基于LabVIEW和單片機的虛擬溫度檢測系統(tǒng)設計

1、 1 引 言1.1 設計背景隨著計算機技術尤其是單片微型機技術的發(fā)展，人們已越來越多地采用單片機來對一些工業(yè)控制系統(tǒng)中如溫度、流量和壓力等參數(shù)進行檢測和控制。pc機具有強大的監(jiān)控和管理功能，而單片機則具有快速及靈活的控制特點，通過pc機的rs-232串行接口與外部設備進行通信，是許多測控系統(tǒng)中常用的一種通信解決方案。labview是一個劃時代的圖形化編程系統(tǒng)，應用于數(shù)據(jù)采集與控制、信號分析等方面，它為不熟悉文本語言編程的專業(yè)科技工作者在測控領域建立計算機儀器系統(tǒng)虛擬儀器，提供了一個便捷、輕松的圖形化設計環(huán)境。由于其靈活、簡單易用、開發(fā)效率高等特點，正逐漸成為科技工作者進行儀器應用與開發(fā)的得力工

2、具。數(shù)據(jù)采集是開發(fā)過程中一個重要的環(huán)節(jié)，采用以8位單片機stc89c51作為前端數(shù)據(jù)采集，通過串口進行與labview的數(shù)據(jù)通訊，就可實現(xiàn)低成本、靈活方便、接口簡單的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1。這對于許多信號頻率不是太高的場合，此方案無疑非常便利。本文所介紹的就是這樣一種利用labview 對stc89c51的數(shù)據(jù)進行分析處理，并通過串口實現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)交換、經(jīng)濟實用的數(shù)據(jù)采集。1.1.1 溫度的研究背景 傳統(tǒng)靠人工控制的溫度、濕度、液位等信號的測壓力控系統(tǒng)，外圍電路比較復雜，測量精度較低，分辨力不高，需進行溫度校準(非線性校準、溫度補償、傳感器標定等)；且它們的體積較大、使用不夠方便，更重要的是參數(shù)的

3、設定需要有其它儀表的參與，外界設備多，成本高，因而越來越適應不了社會的要求。在對多類型、多通道信號同時進行檢測和控制中，傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)能力有限。如何將計算機與各種設施、設備結合，簡化人工操作并實現(xiàn)自動控制，滿足社會的需求，成為一個很迫切的問題。溫度檢測是現(xiàn)代檢測技術的重要組成部分，在保證產(chǎn)品質量、節(jié)約能源和安全生產(chǎn)等方面起著關鍵的作用。由單片集成電路構成的溫度傳感器的種類越來越多，測量的精度越來越高，響應時間越來越短，因其使用方便、無需變換電路等特點已經(jīng)得到了廣泛的應用。隨著社會的發(fā)展、科技的進步以及人們生活水平的逐步提高，各種方便于生產(chǎn)的自動控制系統(tǒng)開始進入了人們的生活，以單片機為核心的溫度

4、采集系統(tǒng)就是其中之一。同時也標志了自動控制領域成為了數(shù)字化時代的一員。它實用性強，功能齊全，技術先進，使人們相信這是科技進步的成果。溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用2。隨著電子技術和微型計算機的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。單片機具有處理能強、運行速度快、功耗低等優(yōu)點，應用在溫度測量與控制方面，控制簡單方便，測量范圍廣，精度較高。1.1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 虛擬儀器技術是儀器技術和計算機技術深層次相結合的產(chǎn)物。從20世紀80年代，虛擬儀器逐漸為工業(yè)界和學術界所認可。經(jīng)過了近20年的發(fā)展，它已經(jīng)

5、成為21世紀測試技術和儀器技術發(fā)展的主要發(fā)現(xiàn)。所謂虛擬儀器(virtuallnstrument，簡稱)，就是用戶在通用計算機平臺上，根據(jù)需求定義和設計儀器的測試功能，使得使用者在操作這臺計算機時，就像是在操作一臺他自己設計的測試儀器一樣。虛擬儀器概念的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義，用戶無法改變的工作模式，使得用戶可以根據(jù)自己的需求，設計自己的儀器系統(tǒng)。在測試系統(tǒng)和儀器設計中盡量用軟件代替硬件，充分利用計算機技術宋實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)測試系統(tǒng)與儀器的功能?！败浖褪莾x器”是虛擬儀器概念最簡單，也是最本質的表述3。vi技術的發(fā)展和應用源于1986年美國ni公司設計的labview。這是一種基于圖像的開

6、發(fā)、調(diào)試和程序的集成開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)了vi的概念。它的出現(xiàn)，使用戶可以自己定義儀器，靈活地設計儀器系統(tǒng)，滿足多樣化的實際需求。隨著虛擬儀器技術軟件開發(fā)平臺及硬件的發(fā)展，基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)開發(fā)周期縮短，費用降低，測試速度、準確度及可復用性提高，且更便于維護和擴展。目前國內(nèi)外這種軟件主要有美國dsp公司的dadisp軟件，和以實驗后數(shù)據(jù)處理分析和表示見長的美國ni公司的系列虛擬儀器開發(fā)平臺。美國uatech公司的daslab軟件包和惠普公司的vee軟件平臺,它們都是可以搭建虛擬測試系統(tǒng)的軟件平臺，以圖形化編程和界面靈活見長。華中理工大學的vi98虛擬儀器系統(tǒng)和哈爾濱工業(yè)大學的儀器王以虛擬的單個儀

7、器或儀器庫見長。其中，美國ni公司的labview軟件功能最為完善，labview軟件以簡單、直觀的圖形化編程方式、強大的圖形顯示和數(shù)據(jù)處理能力見長，運行速度快、開發(fā)周期短、界面靈活是其又一大優(yōu)勢，所以基于labview的虛擬儀器應用相當廣泛。虛擬儀器作為新興的儀器儀表，用戶可以定義其結果和功能，構建靈活，轉變?nèi)菀祝虼怂诟鱾€領域都得到廣泛的應用。國內(nèi)單位和院校正加緊步伐研究和開發(fā)自己的虛擬儀器系統(tǒng)。中國國防科技大學進行了虛擬數(shù)字示波器的設計研究，其結果與hp公司的雙通道臺式數(shù)字存儲示波器hp54603b相比，增加了頻域分析，測試結果和波形直接打印輸出等功能。東方振動和噪聲技術研究所研制成了

8、inv303/306智能信號自動采集處理分析儀系統(tǒng)，并推出了dasp軟件；重慶大學開發(fā)了虛擬實時噪聲倍頻程分析儀，實現(xiàn)了對噪聲總聲壓級、各種記權聲壓級及相應倍頻程的實時測量和分析；清華大學利用虛擬儀器技術構建汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動機出廠前的自動檢測。虛擬儀器已經(jīng)在超大規(guī)模集成電路測試，現(xiàn)代家用電器測試以及軍事、航天、工廠測試等領域得到應用4。1.2 溫度檢測系統(tǒng)設計研究的意義溫度是生產(chǎn)過程和科學實驗中普遍而且重要的物理參數(shù)，隨著社會的發(fā)展，科技的進步，以及測溫儀器在各個領域的應用，智能化已是現(xiàn)代溫度控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。特別是近年來，溫度控制系統(tǒng)已應用到人們生活的各個方面，但溫度控

9、制一直是一個未開發(fā)的領域，卻又是與人們息息相關的一個實際問題。針對這種實際情況，設計一個溫度檢測系統(tǒng)，具有廣泛的應用前景與實際意義。溫度是一個重要的物理量，它反映了物體冷熱的程度，與自然界中的各種物理和化學過程相聯(lián)系。在工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，各個環(huán)節(jié)都與溫度緊密相聯(lián)，溫度的準確監(jiān)測及控制占據(jù)著極其重要地位。比如，發(fā)電廠鍋爐的溫度必須控制在一定的范圍之內(nèi)；許多化學反應的工藝過程必須在適當?shù)臏囟认虏拍苷＿M行等。沒有合適的溫度環(huán)境，許多電子設備就不能正常工作，糧倉的儲糧就會變質霉爛，酒類的品質就沒有保障?？梢?，溫度的測量和控制是非常重要的5。1.3 溫度檢測系統(tǒng)的設計方案本論文大致包括兩部分，

10、labview部分（上機部分）和單片機部分（下機部分）。上機部分包括labview人機交換頁面和溫度采集，顯示和報警等方面，主要是將采集到得溫度顯示出來，并與設置的溫度上下限相比較，進而啟動警報。下機部分主要完成溫度的采集。需要通過單片機驅動溫度傳感器，采集當前溫度，并通過串口通信將溫度傳給labview溫度采集平臺。2 溫度檢測系統(tǒng)設計思路2.1 溫度檢測系統(tǒng)工作原理基于labview和ds1820的溫度測試系統(tǒng)可分為上位機和下位機兩部分。上位機采用labview編程，pc通信自帶串行口，和單片機進行串口通信；下位機選用51系列單片機，c語言編程，單片機外圍電路將采集到的溫度信息傳給單片機，

11、單片機再將其傳導上位機。上位機部分是利用labview開發(fā)環(huán)境設計pc機上位機的監(jiān)控界面，上位機通過串行口與下位機的單片機通信，從而實現(xiàn)對過程參數(shù)的測量和采集。該溫度檢測系統(tǒng)設計簡單，簡化了系統(tǒng)與硬件結構，并且易于修改，具有很好的可擴展性6。系統(tǒng)組成框圖如圖2.1。 圖2.1 系統(tǒng)組成框圖上位機主要包括串口通信程序、溫度預警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲。上位機程序組成框圖入圖2.2所示。圖2.2 上位機程序組成框圖下機位則是驅動ds18b20，進行數(shù)據(jù)的采集，而后將采集到的數(shù)據(jù)通過串口通信傳給上機位。2.2 溫度檢測系統(tǒng)的運行步驟溫度提?。簭膫鞲衅鞒鰜淼男盘栆?jīng)過單片機才能送至計算機中進行數(shù)據(jù)的采集，所以在

12、本次設計中單片機是不可或缺的一部分，它起到了連接紐帶的作用。從傳感器出來的信號接到單片機的輸入口。利用c語言編程，使得單片機將溫度傳感器的溫度信號轉換為數(shù)字量。溫度采集：將單片機輸出的溫度進行采集，并通過labview的圖表將得到的溫度實時顯示在上面，從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律以便以后的使用。溫度處理：單片機傳入到計算機里的數(shù)據(jù)就需要進行采集處理了。因為此溫度系統(tǒng)的核心其實就是利用這一系統(tǒng)能夠根據(jù)溫度的變化給出相應的處理，比如說外部溫度比設定的溫度高，那么我就需要降低溫度，反之，則需要升高溫度，因此對得到的溫度進行相應的處理是這個系統(tǒng)的核心部分。利用labview將采集到的溫度與設定值進行比較，來判斷警報燈

13、是否顯示警報。溫度存儲：當警報燈發(fā)出警報時，利用labview的表格將超過預定值得溫度記錄下來，以便查看該情況是否由于意外造成，還是系統(tǒng)發(fā)生故障7。3 溫度檢測系統(tǒng)硬件設計方案溫度檢測系統(tǒng)使用到的硬件有單片機89c51和溫度傳感器（ds18b20）。3.1 單片機3.1.1 單片機概述單片機也被稱作“單片微型計算機”、“微控制器”、“嵌入式微控制器”。單片機一詞最初是源于“single chip microcomputer”,簡稱scm。隨著scm在技術上、體系結構上不斷擴展其控制功能，單片機已不能用“單片微型計算機”來表達其內(nèi)涵。國際上逐漸采用“mcu”(micro controller u

14、nit)來代替，形成了單片機界公認的、最終統(tǒng)一的名詞。為了與國際接軌，以后應將中文“單片機”一詞和“mcu”唯一對應解釋。在國內(nèi)因為“單片機”一詞已約定俗成，故而可繼續(xù)沿用8。3.1.2 stc89c51單片機簡介stc89c51是宏晶科技公司生產(chǎn)的低電壓，高性能的cmos8位單片機片內(nèi)4kbytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（perom）和128bytes的隨機存儲器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失存儲技術生產(chǎn)，兼容標準mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（cpu）和flash存儲單元，功能強大。at89c51單片機可為你提供許多高性價的應用場合，可靈活的應用于

15、各種控制領域。圖3.1 單片機at89c51主要性能參數(shù)：與mcs-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)的全兼容 4k字節(jié)可重擦寫flash閃速存儲器1000次可擦寫周期全靜態(tài)操作：0hz-24mhz三級加密程序存儲器1288字節(jié)內(nèi)部ram 32個可編程i/o口線2個16位定時/計數(shù)器6個中斷源可編程串行uart通道低功耗空閑和掉電模式 stc89c51提供以下標準功能：4k字節(jié)flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部ram，32個i/o口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)震蕩器及時鐘電路。同時，at89c51可降至0hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件的可選的節(jié)電工作模式。空閑

16、方式停止cpu的工作，但允許ram，定時/計數(shù)器，竄行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存ram中的內(nèi)容，但震蕩器停止工作并禁止所有部件工作直到下一個硬件復位9。3.2 單片機的串行通信mcs-51單片機內(nèi)部有一個全雙工的串行接收和發(fā)射緩沖器（sbuff），這兩個在物理上獨立的接收發(fā)射器，即可以接收也可以發(fā)射數(shù)據(jù)，但接收緩沖器只可以讀出不能寫入，而發(fā)送緩沖器只能寫入不能讀出，它們的地址是99h。這個通信口即可以用于網(wǎng)絡通信，亦可以實現(xiàn)串行異步通信，還可以構成同步移位寄存器使用。如果在串行口的輸入輸出引腳上加上電平轉換器，就可以方便的構成標準的rs-232接口10。下面我們分別介紹。3.2.1

17、 基本概念數(shù)據(jù)通信的傳輸方式：常用于數(shù)據(jù)通信的傳輸方式有單工、半雙工、全雙和工方式。a 單工方式：數(shù)據(jù)僅按一個固定的方向傳送。因為這種傳輸方式的用途有限，常用于串行口的打印數(shù)據(jù)傳輸與簡單系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)采集。b 雙工方式：數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)雙向傳送，但不能同時進行，實際的應用采用某種協(xié)議實現(xiàn)收發(fā)開關轉換。c 全雙工方式：允許雙方同時進行數(shù)據(jù)雙向傳送，但一般全雙工電路的線路和設備比較復雜。d 多工方式：以上三種傳輸方式都是同一線路傳輸一種頻率信號，為了充分的利用線路資源，可通過使用多路復用器或多路集線器，采用頻分、時分、或碼分復用技術，即可實現(xiàn)在同一線路上資源共享功能，我們稱之為多工傳輸方式。串行通信的兩

18、種通信形式a. 異步通信 在這種通信方式中，接收器和發(fā)射器有各自的時鐘，他們的工作是非同步的，異步通信用一幀來表示一個字符，其內(nèi)容如下：一個起始位，緊接著是若干個數(shù)據(jù)位，圖 是傳輸45h的數(shù)據(jù)格式。b. 同步通信 同步通信格式中，發(fā)送器和接收器由同一個時鐘源控制，為了克服在異步傳輸中，每傳輸一幀字符都必須加上起始位和停止位，占用了傳輸時間，在要求傳送的數(shù)據(jù)量較大的c. 串行數(shù)據(jù)通信的傳輸速率：串行數(shù)據(jù)傳輸率有兩個概念，既美秒傳送的位數(shù)bps(bit per second)和每秒符號數(shù)-波特率（band rate）,在具有調(diào)治解調(diào)器的通信中，波特率與調(diào)治速率有關。3.2.2 mcs-51的串行和

19、控制寄存器 串行口和控制寄存器mcs-51單片機串行口專用寄存器結構如下。sbuf為串行口的收發(fā)緩沖器，它是一個可尋址的專用寄存器，其中包含了接收器和發(fā)射器寄存器，可以實現(xiàn)全雙工通信。但這兩個寄存器具有同一地址（99h）。mcs-51的串行數(shù)據(jù)傳輸很簡單，只要向緩沖器寫入數(shù)據(jù)就可發(fā)送數(shù)據(jù)。而從接收緩沖器讀出數(shù)據(jù)既可接收數(shù)據(jù)。此外，接收緩沖器前還加上一級輸入移位寄存器，mcs-51這種結構的目的在于接收數(shù)據(jù)時避免發(fā)生重疊現(xiàn)象，文獻稱這種結構為雙緩沖結構。而發(fā)送數(shù)據(jù)就不需要這樣設計，因為發(fā)送時，cpu是主動的，不可能出現(xiàn)這種情況。a：串行通信寄存器在上一節(jié)我們已經(jīng)分析了scon控制寄

20、存器，它是一個可尋址的專用寄存器，用于串行數(shù)據(jù)通信的控制，單元地址是98h，其結構格式如下：表3.1 scon寄存器結構表1 寄存器scon結構scond7d6d5d4d3d2d1d0sm0sm1sm2rentb8rb8tiri位地址9fh9eh8dh9ch9bh9ah99h98h下面我們對個控制位功能介紹如下：（1）sm0、sm1：串行口工作方式控制位 smo sm1 工作方式 功能說明 0 0 方式0 移位寄存器方式（用于i/o擴展） 0 1 方式1 8位uart，波特率可變（t1溢出率/ n） 1 0 方式2 9 位uart，波特率為fosc/64或fosc/321 1 方式3 9位ua

21、rt，波特率可變（t1溢出率/ n） （2）sm2：多機通信控制位多機通信是工作方式2和方式3，sm2位主要用于方式2和方式3。接收狀態(tài)，當串行口工作方式2或3，以及sm2=1時，只有當接收到第9位數(shù)據(jù)（rb8）為1時，才把接收的前8位數(shù)據(jù)送入sbuf，且置位ri發(fā)出中斷申請，否則會將收到的數(shù)據(jù)放棄。當sm2=0時，只有在接收到有效停止位時才啟動ri，若沒接收到有效停止位，則ri清“0”。在方式0中sm2應該為“0”。ren：允許接收控制位。由軟件置“1”時，允許接收；軟件置“0”時，不許接收。tb8：在方式3和方式3中要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)，需要時用軟件置位和清零。tb8：在方式2和方式3中是接

22、收到的第9位數(shù)據(jù)。在方式1時，如sm2=0，rb8接收到的停止位。在方式0中，不使用rb8。ti：發(fā)送中斷標志。由硬件在方式0發(fā)送完第8位時置“1”，或在其它方式中串行發(fā)送停止位的開始時置“1”。必須由軟件清“0”。ri：接收中斷標志。由硬件在方式0串行發(fā)射第8位結束時置“1”b:特殊功能寄存器pconpcon：主要是是chmos型單片機的電源控制而設置的專用寄存器，單元地址為87h其機構格式如下表：表3.2 特殊功能寄存器pcon pcond7d6d5d4d3d2d1d0位符號smodgf1gf0pdidl在chmos型單片機中，除smod位外其它位均為虛設的，smod是串行波特率倍增位，當

23、smod=1時串行口波特率加倍，系統(tǒng)復位默認為smod=0。c：中斷允許寄存器ie中斷允許寄存器這里重述一下對串行口有影響的位es。es為串行中斷允許控制位，es=1允許串行中斷，es=0，禁止串行中斷。 串行口工作方式串行口具有4種工作方式，我從應用和畢業(yè)設計的角度，重點討論方式1發(fā)送。串行口定義為方式1時傳送1幀數(shù)據(jù)為10位，其中1位起始地址、8位數(shù)據(jù)位（先低位后高位）、1位停止位方式1的波特率可變，波特率=(t1的溢出率)11.12.13。表3.3 中斷允許寄存器符號eaeset1ex1etoex0位地址afhaehadhachabhaaha8ha8h3.3 ds18b20

24、溫度傳感器簡介3.3.1 溫度傳感器的歷史及簡介溫度的測量是從金屬(物質)的熱脹冷縮開始。水銀溫度計至今仍是各種溫度測量的計量標準?？墒撬娜秉c是只能近距離觀測，而且水銀有毒，玻璃管易碎。代替水銀的有酒精溫度計和金屬簧片溫度計，它們雖然沒有毒性，但測量精度很低，只能作為一個概略指示。不過在居民住宅中使用已可滿足要求。在工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究中為了配合遠傳儀表指示，出現(xiàn)了許多不同的溫度檢測方法，常用的有電阻式、熱電偶式、pn結型、輻射型、光纖式及石英諧振型等。它們都是基于溫度變化引起其物理參數(shù)(如電阻值，熱電勢等)的變化的原理。隨著大規(guī)模集成電路工藝的提高，出現(xiàn)了多種集成的數(shù)字化溫度傳感器14。3.

25、3.2 ds18b20的工作原理ds18b20工作時序根據(jù)ds18b20的通訊協(xié)議，主機控制ds18b20完成溫度轉換必須經(jīng)過三個步驟：1. 每一次讀寫之前都必須要對ds18b20進行復位；2. 復位成功后發(fā)送一條rom指令；3. 最后發(fā)送ram指令，這樣才能對ds18b20進行預定的操作。復位要求主cpu將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，ds18b20收到信號后等待1560微秒左右后發(fā)出60240微秒的存在低脈沖，主cpu收到此信號表示復位成功。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序，具體工作方法如圖3.2，3.3，3.4所示15。(1) 初始化時序圖3.2 初始化時序總線上

26、的所有傳輸過程都是以初始化開始的，主機響應應答脈沖。應答脈沖使主機知道，總線上有從機設備，且準備就緒。主機輸出低電平，保持低電平時間至少480us，以產(chǎn)生復位脈沖。接著主機釋放總線，4.7k上拉電阻將總線拉高，延時1560us，并進入接受模式，以產(chǎn)生低電平應答脈沖，若為低電平，再延時480us。(2) 寫時序圖3.3 寫時序 寫時序包括寫0時序和寫1時序。所有寫時序至少需要60us，且在2次獨立的寫時序之間至少需要1us的恢復時間，都是以總線拉低開始。寫1時序，主機輸出低電平，延時2us，然后釋放總線，延時60us。寫0時序，主機輸出低電平，延時60us，然后釋放總線，延時2us。(3) 讀時

27、序圖3.4 讀時序總線器件僅在主機發(fā)出讀時序是，才向主機傳輸數(shù)據(jù)，所以，在主機發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時序，以便從機能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有讀時序至少需要60us，且在2次獨立的讀時序之間至少需要1us的恢復時間。每個讀時序都由主機發(fā)起，至少拉低總線1us。主機在讀時序期間必須釋放總線，并且在時序起始后的15us之內(nèi)采樣總線狀態(tài)。主機輸出低電平延時2us，然后主機轉入輸入模式延時12us，然后讀取總線當前電平，然后延時50us。 rom操作命令當主機收到dsl8b20 的響應信號后，便可以發(fā)出rom 操作命令之一，這些命令如表3.4：rom操作命令。表3.4：rom操作命令。指

28、令約定代碼功能讀rom33h讀ds18b20 rom中的編碼符合rom55h發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出64位rom編碼，訪問單線總線上與該編碼相對應的ds18b20 使之作出響應，為下一步對該ds18b20的讀寫作準備搜索rom0f0h用于確定掛接在同一總線上ds18b20的個數(shù)和識別64位rom地址，為操作各器件作好準備跳過rom0cch忽略64位rom地址，直接向ds18b20發(fā)溫度變換命令，適用于單片工作告警搜索命令0ech執(zhí)行后，只有溫度超過設定值上限或者下限的片子才做出響應溫度變換44h啟動ds18b20進行溫度轉換，轉換時間最長為500ms，結果存入內(nèi)部9字節(jié)ram中讀暫存器0beh

29、讀內(nèi)部ram中9字節(jié)的內(nèi)容寫暫存器4eh發(fā)出向內(nèi)部ram的第3，4字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟讀命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)復制暫存器48h將e2pram中第3，4字節(jié)內(nèi)容復制到e2pram中重調(diào)2pram0bbh將e2pram中內(nèi)容恢復到ram中的第3，4字節(jié)讀供電方式0b4h讀ds18b20的供電模式，寄生供電時ds18b20發(fā)送“0”，外接電源供電ds18b20發(fā)送“1”3.3.3 ds18b20的測溫原理 ds18b20的測溫原理每一片dsl8b20在其rom中都存有其唯一的48位序列號，在出廠前已寫入片內(nèi)rom 中。主機在進入操作程序前必須用讀rom(33h)命令將

30、該dsl8b20的序列號讀出。程序可以先跳過rom，啟動所有dsl8b20進行溫度變換，之后通過匹配rom，再逐一地讀回每個dsl8b20的溫度數(shù)據(jù)。ds18b20的測溫轉換時間表如圖2.4所示，表24 ds18b20溫度轉換時間表r1r0分辨率/位溫度最大轉向時間/ms00993.750110187.510113751112750圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，ds18b20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計

31、數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55 所對應的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在-55 所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器1的預置將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖2.3中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關

32、閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值. 另外，由于ds18b20單線通信功能是分時完成的，他有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對ds18b20的各種操作必須按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初始化ds18b20（發(fā)復位脈沖）發(fā)rom功能命令發(fā)存儲器操作命令處理數(shù)據(jù)。減法計數(shù)器斜坡累加器減到0減法計數(shù)器預 置低溫度系數(shù)振 蕩 器高溫度系數(shù)振 蕩 器計數(shù)比較器預 置溫度寄存器減到0圖34 測溫原理內(nèi)部裝置 ds18b20的測溫流程初始ds18b20跳過rom匹配溫度變換延時1s跳過rom匹配讀暫存器轉換成數(shù)碼圖3.5 ds18b20測溫流程3.4 溫度測試系統(tǒng)工作流程圖系統(tǒng)

33、程序主要包括主程序，讀出溫度子程序。1）主程序主程序的主要功能是負責經(jīng)子程序傳來的溫度送入緩沖區(qū)中，并構建起與電腦的串口通信，將溫度傳送給電腦。采集到的溫度每一分鐘發(fā)送一次，其程序流程見圖5.1所示。發(fā)送到串口圖5.1 主程序流程圖2）讀出溫度子程序讀出溫度子程序的主要功能是讀出ram中的9字節(jié)，在讀出時需進行crc校驗，校驗有錯時不進行溫度數(shù)據(jù)的改寫。此程序中包括ds18b20的初始化，讀取ds18b20采集到得溫度，校驗溫度，設置溫度采集的上下限（保護ds18b20）。ds18b20的各個命令對時序的要求特別嚴格，所以必須按照所要求的時序才能達到預期的目的，同時，要注意讀進來的是高位在后低

34、位在前，共有12位數(shù)，小數(shù)4位，整數(shù)7位，還有一位符號位。本次只讀取溫度的整數(shù)部分。并且在采集溫度過程中ds18b20的每秒采集一次。ds18b20初始化跳過rom匹配命令寫入子程序溫度轉換命令寫入子程序校驗溫度設置溫度上限 圖5.2 讀出溫度子程序3）全部程序。在程序中使用到了大量輔助的程序，以保證程序的正確運行，如延時函數(shù)就有三種不同的形式出現(xiàn)，在此就不具體陳述。主程序見附錄i，讀取溫度程序見附錄；4 溫度測試系統(tǒng)程序設計4.1 虛擬儀器national instruments（美國國家儀器有限公司）在業(yè)界率先提出“虛擬儀器”（virtual instrumentation）概念至今已有2

35、0年了。在這20年里，ni逐步改變了全世界工程師和科學家們對于測量和自動化的方法。今天，全世界的工程師和科學家們正在成千上萬個應用系統(tǒng)中使用“虛擬儀器技術”，從而達到縮短開發(fā)時間、提高產(chǎn)品品質并降低生產(chǎn)成本的共同目的。同時，虛擬儀器技術也正逐漸趨于成熟和完善的境界16。 虛擬儀器系統(tǒng)的基本構架包括功能強大的軟件、模塊化的測量硬件及標準商業(yè)科技（如個人計算機和網(wǎng)際網(wǎng)絡）。虛擬儀器技術包含了專為控制應用設計的軟件及針對不同頻率與精確度范圍的通用測量硬件，因此，工程師可以在測試或控制應用中自行定義測量功能。這些軟硬件工程工具能緊密地與開放式的商業(yè)計算機平臺整合使用，充分利用不斷進步的計算機科技以獲取

36、高效率、高性能及低成本的利益。同時，其應用范圍極其廣泛，從汽車到消費電子，從石油到燃料能源，橫跨數(shù)百個工業(yè)領域。 隨著莫爾定律的持續(xù)發(fā)展及個人計算機技術的日新月異，虛擬儀器系統(tǒng)的功能也越來越強大。個人計算機的內(nèi)存、影像處理、輸入輸出及中央處理單元的性能每年都在提高，而這些技術都有利于“虛擬”的測量和自動化系統(tǒng)的發(fā)展。從15年前個人計算機的出現(xiàn)至今，其性能已提高了1000倍，而其價格卻不斷地下降，因此，這些功能強大、性能可靠、成本低廉的計算機系統(tǒng)被廣泛應用到實驗室的產(chǎn)品研發(fā)及生產(chǎn)線上產(chǎn)品的制程中。個人計算機的不斷發(fā)展進步不僅使得虛擬儀器系統(tǒng)成為一種低成本、高彈性的解決方案，更大大提升了企業(yè)生產(chǎn)率

37、，而這是傳統(tǒng)獨立的儀器設備所無法比擬的優(yōu)勢。 4.2 labview的開發(fā)虛擬儀器實際上是一個按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎理論主要有計算機數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理。目前在這一領域內(nèi)，使用較為廣泛的計算機語言是美國ni公司的labview17。虛擬儀器的起源可以追溯到20世紀70年代，那時計算機測控系統(tǒng)在國防、航天等領域已經(jīng)有了相當?shù)陌l(fā)展。pc機出現(xiàn)以后，儀器級的計算機化成為可能，甚至在microsoft公司的windows誕生之前，ni公司已經(jīng)在macintosh計算機上推出了labview2.0以前的版本。對虛擬儀器和labview長期、系統(tǒng)、有效的研究開發(fā)使得該

38、公司成為業(yè)界公認的權威。目前l(fā)abview的最新版本為labview8.6，labview 8.6為多線程功能添加了更多特性，這種特性在1998年的版本5中被初次引入。使用labview軟件，用戶可以借助于它提供的軟件環(huán)境，該環(huán)境由于其數(shù)據(jù)流編程特性、labview real-time工具對嵌入式平臺開發(fā)的多核支持，以及自上而下的為多核而設計的軟件層次，是進行并行編程的首選。labview（laboratory virtual instrument engineering workbench）是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序的

39、執(zhí)行順序，而labview則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)決定了程序的執(zhí)行順序。他用圖標表示函數(shù)，用連線雕飾數(shù)據(jù)流向18。labview提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器，萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在labview中稱為前面板。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱g（graphisc）代碼。labview的圖形化源代碼在某種程度上類似于數(shù)據(jù)流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。前面板上的每一個控件對應程序框圖中的一個對象，當數(shù)據(jù)“流向”該控件時，控件就會根據(jù)自己的特性以一定的方式顯示數(shù)據(jù)例如開關，數(shù)字和圖形。labv

40、iew程序被成為vi（virtual instrument），即虛擬儀器，這是因為它的很多界面控件與操作都模擬了現(xiàn)實世界中的儀器，例如示波器與萬用表。labview的核心概念就是“軟件即是儀器”，即虛擬儀器的概念。labview還包含了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲。這些工具都是向導式的工具，用戶只需要一步步按照提示就可以實現(xiàn)與儀器的連接和參數(shù)的設置。而程序員也不用去記憶這些大量的函數(shù)，因為這些函數(shù)都以圖標與名稱的形式存在于一個小小的函數(shù)面板上，當然要用到某個函數(shù)時把它從函數(shù)面板上拖到程序框圖中就可以了。這一切都是圖形化帶來的好處19.20。4.2.1 labview的作用由于

41、labview可以用來創(chuàng)建通用的應用程序，因此被成為一種通用的編程語言。但是它在測試、測量和自動化等領域具有更大的優(yōu)勢，因為labview提供了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲。同時他還提供了大量常用于自動化測試測量領域的圖形控件。這使得用戶可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成一套完整的從儀器連接、數(shù)據(jù)采集到分析、現(xiàn)實和存儲的自動化測試測量系統(tǒng)。因此它被廣泛的應用于汽車、通信、航空、半導體、電子設計生產(chǎn)、過程控制和生物醫(yī)學等各個領域，涵蓋了從研發(fā)、測試、生產(chǎn)到服務的產(chǎn)品開發(fā)所有階段。今天歐美的許多高校非計算機專業(yè)的學生選修g語言并用它開發(fā)應用的軟件的人已經(jīng)超過c等文本語言。近年來我國高校g語言教學

42、實踐正在迅速開展。labview不僅可以用來快速搭建小型自動化測試測量系統(tǒng)，還可以用來開發(fā)大型的分布式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。在美國lawrence livermore國家實驗室，一共花費了2000萬美金的極為復雜的飛秒激光切割系統(tǒng)就是基于labview開發(fā)的。該系統(tǒng)中，4臺windows nt 工作站用網(wǎng)絡連接起來，labview用來給激光提供測量、控制和自動程序，同時作為半熟練操作者的高層用戶界面。幾乎安裝了所有類別的i/o硬件：daq、gpib、串口、遠程控制scxi、vme/vxi以及imaq成像。由于這個項目的極端重要性，因此本項目采取了正式的軟件質量保證過程。軟件開發(fā)總共用了4個年度，創(chuàng)

43、建了約600個vi。4.2.2 labview的優(yōu)點選擇labview開發(fā)測試和測量用程序的一大決定性因素是其開發(fā)速度。通常，使用labview開發(fā)應用系統(tǒng)的速度比使用其他編程語言快410倍。這一驚人速度背后的原因在于labview易用易學，它所提供的工具使創(chuàng)建測試和測量應用變得更為輕松21。labview的具體優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。（1）提供了豐富的圖形化控件，并采用圖形化的編程方法，徹底把工程師們從負責苦澀的文本編程中解放出來。（2）內(nèi)建的編譯器在用戶編寫程序的同時就在后臺自動完成了編譯。因此用戶在編寫程序的過程中如果有錯誤，它會被立即顯示出來。（3）由于采用數(shù)據(jù)流模型，它實現(xiàn)了自動

44、的多線程，從而能充分利用處理器尤其是多處理器的處理能力。（4）通過dll、cin節(jié)點、activex、.net或matlab腳本節(jié)點等技術，可以輕松實現(xiàn)labview與其它編程語言混合編程。（5）通過應用程序生成器可以輕松地發(fā)布exe、動態(tài)鏈接庫或安裝包。（6）labview提供了大量的驅動與專用工具，幾乎能與任何借口硬件輕松連接。（7）labview內(nèi)建了大量600多個分析函數(shù)，用于數(shù)據(jù)分析和信號處理。（8）ni同時提供了豐富的附加模塊，用戶與擴展labview在不同領域中的應用，例如實時模塊、pda模塊、fpga模塊、數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控（dsc）模塊、機器視覺模塊與觸摸屏模塊。4.2.3 la

45、bview的起源與發(fā)展歷程早在20世紀80年代初引入計算機之前，幾乎所有使用可編程一起的實驗室都通過專門的儀器控制器用于控制他們的測試系統(tǒng)。這些價格昂貴而且功能單一的控制器通過一個必備的端口控制使用ieee-488總線（即gpib總線）的儀器。到了1983年，隨著個人計算機的出現(xiàn)，national instruments公司成為個人計算機gpib硬件接口的主要供貨商。然而當時用于控制儀器的軟件變現(xiàn)不太好，當幾乎100%的儀器控制程序都是用basic語言開發(fā)的。雖然basic有一定的優(yōu)勢，例如簡單、可讀性強的指令集以及可互交功能等，但是它存在一個根本性的問題：像其他文本編程語言一樣，如果要通過計

46、算機控制儀器，無論是科學家、工程師還是技術人員都必須懂的編程。他們必須把他們的應用軟件和儀器使用的知識轉化為文本，而這種過程多半是繁重而單調(diào)乏味的，尤其是對那些從來沒有編程經(jīng)驗的人來說。national instruments公司有一個專門致力于開發(fā)出一種用于開發(fā)儀器軟件程序的工具，以減輕儀器編程工作壓在工程師和科學家身上的負擔，但是他們當時并沒有一個具體明確的概念。當1984年蘋果公司推出了macintosh計算機之后，情況出現(xiàn)了重要的轉機。他們看到了這臺小機器上的圖形化特性后，就知道“圖形化”就是他們今后要走的道路。因為相對于輸入一串串的命令進行操作，人們使用鼠標和圖形化界面時所發(fā)揮的創(chuàng)造

47、力和高效率是前所未有的。圖形化前面板是人與測量程序互交的最佳途徑。前面板與實際儀器的面板十分相似，實際上，這些程序就是虛擬儀器。1985年6月他們開始編寫程序代碼，到10月完成了原型。1986年正式宣布了labview的誕生，同時ni的名字首次出現(xiàn)在雜志封面上。不過他們低估了后期調(diào)試所耗費的大量時間，因此直到1986年10月labview 1.0才正式發(fā)布。自labview 1.0發(fā)布的20多年以來，labview從來沒有停止過創(chuàng)新的步伐。不斷地改進、更新與擴展，使labview牢牢占據(jù)了自動化測試、測量領域的領先地位。自labview 1.0發(fā)布后，1992年ni公司又推出了用于sun和pc

48、的labview 2.0版本，此后，每一個重大版本的發(fā)布都包括里程碑意義的特性和功能上的飛躍。在1998年發(fā)布的labview 5.0中已經(jīng)提供了多線程支持功能，為現(xiàn)在的多處理器技術打下基礎；labview的首個可以發(fā)布到實時os的版本于1999年誕生；2003年labview 7 express引入了波形數(shù)據(jù)類型，以及一些互交性更強的、基于配置的函數(shù)；2005年推出了labview 8實現(xiàn)了分布式智能22。4.3 串口程序編譯labview提供了功能強大的visa庫。visa（virtual instrument software architecture虛擬儀器軟件構架），是用于儀器編程的

49、標準i/o函數(shù)庫及其相關規(guī)范的總稱。visa庫駐留于計算機系統(tǒng)中，完成計算機與儀器之間的連接，用以實現(xiàn)對儀器的程序控制，其實質是用于虛擬儀器系統(tǒng)的標準的api。visa本身不具備編程能力，它是一個高層api，通過調(diào)用底層驅動程序來實現(xiàn)對儀器的編程，其層次如圖4.2(a)所示。visa是采用vpp標準的i/o接口軟件，其軟件結構應包含三部分，如圖4.2(b)所示6.27.28。 (a)visa內(nèi)部機制 （b）虛擬儀器的軟件體系結構圖4.2 visa內(nèi)部機制與虛擬儀器軟件體系結構與其它現(xiàn)存的i/o接口軟件相比，visa的i/o控制功能具有如下幾個特點：適用于各種儀器類型如vxi

50、儀器、gpib儀器、rs-232 串行儀器、消息基器件、寄存器器件、存儲器器件等儀器）；適用于各種硬件接口類型；適用于單、多處理器結構或分布式網(wǎng)絡結構；適用于多種網(wǎng)絡機制。visa的i/o的軟件庫的源程序是唯一的，其與操作系統(tǒng)及編程語言無關，只是提供了標準形式的api文件作為系統(tǒng)的輸出。visa庫中的串口函數(shù)：本文用到的主要的串口通訊函數(shù)調(diào)用路徑為：函數(shù) 儀器i/ovisa串口。（1）visa 串口配置（如圖4.3所示）。圖4.3 visa串口配置圖標及其端口該節(jié)點主要用于將visa資源名稱指定的串口按特定設置初始化。使用哪一個多態(tài)實例將由連接至visa資源名稱輸入端的visa類決定。主要參數(shù)

51、意義如下：visa資源名稱：指定要打開的資源。該控件也可指定會話句柄和類。波特率：波特率是傳輸速率。默認值為9600。數(shù)據(jù)比特：數(shù)據(jù)比特是輸入數(shù)據(jù)的位數(shù)。 數(shù)據(jù)比特的值介于5和8之間。默認值為8。奇偶：奇偶是指定要傳輸或接收的每一幀所使用的奇偶校驗。奇偶校驗位，默認值為無校驗、偶校驗等。停止位：停止位是指定用于表示幀結束的停止位的數(shù)量。設置停止位，可以為1、1.5、2。流控制：流控制用于設置傳輸機制使用的控制類型。visa資源名稱輸出：visa資源名稱輸出是由visa函數(shù)返回的visa資源名稱的副本。2）visa讀?。ㄈ鐖D4.4所示）。圖4.4 visa讀取設備并寫入文件函數(shù)及其端口該節(jié)點為串

52、口讀子vi，為本文中的主要節(jié)點，將串口中的數(shù)據(jù)讀出，然后利用labview的強大數(shù)據(jù)處理功能對其進行分析處理。主要參數(shù)意義如下：visa資源名稱：設置串口號，指定要打開的資源。該控件也可指定會話句柄和類。字節(jié)總數(shù)：字節(jié)總數(shù)是要讀取的字節(jié)數(shù)量。該節(jié)點用于設置讀取字節(jié)數(shù)。visa資源名稱輸出：visa資源名稱輸出是由visa函數(shù)返回的visa資源名稱的副本。讀取緩沖區(qū)：讀取緩沖區(qū)是指從設備讀取的數(shù)據(jù)。返回數(shù)：返回數(shù)是指包含實際讀取的字節(jié)數(shù)。由于labview的串行通訊子vi只允許對字符串的讀寫，因此本文中在進行數(shù)據(jù)處理時，必須要實現(xiàn)字符串與數(shù)字之間的正確轉換。此外，若要讀入當前串口中的所有字符，則

53、要先執(zhí)行“組串”子vi，用以確定將要讀入的確切的字節(jié)數(shù)，然后將其輸出作為visa讀取節(jié)點的輸入即可29。3）visa寫入節(jié)點（如圖4.5所示）。 圖4.5 visa寫入函數(shù)及其端口該模塊用于將寫入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入visa資源名稱指定的設備或接口中。visa資源名稱：visa資源名稱用于指定要打開的資源。該控件也可指定會話句柄和類。寫入緩沖區(qū)：寫入緩沖區(qū)用于設置要寫入設備的數(shù)據(jù)。返回數(shù)：用于輸入實際寫入的字節(jié)數(shù)。4）visa關閉 (如圖4.6所示)。該模塊用于對串行端口進行關閉任務操作需要調(diào)用visa關閉函數(shù)。圖4.6 visa關閉函數(shù)及其端口4.4 程序設計4.4.1 主程序系統(tǒng)主監(jiān)控圖如圖4

54、.7（a）所示。運行程序，選定好串口，然后點擊前面板的開始鍵，就開始進行溫度的采集。溫度上限和溫度下限可以自由設定，高于上限或低于下限時就會通過表格進行數(shù)據(jù)記錄，并且布爾指示燈會顯示此時溫度是高于上限還是低于下限。溫度表則可以顯示當前的溫度。單片機只是向labview中傳送當前溫度，labview不向單片機發(fā)送指令30。圖4.7（a）程序主監(jiān)控圖前面板程序框圖如圖4.7（b），其中端口選擇用于設置用到的串行口，用來接受下位機單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)。波形圖控件用于顯示采集到的溫度值。串口的初始化設置：波特率為默認值9600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗位，串口號為1。當系統(tǒng)開啟時，通過visa接受溫

55、度。由于labview的串行通信子vi只允許對字符串的讀寫，因此在數(shù)據(jù)處理時，必須進行字符串與數(shù)字之間的正確轉換，在這里我們通過調(diào)用一個“組串”子vi來實現(xiàn)此轉換。上位機通過visa讀取節(jié)點讀取單片機的溫度，來完成溫度的采集31。 圖4.7（b） 串口程序框圖4.4.2 溫度采集部分如圖4.8所示，從串口通信得到的信息進入visa中，并經(jīng)由visa讀操作進入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。由于在數(shù)據(jù)傳送中設置為asc 碼，則在后續(xù)的數(shù)據(jù)采集中需要與0的asc碼相比較，從而得出當前溫度32。圖4.8 溫度采集部分4.4.3 溫度報警部分如圖4.9所示，溫度上限值和下限值可以自由設定，分別與采集到的數(shù)據(jù)進行比較，當采集到得溫度高于“溫度上限值”時執(zhí)行比較運算“真”，“超過上限”指示燈變亮；當采集到的溫度低于“溫度下限值”時執(zhí)行比較運算“真”，“低于下限”指示燈同樣變亮；當采集到的溫度高于 “溫度上限值”或低于“溫度下限值”時執(zhí)行布爾運算為“真”時，表格會記錄超出的溫度。圖4.9 溫度報警5 系統(tǒng)調(diào)試及溫度采集早晨采集到得溫度如圖5.1圖5.1 早晨六點左右（室內(nèi)）上圖中，在左上