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1、清华大学 2012 届毕业设计说明书11 引引 言言1.1 设计背景设计背景随着计算机技术尤其是单片微型机技术的发展，人们已越来越多地采用单片机来对一些工业控制系统中如温度、流量和压力等参数进行检测和控制。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虚拟仪器，提供了一个便捷、轻松的图形化设计环境。由于其灵活、简单易用、开发
2、效率高等特点，正逐渐成为科技工作者进行仪器应用与开发的得力工具。数据采集是开发过程中一个重要的环节，采用以 8 位单片机 STC89C51 作为前端数据采集，通过串口进行与LabVIEW 的数据通讯，就可实现低成本、灵活方便、接口简单的数据采集系统1。这对于许多信号频率不是太高的场合，此方案无疑非常便利。本文所介绍的就是这样一种利用 LabVIEW 对 STC89C51 的数据进行分析处理，并通过串口实现二者之间的数据交换、经济实用的数据采集。1.1.1 温度的研究背景 传统靠人工控制的温度、湿度、液位等信号的测压力控系统，外围电路比较复杂，测量精度较低，分辨力不高，需进行温度校准(非线性校准
3、、温度补偿、传感器标定等)；且它们的体积较大、使用不够方便，更重要的是参数的设定需要有其它仪表的参与，外界设备多，成本高，因而越来越适应不了社会的要求。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。由单片集成电路构成的温度传感器的种类越来越多，测量的精度越来越高，响应时间越来越短，因其使用方便、无需变换电路等特点已经得到了广泛的应用。随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步
4、提高，各种方便于生产的自动控制系统开始进入了人们的生活，以单片机为核心的温度采集系统就是其清华大学 2012 届毕业设计说明书2中之一。同时也标志了自动控制领域成为了数字化时代的一员。它实用性强，功能齐全，技术先进，使人们相信这是科技进步的成果。温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用2。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。1.1.2 国内外发展现状虚拟仪器技术是仪器技术和计
5、算机技术深层次相结合的产物。从 20 世纪 80 年代，虚拟仪器逐渐为工业界和学术界所认可。经过了近 20 年的发展，它已经成为 21 世纪测试技术和仪器技术发展的主要发现。所谓虚拟仪器(Virtuallnstrument，简称)，就是用户在通用计算机平台上，根据需求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台他自己设计的测试仪器一样。虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的工作模式，使得用户可以根据自己的需求，设计自己的仪器系统。在测试系统和仪器设计中尽量用软件代替硬件，充分利用计算机技术宋实现和扩展传统测试系统与仪器的功能。 “软件就是仪器”
6、是虚拟仪器概念最简单，也是最本质的表述3。VI 技术的发展和应用源于 1986 年美国 NI 公司设计的 LABVIEW。这是一种基于图像的开发、调试和程序的集成开发环境，实现了 VI 的概念。它的出现，使用户可以自己定义仪器，灵活地设计仪器系统，满足多样化的实际需求。随着虚拟仪器技术软件开发平台及硬件的发展，基于虚拟仪器的测试系统开发周期缩短，费用降低，测试速度、准确度及可复用性提高，且更便于维护和扩展。目前国内外这种软件主要有美国 DSP 公司的 DADISP 软件，和以实验后数据处理分析和表示见长的美国 NI 公司的系列虚拟仪器开发平台。美国 UATECH 公司的DASLab 软件包和惠
7、普公司的 VEE 软件平台,它们都是可以搭建虚拟测试系统的软件平台，以图形化编程和界面灵活见长。华中理工大学的 VI98 虚拟仪器系统和哈尔滨工业大学的仪器王以虚拟的单个仪器或仪器库见长。其中，美国 NI 公司的 LabVIEW 软件功能最为完善，LabVIEW 软件以简单、直观的图形化编程方式、强大的图形显示和数据处理能力见长，运行速度快、开发周期短、界面灵活是其又一大优势，所以基于清华大学 2012 届毕业设计说明书3LabVIEW 的虚拟仪器应用相当广泛。虚拟仪器作为新兴的仪器仪表，用户可以定义其结果和功能，构建灵活，转变容易，因此它在各个领域都得到广泛的应用。国内单位和院校正加紧步伐研
8、究和开发自己的虚拟仪器系统。中国国防科技大学进行了虚拟数字示波器的设计研究，其结果与HP 公司的双通道台式数字存储示波器 HP54603B 相比，增加了频域分析，测试结果和波形直接打印输出等功能。东方振动和噪声技术研究所研制成了 INV303/306 智能信号自动采集处理分析仪系统，并推出了 DASP 软件；重庆大学开发了虚拟实时噪声倍频程分析仪，实现了对噪声总声压级、各种记权声压级及相应倍频程的实时测量和分析；清华大学利用虚拟仪器技术构建汽车发动机检测系统，用于汽车发动机出厂前的自动检测。虚拟仪器已经在超大规模集成电路测试，现代家用电器测试以及军事、航天、工厂测试等领域得到应用4。1.2 温
9、度检测系统设计研究的意义温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数，随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。特别是近年来，温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，但温度控制一直是一个未开发的领域，却又是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情况，设计一个温度检测系统，具有广泛的应用前景与实际意义。温度是一个重要的物理量，它反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。在工、农业生产和日常生活中，各个环节都与温度紧密相联，温度的准确监测及控制占据着极其重要地位。比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多
10、化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行等。没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。可见，温度的测量和控制是非常重要的5。1.3 温度检测系统的设计方案本论文大致包括两部分，labview 部分（上机部分）和单片机部分（下机部分） 。上机部分包括 labview 人机交换页面和温度采集，显示和报警等方面，主要是将采集到得温度显示出来，并与设置的温度上下限相比较，进而启动警报。下机部分主要完成温度的采集。需要通过单片机驱动温度传感器，采集当前温度，并通过串口通信将温度传给 labview 温度采集平台。清华大学 2012 届毕业设计说
11、明书42 温度检测系统设计思路温度检测系统设计思路2.1 温度检测系统工作原理温度检测系统工作原理基于 LabVIEW 和 DS1820 的温度测试系统可分为上位机和下位机两部分。上位机采用 LabVIEW 编程，PC 通信自带串行口，和单片机进行串口通信；下位机选用 51 系列单片机，C 语言编程，单片机外围电路将采集到的温度信息传给单片机，单片机再将其传导上位机。上位机部分是利用 LabVIEW 开发环境设计 PC 机上位机的监控界面，上位机通过串行口与下位机的单片机通信，从而实现对过程参数的测量和采集。该温度检测系统设计简单，简化了系统与硬件结构，并且易于修改，具有很好的可扩展性6。系统
12、组成框图如图 2.1。图 2.1 系统组成框图上位机主要包括串口通信程序、温度预警系统、数据存储。上位机程序组成框图入图 2.2 所示。清华大学 2012 届毕业设计说明书5图 2.2 上位机程序组成框图下机位则是驱动 DS18B20，进行数据的采集，而后将采集到的数据通过串口通信传给上机位。2.2 温度检测系统的运行步骤温度检测系统的运行步骤温度提取：从传感器出来的信号要经过单片机才能送至计算机中进行数据的采集，所以在本次设计中单片机是不可或缺的一部分，它起到了连接纽带的作用。从传感器出来的信号接到单片机的输入口。利用 C 语言编程，使得单片机将温度传感器的温度信号转换为数字量。温度采集：将
13、单片机输出的温度进行采集，并通过 labview 的图表将得到的温度实时显示在上面，从而发现规律以便以后的使用。温度处理：单片机传入到计算机里的数据就需要进行采集处理了。因为此温度系统的核心其实就是利用这一系统能够根据温度的变化给出相应的处理，比如说外部温度比设定的温度高，那么我就需要降低温度，反之，则需要升高温度，因此对得到的温度进行相应的处理是这个系统的核心部分。利用 labview 将采集到的温度与设定值进行比较，来判断警报灯是否显示警报。温度存储：当警报灯发出警报时，利用 labview 的表格将超过预定值得温度记录下来，以便查看该情况是否由于意外造成，还是系统发生故障7。清华大学 2
14、012 届毕业设计说明书63 温度检测系统硬件设计方案温度检测系统硬件设计方案温度检测系统使用到的硬件有单片机 89C51 和温度传感器（DS18B20） 。3.1 单片机单片机3.1.1 单片机概述单片机也被称作“单片微型计算机”、 “微控制器”、 “嵌入式微控制器”。单片机一词最初是源于“Single Chip Microcomputer”,简称 SCM。随着 SCM 在技术上、体系结构上不断扩展其控制功能，单片机已不能用“单片微型计算机”来表达其内涵。国际上逐渐采用“MCU”(Micro Controller Unit)来代替，形成了单片机界公认的、最终统一的名词。为了与国际接轨，以后应
15、将中文“单片机”一词和“MCU”唯一对应解释。在国内因为“单片机”一词已约定俗成，故而可继续沿用8。3.1.2 STC89C51 单片机简介STC89C51 是宏晶科技公司生产的低电压，高性能的 CMOS8 位单片机片内4Kbytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128bytes 的随机存储器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失存储技术生产，兼容标准 MCS-51指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大。AT89C51 单片机可为你提供许多高性价的应用场合，可灵活的应用于各种控制领域。清华大学 2012 届毕业设计
16、说明书7图 3.1 单片机 AT89C51主要性能参数：与 MCS-51 产品指令系统的全兼容 4k 字节可重擦写 Flash 闪速存储器1000 次可擦写周期全静态操作：0Hz-24MHz三级加密程序存储器1288 字节内部 RAM 32 个可编程 I/O 口线2 个 16 位定时/计数器6 个中断源可编程串行 UART 通道低功耗空闲和掉电模式 STC89C51 提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部RAM，32 个 I/O 口线，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件的可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，窜行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但震荡清华大学 2012 届毕业设计说明书8器停止工作并禁止所有部件工作直到下一个硬件复位9。3.2
