基于虚拟仪器的温度测控系统设计

基于虚拟仪器的温度测控系统设计内容摘要：

具 (Tools)模板、控制 (Controls)模板和功能 (Functions)模板。 工具模板 (Tools Palette):工具模板为编程者提供了各种用于创建、修改和调试VI 程序 的工具。 控制模版（ Control Palatte）：用控制模板可以给前面板添加输入控制和输出显示。 每个图标代表一个子模板。 功能模板 （ Functions Palette）： 功能模板是创建程序框图的工具。 该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。 图 12 工具选版 图 13 控件选版 图 14 函数选版 简单 LabVIEW VI 程序实例 [5] 使用 LabVIEW 开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序， 简称为 VI。 VI 包 括三个部分：程序前面板、框图程序和图标 /连接器。 程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。 河南大学物理与电子学院本科毕业论文 7 在程序前面板上，输入量被称为控制，输出量被称为显示。 控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表等，这使这得前面板直观易懂。 下面是一个温度计程序。 图 15 Thermometer VI 前面板 每一个程序前面板都对应着一段框图程序。 框图程序用 LabVIEW 图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。 框图程序由端口、节点、图框和连线构成。 其中端 口被用来同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。 上述温度计程序 (Thermometer VI)的框图程序如下： 图 16 Thermometer VI 程序框图 2 RS232 串行通信协议 串行通信是工业现场仪器或设备常用的通信方式，它是将一条信号的各位数据按顺序逐位传送。 计算机串行通信 [6] (简称串口 )采用 RS232 协议，允许一个发送设备连接到一个接收设各以传送数据 ，最大速率为 115200bit/s。 计算机河南大学物理与电子学院本科毕业论文 8 串行口采用 Intel8250 异步串行通信组件构成，通常以 COMlCOM4 来表示。 本文需要通过 RS232 实现上位机 PC 与下位机 89C51 单片机实现通信。 LabVIEW 串口 VISA LabVIEW 中提供了已封装好的串口通信节点，它们位于函数 → 数据通信 →协议 → 串口 图 21 VISA串口 这里主要介绍程序中使用到的串口配置、串口读取、串口写入和串口关闭， 其他串口相关的节点使用方法查询 LabVIEW 帮助。 VISA 串口配置 在 进行串口通信时，首先要对串口进行初始化和配置。 这可以由 VISA 配置串口节点来完成，串口配置节点如下图所示。 图 22 VISA配置串口 使用该节点可以设置串口的 VISA 资源名称、波特率、数据位、校验位、超时时间、终止符以及流控制等参数。 VISA 资源名称控件用于规定对 VISA 会话句柄开放的资源，并维持会话句柄和类。 VISA 会话句柄是 VISA 使用的唯一逻辑标识符，用于与资源进行通信。 VISA 会话句柄由 VISA 资源名称输入控件保持，用户不可见。 VISA 资源 河南大学物理与电子学院本科毕业论文 9 名称输出是 VISA 函数中输出的 VISA 资源 名称的副本。 通过将资源名称输出或输入函数和 VI，并链接函数和 VI，从而简化数据流编程。 这与文件 I/O 函数使用的文件引用句柄输出相似。 VISA 串口写入 串口写入是将写入缓冲区的数据写入 VISA 资源名称指定的设备或接口，可以选择同步或异步。 该操作仅当传输结束后才返回。 VISA 写入的节点图标及端口定义如下图所示。 图 23 VISA写入 其中写入缓冲区包含要写入设备的数据。 返回数包含实际写入的字节数量。 串口读取 从 VISA 资源名称所指定的设备或接口中读取指定数量的字节，并将数 据返回至读取缓冲区，可以选择同步或异步。 该操作仅当传输结束后才返回。 VISA读取的节点图标及端口定义如下图所示。 图 24 VISA读取 其中字节总数包含要读取的字节数量，读取缓冲区包含从设备读取的数据，返叫数包含实际读取的字节数量。 串口关闭 关闭 VISA 资源名称指定的设备会话句柄或事件对象。 VISA 关闭节点的图标及端口定义如下图所示。 河南大学物理与电子学院本科毕业论文 10 图 25 VISA关闭 在使用 LabVIEW 提供的串口节点功能时，必须安装串口驱动。 RS232 串口通信原理 硬件结构：系统采用 AT89C51[7]作为下位机， PC机作为上位机，二者通过 RS232串口接收或发送数据，指令传输介质为二芯屏蔽电缆。 RS232 信号和单片机串口信号的电平转换采用 MAX232 其内部具有双驱动器、双接收器的通信器接口电路，通过外接电容而进行倍压及电压极性转换，只需 +5V， 5mA 的电源供电，串行通信原理图如下图所示： 图 26 串行通信原理图 通信协议：系统中 PC 机作为上位机负责系统的通信参数设定，数据接收处理及对单片机的控制，程序采用 LabVIEW 编写。 单片机接收 PC 机得指令，并向 PC及发送所需数据。 采 用 RS232 异步通信方式，单片机采用串口通信的方式 1，第 1位起始位， 8 位数据位，最后一位停止位，无奇偶校验，波特率为 9600bit/s。 3 上位机测控系统设计 在主机通信程序设计中 ， 串口通信 [8] [9]功能模块包括串口初始化模块、串口读模块以及串口写模块 ， 通过这些模块可以实现与单片机的通信 .编写 LabVIEW 程序时 , 首先进行串口初始化 ， 调用 VISA Configure Serial Port 按照通信协议完成串口参 河南大学物理与电子学院本科毕业论文 11 数的设置 ， 包括所用串口号、波特率、一帧信息中有效数据的位数、停止位、数据流量控制等。 VISA resource 端口号选择为计算机上的 COM1。 如果初始化没有问题 ， 就可以使用这个串口进行数据收发 .整个程序放在一个无限循环的 while 语句中。 通过一个发送按钮及一个条件结构决定 PC 机是否发送数据 ； 若发送按钮按下条件结构为真 ， 则 PC 机将写入缓冲区的数据写入 VISA Write模块后按照通信协议从串口发送给单片机。 若条件结构为假 ， 则只将 VISA 资源名称及错误输出传递给下个节点。 属性节点通过 VISA 资源名称获取串口传送过来的数据的字节总数 ， 将字节总数写入 VISA Read 模块 ， VISA Read 输出所接收到的数据 ， 通过一个条件结构确定是否清空接收缓冲的数据。 数据传送过程中是以 ASCII码字符串形式传送的。 在串口使用结束后 ， 使用 VISA Close 结束与 VISA Resource Name 指定的串口之间的会话。 LabVIEW 程序中还设计了一个时间和日期的小程序。 利用 LabVIEW 函数库中所自带的读取日期和时间的函数 ， 在 LabVIEW 的前面板创建显示时间和日期控件 ， 目的用于显示程序运行时的系统当前时间。 串口的设置及预设温度输入 本文实现的是温度的测量与控制。 串口的设置为波特率 9600bit/s,数据比特位为8 位，奇偶校验位无。 通过 VISA Write 向数据缓冲区写入两字节数据。 温度的上下限。 如温度下限为 30℃ ，上限为 35℃ ，当温度在预设范围内时“温度正常”指示灯亮，反之“温度异常”指示灯亮，上位机将输入的预设温度值通过 VISA 发送到串口的 SBUF 中，单片机读取预设温度值，根据接收到的预设温度及单片机通过DS18B20 中返回的温度值进行比较，如果实际温度值低于预设温度下限，则通过单片机内程序 向 口发送高电平启动加热系统，如果实际温度值低于预设温度上限，则向 口发送低电平启 动制冷系统。 如果在预设范围之内则维持低电平，加热和制冷系统都不工作。 河南大学物理与电子学院本科毕业论文 12 图 31 温度预设值的写入 图中 VISA Write 被置于一个条件结构中，当布尔控制键 (图中 OK 键 )按下时向VISA Write 中写入数据，在实际操作时，预设温度下限及预设温度上限合并为一个数组，并由空间转换为字符串写入到 VISA Write 中，通过 SBUF 写入到单片机中。 温度的显示 如 下 图为温度比较与显示程序框图 [9]， 当单片机接收到串口数据， 预设温度上下限后，单片机开始工作， 将采集的温度数据帧送往串口。 图 32 温度比较与警示显示程序框图 河南大学物理与电子学院本科毕业论文 13 温度数据帧格式为“ 0xF9， 0xFF,0x00/0xFF”。 其中： 0xF9 为固定帧头； 0xFF的最高位为符号位 (0 为正值， 1 为负值 )，低 7 位为温度整数部。