2019年10月23日 | 基于LabVIEW的多点温度采集实验开发系统设计

摘要：文中运用LabVIEW灵活的图形化可视化编程技术，将单片机课程与虚拟仪器技术相结合，设计了基于LabVIEW的多点温度采集处理演示及实验系统。该系统以DS18B20为温度传感器，利用单片机为核心控制器设计了多点温度数据采集下位机系统;利用LabVIEW设计出具有良好界面的多点温度数据采集上位机控制系统。该系统具有实时数据采集、数据显示、数据处理与分析、超限报警以及数据回放等功能。该系统交互性较好，可激发学生的学习兴趣和创新意识。

在对多类型、多通道信号同时进行检测和控制中，传统的测控系统能力有限。如何将计算机与各种设施、设备结合。简化人工操作并实现自动控制，满足社会的需求，成为一个很迫切的问题。温度检测是现代检测技术的重要组成部分，在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。

PC机具有强大的监控和管理功能，而单片机则具有快速及灵活的控制特点，通过PC机的RS-232串行接口与外部设备进行通信，是许多测控系统中常用的一种通信解决方案。LabVIEW是一个划时代的图形化编程系统，应用于数据采集与控制、信号分析等方面，它为不熟悉文本语言编程的专业科技工作者在测控领域建立计算机仪器系统一虚拟仪器，提供了一个便捷、轻松的图形化设计环境。文中主要是利用单片机、DS18B20以及LabVIEW软件设计实现了多通道温度采集实验开发控制系统;该系统具有很强的交互性、实时性和可视性，他能激发学生的学习兴趣和创新意识，提高教学质量。

1 多点温度采集系统

本系统采用AT89S51单片机作为温度数据采集和传输的主控芯片，温度传感器用单总线的DS18B20采集现场各点温度数据，采集得到的数据利用单片机经串口传给计算机。上位机采用数据处理能力超强的LabVIEW软件编程，编程实现对读取到的串口数据进行处理、显示、存储、回放等功能。

多点温度数据采集系统由上位机部分和下位机两部分组成。下位机部分由AT89S51单片机、DS18B20温度传感器、电平转换芯片MAX232、电源电路、复位电路及晶振电路组成。当PC机发出数据采集命令时，T89S51单片机启动DS18B20温度传感器对外界温度进行采集，将采集到的温度数据传给AT89S51单片机，单片机再将接收到的温度数据通过串口传送给PC机。下位机采用LabVIEW软件对接收到的串口数据进行处理、分析、显示、保存、回放以及报警等相关操作。系统总体设计框如图1所示。

2 系统下位机设计

2.1 多点温度数据采集下位机设计

下位机由单片机系统、温度传感器、电平转换电路、电源电路、RS-232串口、时钟和复位电路组成。当单片机接收到由PC发送来的启动采集命令后，单片机发出控制信号，启动DS18B20温度传感器对外界制定的通道温度进行采集并转换成数字信号，然后将采集到的温度数据传给单片机，单片机再将接收到的温度数据通过串口传送给PC机。

2.2 温度采集系统电路设计

先设计出单片机最小系统;然后利用DS18B20数字温度传感器来设计温度采集系统。该传感器具有耐磨耐碰，体积小，使用方便的特点，适用于各种狭小空间数字测温和控制领域。本系统是将8个传感器的DQ引脚分别通过一个上拉电阻接到了单片机的P2口上，VCC引脚与+5 V电源相连接，GND引脚接地。连接如图2所示。

2.3 电平转换电路设计

该系统用RS-232总线进行串行通信，所以需电平转换电路。在发送端需要用驱动电路将TTL电平转换成RS-232电平，在接收端需要用接收电路将RS-232电平转换为TTL电平。本系统使用MAX232芯片，该芯片使用单一+5 V电源供电，实现电平转换。PC机与单片机之间连接如图3所示。

3 系统上位机设计

在设计完温度采集硬件系统的基础上，再配上相应的软件，才能构成一个完整的多点温度数据采集试验系统。在本系统的设计过程中，总体设计采用自上至下的设计思想将主程序设计好，而在各个部分展开成从属程序或子程序时，是将各个小模块分别进行设计和编程，同时在编程的过程中又用到了结构化程序设计的思想。系统程序包括上位机程序和下位机程序，下位机程序完成对温度数据的采集，上位机程序则对采集来的数据做后续的相关处理。

3.1 上位机程序设计

系统上位机采用Labview软件设计实现如图4所示：该上位机系统主要包括调用温度数据采集、读取数据、调用温度数据处理子程序、显示、保存、调用温度数据回放以及报警等功能。在上位机主程序开始运行之后，用户选择数据采集、数据回放。若选取了数据回放，就执行回放历史数据命令;若选取了数据采集，就采集对应通道的数据、读取数据、对数据进行相应的处理、保存、显示温度并且判断是否超限等。上位机程序流程图如图5所示。

3.2 下位机程序设计

下位机主程序包括单片机系统初始化、等待采集命令、调用温度数据读取子程序、调用数据转换子程序、发送数据等程序。单片机上电后，系统开始初始化、等待采集命令;当接收到采集某一通道命令后，就调用读取对应通道的DS18B20的子程序，再调用数据转换和处理子程序，把数据通过串口回传给PC机，然后等待下一采集命令。下位机程序流图如图6所示。

3.3 系统实现

该系统设计完成后，经过反复运行调试，排除了软件和硬件的设计故障;系统采集第一路温度信号，传给上位机显示如图5所示，该系统能够实现如下功能：选择采集线路、实时显示采集线路的温度数值、通过图形化的窗口显示温度变化过程、显示采集时间日期、报警限设置、超限报警以及采集方式选择等功能，达到了预期设计目的。

4 结束语

该系统既充分利用了LabVIEW的强大功能，又发挥了单片机快速及灵活的特点，降低了系统的开发成本、提高了开发效率。该系统通过长时间的运行试验，验证了该系统的可靠性、稳定性以及一定的实用性。该系统界面友好、操作简单、交互性好，便于学生掌握单片机课程以及虚拟仪器课程设计实现过程，有利于提高学生的学习兴趣及培养学生的创新能力。