基于LabVIEW開發(fā)平臺的單片機(jī)串口通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 夢，楊金月

（安徽信息工程學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽 蕪湖 241000）

基于LabVIEW開發(fā)平臺的單片機(jī)串口通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 夢，楊金月

（安徽信息工程學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽 蕪湖 241000）

本設(shè)計(jì)通過搭建的單片機(jī)下位機(jī)系統(tǒng)完成對溫度信號的采集、傳輸、顯示、通訊，借助虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW軟件VISA串口儀器I/O模塊編制程序與單片機(jī)接口進(jìn)行信號通訊，完成PC機(jī)上位機(jī)構(gòu)建.系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)DS18B20溫度傳感器采集到的實(shí)時(shí)溫度信號最終顯示在虛擬儀器的前面板界面上.下位機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要借助proteus調(diào)試仿真實(shí)現(xiàn)，LCD顯示實(shí)時(shí)溫度信號，上位機(jī)的通訊程序編制完成信號從單片機(jī)到PC的串口通訊，并在此基礎(chǔ)上借助無線發(fā)射和無線接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)將信號在手機(jī)終端進(jìn)行通訊并完成一定調(diào)試.

LabVIEW；單片機(jī)；溫度控制；串口通信；DS18B20

溫度的監(jiān)控已經(jīng)成為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和一些科學(xué)研究領(lǐng)域的重要部分.根據(jù)系統(tǒng)的具體情況，采用正確且有效的測量手段尤為重要.傳統(tǒng)的溫度檢測系統(tǒng)一般借助單片機(jī)實(shí)時(shí)采集溫度信號顯示在LED或LCD上.但此類系統(tǒng)無法生成圖表、用戶無法獲得歷史曲線導(dǎo)出報(bào)表數(shù)據(jù)、更無法對采集的信號進(jìn)行處理、分析獲得相應(yīng)的特征值[1].基于此，本設(shè)計(jì)提出將溫度采集系統(tǒng)作為下位機(jī)，通過VISA串口的通訊，借助搭建的虛擬儀器開發(fā)平臺作為上位機(jī)，將溫度采集的信號顯示在虛擬儀器程序前面板圖標(biāo)上，人機(jī)界面友好，可操作性強(qiáng)，可推廣價(jià)值高.

1 研究背景及意義

在當(dāng)今的生產(chǎn)制造過程中，掌握溫度信息的實(shí)時(shí)變化情況對安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)品性能、減少能源的損耗等一些技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著密切的影響.現(xiàn)代社會生活的各個(gè)領(lǐng)域幾乎都離不開溫度控制的發(fā)展，比如高分子材料、半導(dǎo)體技術(shù)、電力工程、交通運(yùn)輸?shù)?

在工業(yè)發(fā)展的需求下，面對計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和微型電子技術(shù)的高速進(jìn)步，包括工控自動化的設(shè)計(jì)要求不斷提高，溫度監(jiān)控這一領(lǐng)域在國內(nèi)外諸多領(lǐng)域都在飛速的發(fā)展，不斷滿足工業(yè)的各方面需求[2].

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分，第一部分是基于LabVIEW的PC上位機(jī)顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)，第二部分是VISA串口通信的接口電路和信號在上位機(jī)與下位機(jī)傳輸?shù)能浖幊蹋谌糠质菧囟炔杉膯纹瑱C(jī)下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)的系統(tǒng)組成框圖如圖1所示.

圖1 結(jié)構(gòu)效果圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體借助DS18B20集成溫度傳感器進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集，電壓變化由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)值后，傳輸給STC89C52RC單片機(jī)進(jìn)行讀取，通過LCD顯示模塊進(jìn)行顯示，同時(shí)數(shù)據(jù)通過串口通信接口電路傳輸給PC上位機(jī)，顯示在虛擬儀器程序前面板上[3].隨著研究的深入，最終實(shí)現(xiàn)PC上位機(jī)借助GSM通訊模塊將溫度數(shù)據(jù)以短信的模式傳輸給用戶的手機(jī)上.

3.1 溫度傳感器

溫度傳感器是溫度監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的關(guān)鍵部分，根據(jù)本系統(tǒng)溫度的測量范圍和精度要求及信號采集穩(wěn)定性，低成本等因素，選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，DS18B20芯片的常見封裝為TO-92[4].傳感器外形圖如圖2所示.

圖2 DS18B20溫度傳感器

圖3 STC89C52RC單片機(jī)

3.2 系統(tǒng)單片機(jī)的選型

基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能要求，本設(shè)計(jì)選擇了STC89C5RC單片機(jī).其外形如圖3所示.

3.3 顯示模塊

圖4 1602A

本設(shè)計(jì)采用LCD顯示屏對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的展示.LCD顯示屏通常由點(diǎn)陣構(gòu)成，利用不同顏色的燈亮滅來實(shí)現(xiàn)對文字、動畫等信息的傳達(dá)[5].本設(shè)計(jì)選擇了一塊工業(yè)字符型液晶1602A，它可以同時(shí)顯示32個(gè)字符，其外形如圖4所示.

3.4 系統(tǒng)的短信收發(fā)模塊

為了能夠?qū)囟葦?shù)據(jù)以短信的形式發(fā)送給用戶手機(jī)，系統(tǒng)需要具備一定的通訊功能，因此GSM模塊是系統(tǒng)不可缺少組成部分.目前的GSM模塊主要是在一塊線路板上將GSM射頻芯片與儲存器、基帶處理芯片等相關(guān)器件集成在一起.它具有收發(fā)短信、語音通話等依賴于GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊的功能.

圖5 實(shí)物圖連接

基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能要求，本設(shè)計(jì)選用德國西門子生產(chǎn)的TC35I這一款GSM模塊.其雙頻為900/1800MHz，具有體型小、功耗低等特點(diǎn).TC35I支持的電壓范圍是3.3～4.4V，9600kbps的傳輸速度.根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，實(shí)物圖連接如圖5所示.

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 串口通信接口電路

下位機(jī)主要由單片機(jī)、傳感器、LCD顯示模塊以及GSM通訊模塊組成，集成溫度數(shù)據(jù)的采集與傳輸.上位機(jī)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的監(jiān)控與發(fā)送，由Lab-VIEW程序來實(shí)現(xiàn)用戶的需求.

DS18B20采集的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)由STC89C52 RC單片機(jī)進(jìn)行讀取，通過串口通訊接口電路實(shí)現(xiàn)信號的串口傳輸[6].在實(shí)際操作中，CH340的串口發(fā)送和接收端口需要與單片機(jī)的串口發(fā)送端和接收端進(jìn)行交叉連接.

4.2 下位機(jī)測溫電路

系統(tǒng)的下位機(jī)硬件電路主要由DS18B20數(shù)字溫度傳感器和STC89C52RC單片機(jī)進(jìn)行搭建，經(jīng)由LCD顯示模塊顯示當(dāng)前溫度數(shù)據(jù).

5 PC上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

通過單片機(jī)搭建的下位機(jī)系統(tǒng)，將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C上位機(jī)，PC上位機(jī)應(yīng)當(dāng)具有顯示溫度變化的波形圖窗口與顯示當(dāng)前溫度值的框圖窗口，便于用戶觀察當(dāng)前溫度變化.同時(shí)對測量溫度的上下限值需要進(jìn)行控制，并以短信的形式發(fā)送當(dāng)前溫度值至用戶手機(jī)，因此PC上位機(jī)程序具有可調(diào)上下限溫度值窗口與收發(fā)短信等操作[7].

5.1 LabVIEW上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

采用LabVIEW進(jìn)行PC上位機(jī)程序設(shè)計(jì)，控制面板.由COM口選擇端、當(dāng)前溫度展示窗口、上下限溫度控制窗口、溫度曲線展示面板、接收短信顯示框、發(fā)送短信顯示框、來電顯示框、發(fā)送電話顯示框這八個(gè)部分組成，具有良好的人機(jī)交互界面[8].

為了能夠?qū)y量溫度準(zhǔn)確且有效地記錄，采用溫度曲線展示面板，將溫度變化的數(shù)據(jù)及時(shí)地呈現(xiàn)出來.COM口選擇端的作用是將下位機(jī)的溫度信號選用合適的串口端子進(jìn)行匹配，從而完成信號傳輸?shù)絇C機(jī)[9].為了實(shí)時(shí)接收短信，設(shè)計(jì)接收短信顯示框完成短信內(nèi)容的顯示.來電顯示框與發(fā)送電話顯示框均是為用戶展示所發(fā)送或接收短信所使用的手機(jī)號碼.

溫度數(shù)據(jù)顯示在程序框圖上，數(shù)據(jù)信息由于VISA寫入只能將字符串?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行識別，這樣就導(dǎo)致了在上限溫度與下限溫度發(fā)送時(shí)因避免非字符串?dāng)?shù)據(jù)的出現(xiàn)，因此不能直接將寫入緩沖區(qū)與溫度數(shù)據(jù)發(fā)送的控件進(jìn)行連接，需要在之間加入一個(gè)將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串?dāng)?shù)據(jù)的控件進(jìn)行連接.同時(shí)上限溫度數(shù)據(jù)不能與下限溫度數(shù)據(jù)相混淆，故本系統(tǒng)的協(xié)議中規(guī)定前一個(gè)發(fā)送的字符是上限溫度數(shù)據(jù)，之后發(fā)送的字符為其下限溫度數(shù)據(jù)[10].

溫度數(shù)據(jù)信息要直觀展現(xiàn)在用戶面前，需要用波形圖來輸出溫度數(shù)據(jù)信息，所以在得到相關(guān)字符串?dāng)?shù)據(jù)信息后需要進(jìn)行操作，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)值型數(shù)據(jù).在LabVIEW程序功能面板的編程目錄下可以找到字符串轉(zhuǎn)數(shù)組函數(shù)、數(shù)組索引函數(shù)、數(shù)組元素刪除函數(shù)等與其相關(guān)的運(yùn)算符號.為了不浪費(fèi)系統(tǒng)資源，在關(guān)機(jī)的時(shí)候?yàn)榱俗屜到y(tǒng)不進(jìn)行任何數(shù)據(jù)的處理，便讓其執(zhí)行假事件.

6 系統(tǒng)調(diào)試

6.1 下位機(jī)調(diào)試

通過英國Lab Center Electronics公司出版Proteus軟件，對系統(tǒng)的單片機(jī)及外圍器件進(jìn)行仿真.對Proteus軟件中DS18B20數(shù)字溫度傳感器所顯示的溫度值進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，模擬DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行采集當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)，并通過將溫度數(shù)據(jù)傳輸給STC89C52RC單片機(jī)后，由其發(fā)送至LCD顯示模塊，將當(dāng)前DS18B20數(shù)字溫度傳感器所采集的溫度值進(jìn)行顯示.

通過加、減按鈕實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的變化，仿真實(shí)際環(huán)境采集到的溫度數(shù)據(jù).調(diào)節(jié)DS18B20上的加減按鈕將溫度調(diào)節(jié)為5攝氏度，則可以在LCD上顯示為5攝氏度.

6.2 上位機(jī)調(diào)試

由LabVIEW搭建的上位機(jī)程序在實(shí)際調(diào)試過程中如圖6所示.

本設(shè)計(jì)的目的是利用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺設(shè)計(jì)一種溫度采集傳輸系統(tǒng),以單片機(jī)為下位機(jī)，虛擬儀器系統(tǒng)為上位機(jī).利用VISA串口通信模塊實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的信號通信，完成環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)采集和歷史曲線生成，為信號處理和報(bào)表導(dǎo)出提供了數(shù)據(jù)依據(jù).同時(shí)在后續(xù)的研究中，系統(tǒng)將經(jīng)過單片機(jī)MCU單元的處理，編輯成短信，通過GSM模塊的無線發(fā)送和，以短信息的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控中心的計(jì)算機(jī)或用戶的GSM手機(jī).

圖6 上位機(jī)調(diào)試圖

〔1〕熊舸,劉嫻，等.基于LabVIEW的實(shí)時(shí)串口數(shù)據(jù)采集及其Excel報(bào)表生成技術(shù)[J].軟件,2014（3）.

〔2〕張大波.嵌入式系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

〔3〕王桂榮，李憲.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社,2010.

〔4〕陳叔旺，張秀清.傳感器應(yīng)用及電路設(shè)計(jì)[M].北京：化工工業(yè)出版社,2008.

〔5〕張秀國.單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京大學(xué)出版社,2008.

〔6〕何立民.單片機(jī)高級教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

〔7〕楊振江.A/D、D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)與實(shí)用線路[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1996.

〔8〕溫德爾.LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2009.

〔9〕許美玲，李春茂，等.基于LabVIEW串口通信的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].機(jī)械與電子，2010（S1）.

〔10〕陳誠，李言武，等.基于LabVIEW的單片機(jī)串口通信設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2009（1）.

TH368.1

A

1673-260X（2017）12-0037-03

2017-09-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51075002）；2016年安徽省教育廳自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目（KJ2016SD07）