林園勝， 許 鋼， 江娟娟， 吳益紅， 畢運(yùn)鋒

(安徽工程大學(xué) 安徽檢測(cè)技術(shù)與節(jié)能裝置省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000)

溫度是用來(lái)度量物體冷熱程度的物理量，濕度是用來(lái)表示空氣干燥程度的物理量，溫濕度與人類(lèi)的生活和工作密切相關(guān)，溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品、博物館文物、檔案管理和藥品儲(chǔ)存等眾多領(lǐng)域，與溫濕度相關(guān)的行業(yè)對(duì)自身所采用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度和操作簡(jiǎn)易程度的要求越來(lái)越高?，F(xiàn)有的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多為基于單片機(jī)為核心處理單元，單片機(jī)除了負(fù)責(zé)操控溫濕度傳感器，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理及顯示，通常存在著硬件設(shè)計(jì)不易、軟件編程復(fù)雜、系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)用不夠理想等問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的飛速發(fā)展，使得采用虛擬儀器技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為可能，這樣可以節(jié)約資源，也便于計(jì)算機(jī)控制。

目前，基于虛擬儀器的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要依賴于數(shù)據(jù)采集卡；但是，常見(jiàn)數(shù)據(jù)采集卡價(jià)格昂貴，這不利于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[1-3]。本文介紹一種基于美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments，簡(jiǎn)稱NI公司)研制的實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，簡(jiǎn)稱LabVIEW)[3，4]和單片機(jī)研發(fā)的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，單片機(jī)所采集的溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信方式發(fā)送至PC機(jī)，PC機(jī)應(yīng)用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)溫濕度的測(cè)量、趨勢(shì)圖繪制、超限報(bào)警和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等基本監(jiān)測(cè)功能。這樣進(jìn)行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)更有效、更快速，且極大程度地減少了開(kāi)發(fā)成本。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由硬件電路和軟件編程兩部分組成，其中，硬件電路包括溫濕度傳感器SHT11、單片機(jī)STC89C52RC和PC機(jī)；軟件編程主要是應(yīng)用LabVIEW 2011進(jìn)行用戶操作界面和數(shù)據(jù)顯示界面的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。單片機(jī)控制溫濕度傳感器進(jìn)行溫濕度的采集，單片機(jī)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)由串口通信方式發(fā)送到PC機(jī)，安裝有LabVIEW 2011的PC機(jī)通過(guò)編寫(xiě)好的程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)采集溫濕度的實(shí)時(shí)顯示、趨勢(shì)圖繪制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和超限報(bào)警等基本操作，構(gòu)成一個(gè)基于LabVIEW 2011和單片機(jī)的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要是溫濕度傳感器、單片機(jī)和PC機(jī)的功能應(yīng)用設(shè)計(jì)。其中，溫濕度傳感器和單片機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)前向通道，進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)的采集；PC機(jī)應(yīng)安裝有LabVIEW 2011軟件，用于數(shù)據(jù)的處理和分析程序的編寫(xiě)。

2.1 硬件選型

系統(tǒng)硬件選型主要是進(jìn)行前向通道的芯片選型。其中，溫濕度傳感器采用瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的SHT11，SHT11是一款高度集成的溫濕度一體傳感器芯片。SHT11溫度測(cè)量范圍為-40 ℃～+123.8 ℃，分辨率為0.01 ℃，測(cè)量精度為±0.4 ℃；相對(duì)濕度測(cè)量范圍為0～100%RH，分辨率為0.03%RH，最高精度為±3%RH。此外，SHT11還具有體積小、低功耗、響應(yīng)時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)、適配各種單片機(jī)等優(yōu)點(diǎn)，是一款性價(jià)比極高的溫濕度傳感器[5]。

圖2 SHT11與單片機(jī)的連接電路

圖3 USB轉(zhuǎn)串口電路

單片機(jī)選用宏晶科技公司推出的STC89C52RC，STC89系列單片機(jī)，它具有功耗超低、加密性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。其系統(tǒng)可編程，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)[6]。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)前向通道由溫濕度傳感器和單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成，進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)的采集和傳送，是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心電路。SHT11與單片機(jī)的連接電路如圖2所示。為減少開(kāi)發(fā)成本，應(yīng)用串行總線實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，從而取代昂貴的數(shù)據(jù)采集卡。目前，帶有串口的計(jì)算機(jī)越來(lái)越少，如部分一體機(jī)、筆記本電腦都很少帶有這種老式接口。但是，每臺(tái)計(jì)算機(jī)都有USB接口，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用一種USB轉(zhuǎn)串口電路，進(jìn)行PC機(jī)的USB接口和通用串口之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間的通信[7]，USB轉(zhuǎn)串口電路圖如圖3所示。

圖4 SHT11程序流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括前向通道硬件的C語(yǔ)言程序的編寫(xiě)和用于數(shù)據(jù)分析處理的LabVIEW程序設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的核心內(nèi)容。

3.1 前向通道程序設(shè)計(jì)

前向通道C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)主要是進(jìn)行單片機(jī)燒錄程序的編寫(xiě)，即應(yīng)用單片機(jī)控制SHT11進(jìn)行實(shí)時(shí)溫濕度的獲取并將所采集溫濕度值進(jìn)行相應(yīng)處理后采用串口通信的方式發(fā)送至PC機(jī)。對(duì)SHT11操作的程序流程圖如圖4所示。

3.2 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

安裝有LabVIEW 2011軟件的PC機(jī)從USB口讀取前向通道發(fā)送的溫濕度數(shù)據(jù)，應(yīng)用LabVIEW 2011進(jìn)行顯示界面和的用戶操作界面的設(shè)計(jì)。

LabVIEW程序設(shè)計(jì)主要包括串口通信設(shè)置、溫濕度實(shí)時(shí)顯示及存儲(chǔ)、溫濕度趨勢(shì)圖繪制和超限報(bào)警等功能設(shè)計(jì)。LabVIEW通過(guò)虛擬儀器軟件架構(gòu)(Virtual Instrument Software Architecture，簡(jiǎn)稱VISA)與系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行串口通信，通過(guò)VISA可對(duì)USB、串口、GPIO、PXI、VXI、CAN和以太網(wǎng)等進(jìn)行配置、編程和調(diào)試，應(yīng)用VISA軟件包前應(yīng)進(jìn)行VISA配置串口設(shè)置[8]。采用掃描字符串函數(shù)從接受數(shù)據(jù)中提取溫度和濕度值。應(yīng)用LabVIEW設(shè)計(jì)系統(tǒng)的程序框圖如圖5所示，表1所示為VISA配置串口默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。

圖5 LabVIEW設(shè)計(jì)系統(tǒng)的程序框圖

表1 VISA配置串口默認(rèn)參數(shù)設(shè)置

設(shè)置項(xiàng)波特率數(shù)據(jù)位停止位校驗(yàn)位默認(rèn)值9 60081NONE

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

連接前向通道和PC機(jī)，計(jì)算機(jī)識(shí)別端口后，打開(kāi)系統(tǒng)LabVIEW程序，進(jìn)入LabVIEW用戶操作界面。配置好正確的COM口，按表1進(jìn)行串口通信參數(shù)設(shè)置；選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑；設(shè)置超限報(bào)警上下限。給單片機(jī)燒錄程序文件、前向通道電路供電，硬件電路正常工作；點(diǎn)擊LabVIEW程序前面板的運(yùn)行按鈕，系統(tǒng)運(yùn)行正常。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的前面板

圖7 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的文本文檔

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并以曲線的形式繪制溫度、濕度趨勢(shì)圖，數(shù)據(jù)接收窗口清晰顯示當(dāng)前采樣時(shí)間下的溫濕度值；調(diào)節(jié)報(bào)警范圍進(jìn)行人為超限報(bào)警，相應(yīng)的超限報(bào)警燈將由綠色變成黃色后閃爍點(diǎn)亮且報(bào)警器發(fā)出“嘟”、“嘟”的提示音；點(diǎn)擊前面板的左上角“暫停”按鈕，按鈕顏色由黑色變成紅色，系統(tǒng)暫停運(yùn)行，再次點(diǎn)擊該按鈕系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行，點(diǎn)擊顯示界面“退出系統(tǒng)”即可退出整個(gè)系統(tǒng)。設(shè)定路徑下歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)如圖7所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析可知，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用SHT11傳感器和單片機(jī)對(duì)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并應(yīng)用LabVIEW進(jìn)行用戶操作界面編程，實(shí)現(xiàn)了溫濕度數(shù)據(jù)顯示、趨勢(shì)圖繪制、超限報(bào)警以及歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等功能。對(duì)傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，本系統(tǒng)的硬件電路更加簡(jiǎn)單，縮小了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，且可嵌入到以計(jì)算機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中；較基于數(shù)據(jù)采集卡的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)減少了開(kāi)發(fā)成本，更加有利于系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用。本系統(tǒng)界面友好，有著良好的人機(jī)交互性，并具有操作簡(jiǎn)單、直觀，易于觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果和嵌入式擴(kuò)展應(yīng)用等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王春輝，曾群鋒.基于LabVIEW高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2013，22(6)：60-63

[2] 陳昌鑫，靳鴻，馮彥君，等.數(shù)據(jù)采集卡和虛擬示波器系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012(3)：67-69

[3] 裴九芳.基于LabVIEW的精鍛控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J].安徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，25(3)：35-37

[4] 周鵬，許鋼，馬曉瑜，等.精通LabVIEW信號(hào)處理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013

[5] 盧超.糧倉(cāng)無(wú)線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20(9)：161-164

[6] 仵博，劉興東，吳敏.基于GSM的通用遠(yuǎn)程報(bào)警控制器的研制[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，43(8)：92-94

[7] 許鋼，林園勝，胡天水，等.虛擬儀器技術(shù)在溫度采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35(7)：81-86

[8] 馬麗賓，王興隆，熊先圣.汽車(chē)電磁場(chǎng)強(qiáng)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，28(5)：520-523

[9] 千應(yīng)慶.基于LabVIEW的光纖旋轉(zhuǎn)傳輸系統(tǒng)測(cè)試儀[J].計(jì)算機(jī)工程，2010，36(3)：251-253