-5供电电源原理图3软件编程及实现3.1软件编程关键技术引用SubVI技术一个大型程序代码通常比较繁琐,如果只使用一个主函数实现比较困难。为了方便通常会将一个大型程序划分为多个子程序,每个小的子程序都构成一个小的功能模块来实现不同的功能。这种功能划分一方面使编辑界面整齐美观、简单明了,另一方面也给程序后期的检查和完善提供了便利,这种技术通常被称为SubVI技术。任意的子VI都能够作为独立的节点被主函数调用。当定义一个VI时,不仅需要完成功能方面的设计,还需要对图标和接线端进行编辑。右击VI,在出现的菜单中点击"编辑图标"后便可以对其进行定义,选择"显示连线板"可对SubVI的接线端口进行编辑命名。编辑完成并且保存成功后,一个完整的VI就创建完成了,这时新创建的VI就能够被主程序调用了。编辑图标如图3.1所示：图3.1编辑图标示意图当一个程序中包含了许多个子VI时,理清它们之间的相互调用关系尤为重要。在LabVIEW编程中,提供了一种快速查询各VI之间相互调用关系的方法。编程人员可以通过点击前面板的"查看"菜单下的"VI层次结构〔H"来查看各子VI的相互关系。本文设计的隧道安全监测系统软件系统中包含了多个VI,它们的相互调用共同组成了上位机软件的运行,软件系统中各VI相互关系如图3.2所示：图3.2VI层次结构图3.1.2同步技术同步技术是指数据收集、结果显示及分析过程同时执行的技术。使用LabVIEW搭建的隧道安全监测系统中含有很多子VI和循环结构,并且系统调试完成后需要多个VI和循环同时进行,这个功能的实现就需要通过同步技术。常见的LabVIEW同步技术有通知器、信号量、集合点、队列和事件发生。通知器通知器的主要功能是保证数据传输的有序进行,它的工作模式是覆盖式,即通知器中只能保留单条信息,当有下一条信息传递到达时,原来的信息就会被新的信息覆盖掉。任何接受端口都可以接受来自通知器的信息,并且通知器中的信息不会自动消除,只会被新的信息覆盖。相对于全局变量和局部变量,LabVIEW同步技术中的通知器更有优势,表现为下一条信息产生之前程序始终保持在等待运行状态,这样保证了多线程任务能够有序的运行]。通知器技术中常用的VI函数功能说明见表3.1所示：表3.1通知器技术中常用的VI函数功能表VI函数名称功能说明ObtainNotifier.vi返回一个通知器的引用,具体返回哪个通知器的引用,通过该VI的"名称"参数指定。SendNotification.vi向所有等待通知的程序框图或VI发送一条消息,要发送消息的内容通过"通知"参数指定。CancelNotification.vi删除无用消息,并返回信息"取消的通知"。GetNotifierStatus.vi返回通知器当前状态的相关信息,如最近一次发送到通知器且未被删除的消息。信号量信号量技术主要功能为保护公有资源。它规定了在指定阶段内,只能有特定数目的线程在执行。保护过程如下：每个信号量在建立初期,都会规定能够同步调用关键代码的子VI的数量上限,并且将AcquireSemaphore.vi置于代码段的开始,将ReleaseSemophore.vi置于代码段的尾部,只有程序中代码的线程个数比0大时,该线程才可以正常调用关键代码[41]。队列在一个LabVIEW系统中,通常包含了数据采集、数据分析等多个线程。为了避免这些线程在执行时出现混乱的局面,确保多线程能够同步有序执行,编程人员引入了队列技术。队列技术可以有效解决程序中数据采集模块和数据分析模块运行速度不相匹配的问题,进一步保护了重要数据。常见的队列相关VI如下表3.2所示：表3.2队列VI表VI函数名称功能说明ObtainQueue.vi创建一个队列并返回其引用。假如已有队列,则仅仅返回其引用。EqueueElement.vi在指定队列的尾部追加特定元素。GetQueueStatus.vi指向程序中队列的最新模式信息。DequeueElement.vi返回并删除相应队列的首部元素。ReleaseQueue.vi释放相应引用,并通过数组的方式显示其剩下的全部内容。集合点集合点是编程过程中极为关键的一种同步技术。通常编程人员会提前设置在集合点处并行执行的程序数量,每个提前到达集合点处的进程都暂时不运行,直到集合点处累计的进程数量和预设值相等时,该集合点处全部进程开始同步运行,运行完后程序会自动清空该集合点。这种技术主要用于确保多个并行进程的严格同步运行,在编程过程中有着重要的意义。3.1.3VIServer技术VIServer技术主要用来实时调控进程。例如,VIServer不仅可以动态控制前面板中所有显示控件的外观,执行方式,执行状态和运行时间等,还可以调控整个程序开发界面。除此之外,该技术还有以下功能：动态加载子VI,远程访问VI,程序运行时访问LabVIEW和VI的属性方法,得知应用程序的所有信息,搭建插件式架构程序等。3.1.4多线程技术LabVIEW的多线程技术主要通过数据流驱动程序这种形式来实现,编程人员可以直接将线程技术抽象化使用,无需专门新建线程,撤销线程和同步线程。软件编程过程中经常运用多线程技术的主要优势有：〔1提高软件运行效率；〔2提高程序的资源利用率；〔3多数情况下可以合理使用优先级分配技术；〔4程序自动选择运行状态,在激活、挂起和阻塞三种状态间自由切换；〔5多个线程之间自动选择运行顺序,使其运行更高效。LabVIEW常见的多线程系统有I/O、DAQ和用户界面等。3.2温度检测模块的软件设计温湿度检测模块软件流程图如下图所示：程序开始运行时,先对温湿度传感器进行初始化,然后开始采集温湿度传感器的探测信号,如果没有采集到则继续采集,当确定采集到信号后,设置数据发送,如果没有发送成功则继续发送。程序流程图如图3.3所示。图3-3温度检测模块软件设计3.3主控模块及显示采集模块软件设计首先对无线模块、串口、LCD和GPRS模块初始化设置为接收模式,能够实时接收温度数据,如果接收到的温度信号,这使得GPRS模块,将被发送到数据接收模块,接收模块的温度数据传送到液晶显示模块。软件设计流程图的主控制模块和显示器模块如图3.4所示：图3.4主控模块及显示采集模块流程图3.4系统初始化子程序系统上电后,首先要使用各种软件,初始化硬件模块,来满足最小系统的运行要求。图3.5系统初始化子程序3.5数据采集设计本系统选用温度传感器周围环境信息,三传感器电路输出数字信号或输出电压信号。采集信号后,将数字转换为模拟信号,将信号传给单片机输入/输出端口处理,采用单片机内置的数字模拟转换器进行建模。本文采用中值滤波的方法对电压信号进行采集,即20次采样的第一行,然后平均值20个采集值的监测。图3.6采集数据流程示意图3.7数据上传设计根据数据上传软件功能的分析,以及数据库的设计,如图3.7数据上传软件的设计,完成数据轮询上传功能。图3.7数据上传流程图3.6GPRS软件设计本方案在系统中扩展了GPRS功能模块,这样用户就可以通过短信及时获知温度的实际状况。GPRS<GeneralpacketRadioservice>是通用分组无线业务的简称,它作为第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信的过渡技术,是在现有的GSM移动通信系统基础之上发展起来的一种移动分组数据业务。GPRS软件总设计流程图如下图3.8所示,首先进行的是串口及GPRS模块初始化,若初始化成功,则同时进行两部分的工作,一是查询短消息,若收到消息则信息解析得出控制码,并进行相应处理,若没有收到短消息,则返回继续查询消息。二是定时发送状态信息,若发送成功,则返回,若没有发送成功,则返回继续定时发送消息步骤。图3.8GPRS软件总设计流程图AT<Attention>指令集是调制解调器通信接口的工业标准,现在市场上大多数手机均支持GSM7.05规定的AT指令集。该指令集是ETSI<欧洲通信技术委员会>发布的,其中包含了对SMS的控制说明.一般的GSM模块都支持AT指令,因此计算机或单片机可以通过串口直接向GSM模块发送AT指令,来方便地实现短信息SMS的发送、接收和管理。4系统调试及仿真结果4.1硬件调试电源后,电源指示灯亮,说明电源的成功。从而可以准确地检测到温度信号。温度信号检测和发送端模块有2个区域,可在不同的位置进行温度采集和检测。的电路结构基本上是相同的。如图4-1所示。图4-1温度信号检测模块实物图终端检测信号被发送出去,但接收端接收反馈控制信号,信号接收和发送2种模式不能同时使用,提高了：当信号被发送时,通过加上信号来屏蔽回接收信号。同样,接收信号,标志是清除屏蔽传输信号。实现双向通信检测与控制。在GPRS发送信息后,不能直接读取反馈回的信息,原因是看程序死在中断的反馈。解决方案是在读程序中断时,可以读取反馈信息,读取信息后立即断开中断,否则会影响其他程序的正常执行。DS18B20数字温度传感器的温度数据插入数字形式传送给单片机,单片机将数据转换成十进制,在数码管上显示,如图4-2所示：图4-2数码管显示4.2软件调试软件系统的调试是基于TKS仿真器,以及软件的初始调整前要进行不断的调试系统软件"软件调试主要分为以下几个步骤：〔1程序调试在调试过程中,在每个中断服务子程序中更换一个断点,然后运行程序,如果所有中断服务程序都可以运行到所有断点,如果所有断点都可以运行到程序流,基本正确"删除所有的断点,检查晶闸管状态。〔2该程序的功能及调整算法当程序被暂停在断点处,查看控制和手动计算值是相同的"操作几次,如果每次的结果是正确的,然后程序的每个部分没有矛盾。相反,它意味着算法子程序和子程序之间,需要修改后再调试。4.4温度传感器部分温度传感器的测温范围是-50℃至+100℃,数据精度为0.1℃,误差要求为±5%之内。每次温度测量不同位置采集3组数据,取其平均值作为本次测量数据。实际值采用准确度较高的美得时913气温计采集,实验数据如表4-1所示。表4.1温度相关数据统计结果采样号12345678实际值〔℃23.222.321.424.424.923.825.725.1测量值〔℃23.322.722.324.124.324.425.424.8误差值〔℃-0.1-0.4-0.90.30.6-0.60.30.3误差比率〔%-0.4-1.8-4.21.22.4-2.51.21.2由温度测量可知,该系统误差在合理区间范围之内,基本能满足设计需求。4.5湿度检测部分湿度传感器的测温范围是0%至100%,数据精度为0.1%,误差要求为±5%之内。每次温度测量不同位置采集3组数据,取其平均值作为本次测量数据。实验数据如表4.2所示。表4.2湿度相关数据统计结果采样号12345678实际值〔RH〔%56.278.275.370.661.565.171.570.1测量值〔RH〔%57.377.678.573.963.463.172.167.3误差值〔RH〔%-1.10.6-3.2-3.3-1.92.0-0.62.8误差比率〔%-2.0-0.8-4.2-4.7-3.13.1-0.84.0由