基于LabVIEW的串口温度监控系统设计.doc

基于LabVIEW的串口温度监控系统设计
摘要：本系统利用 DS18B20 数字温度传感器和 Atmel 公司生产的 AVR 系列ATmega16 单片机采集被测环境温度，将测得的数据经串口传给计算机。计算机利用 LabVIEW 的 VISA 读取串口数据并进行处理和显示，实现基于VISA的串口温度采集监控。
关键词：DS18B20 温度传感器 AVR 单片机 VISA 串口
1、 概述
实时数据采集是工业控制系统中必不可少的组成部分，是进行工业分析，工业处理和工业控制的依据。近年来由于大规模集成电路、单片机、计算机等在工业控制领域中的广泛应用，数字化的数据采集成为必然。这就对传感器的A/D性能，单片机的数据采集、处理和传输性能，计算机接口与通信技术提出了更高的要求。
本系统采用Atmel 公司生产的高速8位单片机AVR 系列 ATmega16 单片机作为温度数据采集和传输的主控芯片，温度传感器采用单总线方式的集成数字温度传感器 DS18B20 。采集得到的数据利用单片机经串口通讯的方式传输至计算机的串口。计算机上位机软件采用数据处理能力超强的LabVIEW软件编写，利用其所带的VISA驱动进行串口的数据采集和处理，实现基于VISA的串口温度采集监控。
2、 硬件设计
AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域，它与51单片机、PIC单片机相比具有一系列的优点：
1：在相同的系统时钟下AVR运行速度最快；
2: 芯片内部的Flsah、EEPROM、SRAM容量较大；
3：所有型号的Flash、EEPROM都可以反复烧写、全部支持在线编程烧写(ISP)；
4：多种频率的内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，零外围电路也可以工作；
5：每个IO口都可以以推换驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强；
6：内部资源丰富，一般都集成AD、DA模数器、PWM、SPI、USART、TWI、I2C通信口、丰富的中断源等。
目前支持AVR单片机编译器的语言主要有汇编语言、C语言、BASIC语言等。其中C编译器主要有CodeVisionAVR、AVRGCC、IAR、ICCAVR等，C语言编译器由于它具有功能强大、 运用灵活、代码小、运行速度快等先天性的优点，使得它在专业程序设计上具有不可代替的地位。
DSl8B20数字温度计提供9位(二进制)温度读数，指示器件的温度。信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出，因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线(和地线) ，DSl8B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。因为每一个DSl8B20在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DSl8B20可以存放在同一条单线总线上，这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。DSl8B20的测量范围从-55摄氏度到+125摄氏度增量值为0.5摄氏度。可在l s(典型值)内把温度变换成数字。
系统的硬件设计主要分为四个部分：单片机、供电电路、DS18B20、串口通讯。

图 1：单片机部分电路设计
单片机部分的电路设计如图1所示，主要包括复位电路、ISP接口、JTAG接口、晶振电路、A/D参考电压电路（此部分用于AD采集，本系统并未使用）。复位电路使用了钳位二极管钳位，防止触点电压过高烧坏RESET引脚。

图 2：供电电路设计 图 3：DS18B20电路设计
供电电路如图2所示，供电电路使用了BM1117进行稳压，防止电压过高烧坏单片机，并可以提高系统适应电压的范围，即使供电电压高于单片机正常工作电压也可以由BM1117稳压到单片机正常工作电压的范围。
DS18B20 的工作电路如图3所示，采用外部供电而非总线供电的方式，只需一个电容和两个电阻。

图 4：串口通信电路
串口通信采用Max232进行电平转换，电路原理图如图4所示，实物照片如图5所示。

图 5：实物照片
3、 软件设计
下位机软件采用C语言编写，包括DS18B20的读写和串口通信两个主要部分。上位机软件采用LabVIEW编写。相关程序段如下所示：
获取DS18B20数据：
uint8 gettemp(void) //读取温度值
{
uint8 temh,teml,wm0,wm1,wm2,wm3,temp;
init_1820(); //复位18b20
write_1820(0xCC); // 跳过ROM
write_1820(0x44); // 温度变换
init_1820();
write_1820(0xCC); // 跳过ROM
write_1820(0xbe); // 读暂存存储器
teml=read_1820(); //读数据
temh=read_1820();
wm0=teml>>4; //只要高8位的低四位和低8位的高四位，温度范围0~99
wm1=temh<<4;
wm2=wm1+wm0; //16进制转10进制
return wm2;
}
系统下位机主函数：
void main(void)
{
unsigned char i=0,tmp=0;
USART_Init(9600); //波特率9600 初始化串口
while(1)
{
tmp=gettemp();
USART_Transmit(tmp);
}
}
上位机软件采用当前测试测量应用最广泛的LabVIEW编写。LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。
图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。
利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的３２位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。
上位机的软件前后面板如图6所示：

图 6 上位机软件前后面板视图
4、 结束语
本系统利用数字化的温度传感器进行温度的采集监控，利用串口通信将采集的温度数据传给电脑，利用电脑进行数据处理和显示。既实现了采集监控的功能，又可以进行数据的进一步处理和分析。

附录：主要下位机程序代码
18B20.c
#include "config.h"
uint8 count,wmh,wml; //count为实际温度,wmh为温度的高位,wml为温度的低位
void init_1820(void)
{
SET_TEM_DDR; //设置数据端口为输出
SET_TEM_SDT;
CLR_TEM_SDT;
delay_us(480); //480us以上
SET_TEM_SDT;
CLR_TEM_DDR;
delay_us(20); //15~60us
while(CHECK_TEM_SDT);
SET_TEM_DDR;
SET_TEM_SDT;
delay_us(140); //60~240us
}
void write_1820(uint8 data)
{
uint8 i;
for(i=0;i<8;i++)
{
CLR_TEM_SDT; //从高到低，产生写间隙
if(data&(1<<i)) //写数据，先写低位
SET_TEM_SDT;
else
CLR_TEM_SDT;
delay_us(40); //15~60us
SET_TEM_SDT;
}
SET_TEM_SDT;
}
uint8 read_1820(void)
{
uint8 temp,k,n;
temp=0;
for(n=0;n<8;n++)
{
CLR_TEM_SDT;
SET_TEM_SDT; //从高到低再到高，产生读间隙
CLR_TEM_DDR; //设为输入
k=CHECK_TEM_SDT; //读数据,从低位开始
if(k)
temp|=(1<<n);
else
temp&=~(1<<n);
delay_us(50); //60~120us
SET_TEM_DDR; //设为输出
}
return (temp);
}
uint8 gettemp(void) //读取温度值
{
uint8 temh,teml,wm0,wm1,wm2,wm3,temp;
init_1820(); //复位18b20
write_1820(0xCC); // 跳过ROM
write_1820(0x44); // 温度变换
init_1820();
write_1820(0xCC); // 跳过ROM
write_1820(0xbe); // 读暂存存储器
teml=read_1820(); //读数据
temh=read_1820();
wm0=teml>>4; //只要高8位的低四位和低8位的高四位，温度范围0~99
wm1=temh<<4;
wm2=wm1+wm0; //16进制转10进制
return wm2;
}
Sio.c
#include "config.h"
void USART_Init( unsigned int baud )
{
unsigned int tmp;
/* 设置波特率*/
tmp= F_CPU/baud/16-1;
UBRRH = (unsigned char)(tmp>>8);
UBRRL = (unsigned char)tmp;
/* 接收器与发送器使能*/
UCSRB = (1<<RXEN)|(1<<TXEN);
/* 设置帧格式: 8 个数据位, 2 个停止位*/
UCSRC = (1<<URSEL)|(1<<USBS)|(1<<UCSZ0)|(1<<UCSZ1);
}
// 数据发送【发送5 到8 位数据位的帧】
void USART_Transmit( unsigned char data )
{
/* 等待发送缓冲器为空 */
while ( !( UCSRA & (1<<UDRE)) )
;
/* 将数据放入缓冲器，发送数据 */
UDR = data;
}
// 数据接收【以5 到8 个数据位的方式接收数 据帧】
unsigned char USART_Receive( void )
{
/* 等待接收数据*/
while ( !(UCSRA & (1<<RXC)) )
;
/* 从缓冲器中获取并返回数据*/
return UDR;
}
Main.c
#include "config.h"
void main(void)
{
unsigned char tmp=0;
USART_Init(9600); //波特率9600 初始化串口
while(1)
{
tmp=gettemp();
USART_Transmit(tmp);
}
}