基于LABVIEW的数据采集系统设计毕业论文.doc
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基于LABVIEW的数据采集系统设计毕业论文
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1系统背景 1
1.2系统来源及现状 1
1.2.1温度采集 1
1.2.2虚拟仪器 2
1.3系统概述 4
1.4本文研究的主要容 4
第2章系统方案设计论证 6
2.1下位机温度采集部分 6
2.1.1传感器 6
2.1.2测量方式比较 7
2.2上位机虚拟仪器部分 8
2.4系统的总体方案设计 10
第3章下位机硬件和软件的设计 11
3.1温度传感器的选型及介绍 11
3.1.1DS18B20的封装及引脚功能 12
3.1.2DS18B20的部结构 12
3.1.3DS18B20的常用命令和时序 15
3.1.4DS18B20使用中的注意事项 17
3.2硬件电路设计 18
3.2.1系统模块电路组成 18
3.2.2单片机最小系统设计 19
3.2.3传感器电路设计 22
3.2.4通讯电路设计 22
3.2.5电源电路设计 25
3.2.6状态显示电路设计 25
3.3软件设计 26
3.3.1单片机主程序 27
3.3.2温度采集程序 27
3.3.3获取DS18B20序列号程序 29
3.4本章小结 31
第4章上位机LabVIEW中程序的设计 33
4.1LabVIEW的开发环境 33
4.1.1LabVIEW程序的执行顺序 34
4.1.2LabVIEW中的数据类型 34
4.2程序界面 35
4.3程序预处理 37
4.3.1登陆程序 38
4.3.2串口初始化 40
4.4程序主体 40
4.4.1温度数据处理和显示 41
4.4.2报警设置 42
4.4.3保存数据 43
4.5本章小结 45
第5章系统调试 46
5.1分步调试 46
5.1.1下位机调试 46
5.1.2上位机调试 47
5.2上下位机联合调试 48
5.3本章小结 48
结论 49
参考文献 50
致谢 52
附录 53
.参考资料.
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第1章绪论
1.1系统背景
随着现代控制技术的发展，无论在工业，农业，科学研究，国防和人们日常生活各个方面，温度的测量及控制占据着极其重要的地位。
多点温度检测系统在各个方面都有应用领域，如消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备之过热故障预知检测，空调系统的温度检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与诊断的温度测试，化工、机械等设备温度过热检测。
温度检测系统的应用十分广阔。
近年来，随着工业生产及人民生活水平的逐步提高，高效与安全越来越被人们所重视。
分布式温度采集是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术，它能够连续测量传感器沿线所在处的温度，具有测量距离长，空间定位精度高，能够进行不间断的自动测量的特点，特别适用于需要大围多点测量的应用场合。
1.2系统来源及现状
1.2.1温度采集
目前，温度测量大多还是采用玻璃液体温度计，人工观测。
这种测量方式，一方面给偏远地区的观测人员带来诸多不便；另一方面，测量精度受人为因素影响，测量误差大。
因此，有必要采用效率和自动化水平更高的新的测量手段。
温度传感器所起的作用变得越来越重要。
科学技术的不断进步与发展，温度传感器的种类日益增多，应用逐渐广泛，并且开始由模拟式、总线式、总线式和三总线式方向发展。
而数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端等优点，被广泛应用于工业控制、测温计、医疗器材等各种温度控制系统中。
其中，比较有代表性的数字温度传感器有DS1820、MAX6575、DS1722、MAX6635等。
智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。
目前，国际上已开发出多种智能传感器系列产品。
智能温度传感器部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和借口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）。
随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MVU）；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化和谐也取决于软件的开发水平。
进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片机测温系统等高科技的方向迅速发展。
1.2.2虚拟仪器
虚拟技术、计算机技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分。
它们被称为21世纪科学技术中的三大核心技术。
进入21世纪以来，随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，仪器技术领域发生了巨大的变化。
从最初的模拟仪器发展到现在的数字化仪器、嵌入式系统仪器和智能仪器；新的测试理论、测试方法不断应用于实际；新的测试领域随着学科门类的交叉发展而不断涌现；仪器结构也随着设计思想的更新而不断发展。
仪器技术领域的各种创新积累起来使现代测量仪器的功能和作用发生了质的飞跃。
尤其是以计算机为核心的设计思想以及仪器系统与计算机软件技术的紧密结合，导致了仪器的概念发生了突破性的变化，出现了一种全新的仪器概念——虚拟仪器（VirtualInstrumentation,VI）。
虚拟技术包括虚拟加工、虚拟测试、虚拟控制及各种虚拟环境模拟。
作为测试技术的一个分支，虚拟仪器的开发和研制在国得到了飞速的发展。
虚拟仪器是基于计算机的仪器。
简单地说，就是在通用计算机上加上软件和硬件，利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，并利用I/O接口设备完成信号的采集、测量与调试，从而完成各种测试功能的计算机仪器系统。
在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键，任何一个用户都可以以通过改写软件的办法，方便地改变和增减仪器系统地功能，即“软件就是仪器”。
虚拟仪器技术的出现，打破了传统仪器由厂家定义功能，用户无法改变的固定模式，虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。
用户可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。
虚拟仪器系统概念是对传统仪器概念的重大突破，是计算机系统与机器系统技术相结合的产物。
它大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送、处理等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展和升级等。
目前流行的虚拟仪器软件开发工具有两类。
一种是基于文本式编程语言开发工具，有VC++,VB,C++Build,LabWindows/CVI，Delphi等；另一种是基于图形化编程语言开发工具，有LabVIEW（NI公司）、HPVEE（HP公司）等。
其中LabVIEW最流行，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件。
LabVIEW是美国国家仪器公司（NI）的创新软件产品，其全称是实验室虚拟仪器工程平台（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench），是一种基于G语言（GraphicsLanguage，图形化编程语言）的测试系统软件开发平台。
虚拟仪器作为新兴的仪器仪表，用户可以定义其结构和功能，构建灵活，转变容易，因此它在各个领域尤其是在超大规模集成电路测试、工厂测试、现代家用电器测试以及军事、航空、航天、通信、汽车、教育、半导体和生物医学等领域得到了广泛应用[3]。
1.3系统概述
传统的温度传感器，如热电偶温度传感器，具有精度高，测量围大，响应快等优点。
但由于其输出的是模拟量，而现在的智能仪表需要使用数字量，有些时候还要将测量结果以数字量输入计算机，由于要将模拟量转换为数字量，其实现环节就变得非常复杂。
硬件上需要模拟开关、恒流源、D/A转换器，放大器等，结构庞大，安装困难，造价昂贵。
新兴的智能温度传感器如DS18B20，由于可以直接输出温度转换后的数字量，可以在保证测量精度的情况下，大大简化系统软硬件设计。
这种传感器的测温围有一定限制（大多在－50℃～120℃），多适用于环境温度的测量。
DS18B20可以在一根数据线上挂接多个传感器，只需要三根线就可以实现远距离多点温度测量。
利用单片机可以较方便地实现对智能温度传感器的操作，但要实现数据的可视化、保存和程序对硬件扩展有一定的适应性，利用传统的单片机系统的显示和输入输出系统，不仅程序庞大，硬件复杂，而且功能有限。
在当前微机非常普及的情况下，可以将单片机采集的数据输入微机，利用微机强大的计算、显示、输入输出能力，使原有系统的功能进一步增强。
基于G语言的虚拟仪器编程工具LabVIEW由于其图形化的形象直观的编程方式和功能强大的函数库为这一方案的实现提供了一种简捷、有效的工具。
LabVIEW使用图形语言（即各种图标、图形符号、连线等）编程，使用的都是人们熟悉的旋钮、开关、波形图等，界面非常直观形象。
利用LabVIEW提供的串口通讯模块可以非常方便地实现计算机的串口和单片机串口的通讯，从而将数据导入计算机，处理、显示、保存。
1.4本文研究的主要容
本设计运用主从分布式思想，由一台上位机（PC微型计算机），下位机（单片机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统。
该系统采用RS-232串行通讯标准，通过上位机（PC）控制下位机（单片机）进行现场温度采集。
温度值既可以送回主控PC进行数据处理，由LabVIEW编写的虚拟仪器界面显示并控制。
也可以由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值，对各点进行控制。
下位机采用的是单片机基于数字温度传感器DS18B20的系统。
DS18B20利用单总线的特点可以方便的实现多点温度的测量，轻松的组建传感器网络，系统的抗干扰性好、设计灵活、方便，而且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。
本系统可以应用在大型工业及民用常温多点监测场合。
如粮食仓储系统、楼宇自动化系统、温控制程生产线的温度影像检测、医疗与诊断的温度测试、空调系统的温度检测、石化、机械等。
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第2章系统方案设计论证
温度检测系统有着共同的特点：
测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。
若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、A/D转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。
这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降。
所以多点温度检测系统的硬件设计的关键在于两部分：
温度传感器的选择和主控单元的设计。
再通过与虚拟仪器的完美结合，突破传统仪器在数据处理、显示、传送等方面的限制，使用户可以方便地进行维护、扩展、升级等。
2.1下位机温度采集部分
2.1.1传感器
方案一：
采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测1摄氏度的信号是不适用的。
而且在温度测量系统中,采用单片温度传感器,比如AD590,LM35等.这些芯片输出的都是模拟信号,必须经过A/D转换后才能送给计算机,这样就使得测温装置的结构较复杂.另外,这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器,不能进行多点测量.即使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。
方案二：
在多点测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行AD转换，而为了获得较高的测温精度，就必须采用措施解决由长线传输，多点测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。
采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。
便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。
且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。
在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。
DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器AT89C52构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。
这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大,且由于AT89C52可以带多个DSB18B20,因此可以非常容易实现多点测量.轻松的组建传感器网络。
采用温度芯片DS18B20测量温度，可以体现系统芯片化这个趋势。
部分功能电路的集成，使总体电路更为简洁，搭建电路和焊接电路时更快。
而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。
所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。
本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。
2.1.2测量方式比较
DS18B20
DS18B20
DS18B20
DS18B20
AT89C52
DQ
多路模拟开关
AT89C52
DS18B20
DS18B20
DS18B20
DS18B20
DQ
a）单总线结构
b）模拟开关控制
图2-1多个DS18B20与单片机的连接方式制
方案一：
图2-1a）将所有传感器的数据线接在一起，形成单总线结构，与单片机的一个双向口相连。
由于每一个DS18B20都与一个唯一的标识码对应，对特定传感器的操作只有在发送该传感器的序列号来选通该传感器之后才能进行。
因此，发送标识码的顺序也就决定了读取温度值的顺序，程序运行时，首先向所有传感器发送温度转换命令，再按顺序读取序列号，匹配ROM，选中该路传感器，读出温度，这样就可以完成多路的顺序采集。
如果更换某一个传感器或增加传感器，就需要搜索ROM程序来查出新传感器的序列号。
该方案的优点是，结构简洁，远距离测量时，布线简单；由于可以同时对所有传感器发启动转换的命令，然后逐路读取，采集时间间隔较小（1s左右）；系统扩展时也不需要添加其他硬件。
缺点是，程序编制复杂，需要搜索传感器序列号的程序。
方案二：
图2-1b）通过控制模拟开关来顺序选通各路传感器，然后对该路启动温度转换，读取温度值。
它的优点是，可以忽略传感器的序列号，可以任意更换传感器而程序中不需要作特殊的处理，简化了程序设计。
缺点是，需要模拟开关控制，远距离测量时，每一路需要一根数据线，布线复杂；测量全部通道的时间是每一路时间的累加，测量时间长；并且扩展时，硬件和软件都需要做复杂修改。
综合考虑，方案一具有更大的实用性，以及更良好的扩展性，更能充分发挥DS18B20的设计优势，这次毕业设计中，选择该方案来设计硬件和程序。
2.2上位机虚拟仪器部分
虚拟仪器（VirtualInstrument）就是在通用计算机上加上软件和硬件，实现传统电子仪器所具有的各种功能。
在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键，使用者可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，对硬件输入的数据进行各种处理，灵活的定义各种输出，所以有“软件就是仪器”之说。
虚拟仪器系统利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送、处理等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展、升级等。
LabVIEW是目前国际上应用最广、发展最快、功能最强的图形化虚拟仪器开发环境之一，主要用于仪器控制、数据采集、数据分析和数据显示等领域。
LabVIEW是一种基于图形编程语言（G语言）的开发环境，它与C，Basic，VB，Delphi等传统编程语言有着诸多相似之处，如相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具，以及模块化的编程特点等。
但二者最大的区别在于：
传统编程语言用文本语言编程；而LabVIEW使用图形语言（即各种图标、图形符号、连线等）编程，界面非常直观形象，使用的都是人们熟悉的旋钮、开关、波形图等。
LabVIEW软件的主要特点：
1）图形化的编程方式，无需设计者编写文本格式的代码；
2）提供丰富的数据采集、分析、及存储的库函数；
3）提供传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供独特的执行工具，使程序的调试和开发更为便捷；
4）32位的编译器编译生成32位的应用程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速、精确执行；
5）提供PCI，GPIP，PXI，VXI，RS-232/485，USB等各种总线标准的功能函数，简化设备驱动程序的设计；
6）提供大量与外部代码和软件进行的机制，如DLL、DDE、ActiveX等。
利用LabVIEW设置串口通讯，向单片机发送命令，读入温度采集数据。
对这些数据进行处理后，显示在曲线图和表格中，也可以以文件的形式保存到磁盘上。
用户可以对采集参数如：
测量时间间隔、温度上下限报警、通道显示方式等进行设置或更改。
设计程序的执行界面，包括用户控制和参数设置部分，参数显示部分和数据显示部分
为了能充分利用PC机强大的数据处理能力和良好的人机控制界面，本次设计使用LabVIEW8.2版设计虚拟仪器界面。
2.4系统的总体方案设计
系统的总体示意图如图2-2：
计算机为主机，单片机为从机。
计算机通过图形化的界面接收用户的命令和参数设置，通过串口向单片机发送相应的命令和参数。
单片机查询串口输入中断，读入命令字，根据该命令执行相应的程序模块，如：
启动温度采集，发送温度数据，增加通道数，设置温度上下限等。
单片机完成一次温度数据采集后，将数据发送到串口，计算机接收温度数据，进行格式转换后，显示在表格和曲线图中，并对温度数据进行一些简单的处理，如温度高低限报警、保存数据。
程序还可以读出以前保存的数据文件，显示在表格和曲线图中。
操作人员
DS18B20
DS18B20
DS18B20
DS18B20
AT89C52
DQ
命令
数据
显示
保存
MAX232
计算机
LabVIEW程序
RXD
TXD
RXD
TXD
图2-2总体方案方框图
状态显示
第3章下位机硬件和软件的设计
系统下位机的功能是由硬件电路配合软件来共同实现的，硬件主要由传感器、单片机控制部分、电源电路、串口通讯、状态显示等几个模块组成；软件主要用来完成各种实质性的功能，如温度采集、数据计算处理、显示和通讯等。
下面就对本系统硬件和软件的各个模块进行详细分析。
3.1温度传感器的选型及介绍
图3-1DS18B20封装
DS18B20数字温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的接触式温度传感器，它使用了在板（on-board）专利技术，全部传感器和数字转换电路都集成在一个三极管大小的芯片中。
它通过一根数据线，它可以直接输出温度的数字量，具有线路简单，体积小的特点。
DS18B20传感器的特点主要有：
●单总线接口，只需要一根数据线就可完成通讯功能
●测量围为-55℃～125℃
●测量温度为-10℃～+85℃时，测量精度为±0.5℃
●可编程实现转换分辨率为9位、10位、11位或12位，完成12位温度转换最多需要750ms，分辨率越低，转换时间越短
●每一个传感器固化64位的唯一序列号（即每一个传感器都有一个特定的ID），通过该序列号，可以唯一地选择该传感器。
这种设计使得在一根数据线上连接多个传感器成为可能。
3.1.1DS18B20的封装及引脚功能
TO－92封装的DS18B20的引脚排列见图3-1，其引脚功能描述见表3-1。
表3-1DS18B20引脚功能描述
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。
3
VDD
可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
3.1.2DS18B20的部结构
（1）DS18B20的部结构如图3-2。
图3-2DS18B20部结构图
DS18B20有4个主要的数据部件：
①64位激光ROM。
64位光刻ROM的排列是：
开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
②温度灵敏元件。
③非易失性温度报警触发器TH和TL。
可通过软件写入用户报警上下限值。
④配置寄存器。
配置寄存器为高速暂存存储器中的第五个字节。
DS18B20在0工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换成相应精度的数值，其各位定义如图3-3所示。
TM
R1
R0
1
1
1
1
1
图3-3DS18B20配置寄存器结构图
其中，TM：
测试模式标志位，出厂时被写入0，不能改变；R0、R1：
温度计分辨率设置位，其对应四种分辨率如下表所列，出厂时R0、R1置为缺省值：
R0=1，R1=1（即12位分辨率），用户可根据需要改写配置寄存器以获得合适的分辨率,见表3-2。
表3-2配置寄存器与分辨率关系表
R0
R1
温度计分辨率/bit
最大转换时间/ms
0
0
9
93.75
0
1
10
187.5
1
0
11
375
1
1
12
750
（2）高速暂存存储器
高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如图3-4所示。
当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。
单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如图3-5所示。
对应的温度计算：
当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。
温度低位
温度高位
TH
TL
配置寄存器
保留
保留
保留
8位CRC
图3-4DS18B20存储器映像图
bit7
bit6
bit5
bit4
bit3
bit2
bit1
bit0
LSByte
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
bit15
bit14
bit13
bit12
bit11
bit10
bit9
bit8
MSByte
S
S
S
S
S
26
25
24
图3-5温度值格式图
12位转化后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。
见表3-3。
表3-3典型对应的温度值表
温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+125
+25.0625
+10.125
+0.5
0
-0.5
-10.125
-25.0625
-55
0000011111010000
0000000110010001
0000000010100010
0000000000001000
0000000000000000
1111111111111000
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