基于LabVIEW的恒溫箱溫度顯示系統(tǒng)

蔣星亦 時群 黃州

摘要：以低功耗的微控制器STM32為硬件核心，以LabVIEW2015為軟件開發(fā)平臺，設(shè)計了專門用于恒溫箱的溫度顯示系統(tǒng)。由DS18B20傳感器進行溫度采集，通過RS-232串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，用戶可通過人機交互界面實時監(jiān)測及設(shè)置溫度。實驗結(jié)果：設(shè)定溫度為17℃，精確度為±0.5℃，系統(tǒng)運行良好，通用性較強，具有廣泛的用途。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；STM32 ；傳感器

中圖分類號：TP319 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）12-0277-03

Abstract： Based on the low-power microcontroller STM32 as the core of hardware， and taking LabVIEW2015 as the software development platform， a temperature display system specially designed for thermostat is designed. The temperature is collected by the DS18B20 sensor and the data transmission is realized through the RS-232 serial port. The user can monitor and set the temperature in real time through the human-computer interaction interface. The experimental results： the set temperature is 17 C， the accuracy is 0.5 degrees C， the system runs well， the versatility is strong， and it has a wide range of uses.

Key words： LabVIEW； STM32； sensors

隨著計算機現(xiàn)代檢測和電子儀器等技術(shù)高速發(fā)展，虛擬儀器成為現(xiàn)今儀器發(fā)展的主流方向，由美國國家儀器公司研發(fā)的圖形編輯軟件LabVIEW操作簡單，在數(shù)據(jù)采集和界面控制方面具有明顯優(yōu)勢。

為了方便用戶對恒溫箱溫度的實時監(jiān)測和設(shè)置，設(shè)計了一種以STM32為硬件核心，由LabVIEW軟件開發(fā)的溫度顯示系統(tǒng)，并結(jié)合了多種科學(xué)技術(shù)，提高溫度采集的精確度和溫度顯示的及時性。利用圖形化編程語言LabVIEW，將數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示推動到更高的智能化水平。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

溫度傳感器DS18B20獲取箱內(nèi)溫度數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，STM32對信號進行存儲和處理，再通過RS-232串行通信接口進行上位機與下位機之間的數(shù)據(jù)傳輸。利用LabVIEW設(shè)計的用戶界面包括了登錄、溫度設(shè)置和實時溫度顯示及存儲，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2系統(tǒng)的硬件

2.1溫度傳感器

本系統(tǒng)選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其測量原理是基于溫度系數(shù)晶振振蕩率來判斷，以確定溫度變化改變振蕩率。 DS18B20 脈沖輸入會存放在計數(shù)器 2 中。計數(shù)器1和溫度寄存器有一個基數(shù)值，計數(shù)器1會根據(jù)振蕩率的變化計數(shù)，低溫度系數(shù)脈沖計數(shù)器1做減法計數(shù)，溫度寄存器的值會在計數(shù)器1減到 0時加1，然后計數(shù)器1會重新開始計數(shù)并且值會被重置，這個過程中計數(shù)器2也在不斷計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器2的值為0時，測量過程結(jié)束，當(dāng)前測量的溫度數(shù)值就存放在溫度寄存器中。

2.2 STM32控制

本系統(tǒng)使用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103系列MCU，其性能高、編程簡單；該內(nèi)核基于最新的ARMv7構(gòu)架，采用Thumb-2指令集，集成了分支預(yù)測、單周期乘法、硬件除法等眾多功能。內(nèi)核的內(nèi)部數(shù)據(jù)路徑寬度為32位，寄存器寬度為32位，存儲器接口也是32位，是典型的32位處理器內(nèi)核。內(nèi)核擁有獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，取指和數(shù)據(jù)訪問可同時進行。

2.3串口通訊

本系統(tǒng)采用RS-232串口通訊接口，下位機將采集到的溫度值以一序列的位元串來一個接一個傳給上位機，傳輸線少，配線簡單，傳送距離可以較遠(yuǎn)。

上位機RS-232串行接口標(biāo)準(zhǔn)：在電氣特征上，RS-232采用負(fù)邏輯，要求高低2個信號間有較大的幅度，標(biāo)準(zhǔn)：邏輯1為-15V～-3V左右，邏輯0為+3V～+15V左右。

在下位機上自定義RS-232通信協(xié)議的相關(guān)參數(shù)：波特率、 數(shù)據(jù)位、 奇偶校驗位和停止位等，與上位機相同。

3軟件設(shè)計

3.1軟件概述

借用LabVIEW開發(fā)平臺，采用模塊化設(shè)計，分為用戶登錄、溫度顯示和溫度設(shè)置三部分。

3.2應(yīng)用方法

3.2.1程序結(jié)構(gòu)

LabVIEW 的所有編程都是使用圖形化編輯語言G 語言，其中邏輯結(jié)構(gòu)就顯得十分重要，通過不同的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)不同的功能，結(jié)構(gòu)中最常用到的是事件結(jié)構(gòu)和條件結(jié)構(gòu)。事件結(jié)構(gòu)是在事件發(fā)生時實現(xiàn)條件分支，以達到處理事件的目的。如果一個事件并沒有在指定時間內(nèi)完成，事件結(jié)構(gòu)也可以執(zhí)行超時動作，超時的默認(rèn)值為-1，也就代表在不更改超時值得情況下事件永不超時。盡管事件結(jié)構(gòu)可以處理多個事件，但也不能處理一些特殊事件，例如通知事件和過濾事件。本系統(tǒng)的用戶登錄程序主要是使用了事件結(jié)構(gòu)去執(zhí)行“登錄”和“取消”按鈕的按鈕功能，并且配置了登錄超時提醒。

條件結(jié)構(gòu)就是當(dāng)系統(tǒng)滿足指定的條件時就會執(zhí)行相應(yīng)的指令，為系統(tǒng)提供了選擇條件的功能，類似C語言中的switch語句。與事件結(jié)構(gòu)相似，條件結(jié)構(gòu)雖然可以有多個條件分支但每次只能執(zhí)行單個條件分支。

3.2.2數(shù)據(jù)校對

一個系統(tǒng)的安全性是十分重要的，用戶名密碼的數(shù)據(jù)比對就是其中的一個有力途徑。數(shù)據(jù)的校對主要是通過比較函數(shù)實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)的證明是通過比較函數(shù)實現(xiàn)的。用戶輸入用戶名和密碼和用戶名密碼已經(jīng)設(shè)置為比較元素，再通過布爾函數(shù)與函數(shù)進行邏輯與，也就是用戶名和密碼必須同時正確才可以登錄成功進入主檢測程序。邏輯與函數(shù)和條件結(jié)構(gòu)的選擇接線端相連接，這樣就實現(xiàn)了在用戶名密碼輸入正確進入主檢測程序和輸入錯誤重新輸入的功能。

3.2.3 VISA虛擬串口

LabVIEW提供的VISA節(jié)點，能連接計算機與儀器，其本質(zhì)其實就是虛擬儀器下的API，通過調(diào)用底層驅(qū)動對外部儀器實現(xiàn)互通，便于實現(xiàn)對儀器的程序控制，使用簡單。

VISA配置串口：初始化所選用的串行口，所要設(shè)置的參數(shù)由VISA資源名稱（COM1）、波特率（9600）、數(shù)據(jù)比特（8）、奇偶（None）、停止位（1）。

VISA Write：將寫入緩沖區(qū)的溫度值寫入VISA資源名稱指定的COM1串行接口中。

VISA Read：從VISA資源名稱指定的COM1串行接口中讀取4個字節(jié)數(shù)據(jù)，并使數(shù)據(jù)返回至讀取緩沖區(qū)。

VISA Close：關(guān)閉VISA資源名稱指定COM1串口會話句柄或事件對象。

3.2.4數(shù)據(jù)顯示

系統(tǒng)主要是依靠VISA配置串口與單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的。當(dāng)檢測儀檢測到環(huán)境溫度數(shù)據(jù)后，單片機通過VISA串口發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機，LabVIEW通過VISA 讀取控件將采集到的數(shù)據(jù)讀取下來，然后通過字符串控件顯示出來。字符串控件主要用于字符和文本輸入和顯示，我們可以設(shè)置字符串顯示的類型，比如 16 個甚至是密碼格式，系統(tǒng)使用文本格式顯示。同時將數(shù)據(jù)保存下來，可通過 I/O 選板的相應(yīng)函數(shù)將字符串導(dǎo)出，存儲于文本文件或者是電子表格中。

3.3 界面設(shè)計

3.3.1 用戶登錄

用戶在輸入正確的賬戶和密碼后，點擊進入系統(tǒng)，則將進入系統(tǒng)顯示界面；若賬戶和密碼錯誤，則提示重新輸入。

3.3.2系統(tǒng)界面

系統(tǒng)核心包括三部分：設(shè)定溫度和實時溫度顯示框及溫度變化曲線顯示圖，清楚地反應(yīng)溫度變化。

4性能測試分析

針對恒溫箱的溫度控制性能，采用專業(yè)的溫度記錄儀，測試波形如下。LabVIEW界面顯示結(jié)果與之相同，由此說明本系統(tǒng)運行良好，符合預(yù)期設(shè)計效果。

5總結(jié)

本設(shè)計采用STM32單片機和溫度傳感器DS18B20相結(jié)合，以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，設(shè)計了溫度顯示系統(tǒng)。利用溫度傳感器獲取當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)，再通過RS-232串行通信接口送入到上位機，實現(xiàn)溫度的采集與實時監(jiān)測。

由于LabVIEW強大的圖形處理功能，人性化的操作界面，用戶可通過波形圖了解所要檢測箱內(nèi)溫度值變化趨勢，同時為提高測量精確度，在STM32其余端口外設(shè)多個溫度傳感器，實現(xiàn)多點溫度檢測。經(jīng)實際驗證，本系統(tǒng)設(shè)計具有較強的通用性，運行穩(wěn)定。但還無法實現(xiàn)無線傳輸和手機端控制，有待進一步優(yōu)化。

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