李 夢，楊金月

（安徽信息工程學院 機械工程系，安徽 蕪湖 241000）

基于LabVIEW開發(fā)平臺的單片機串口通訊系統(tǒng)設計

李 夢，楊金月

（安徽信息工程學院 機械工程系，安徽 蕪湖 241000）

本設計通過搭建的單片機下位機系統(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接口進行信號通訊，完成PC機上位機構建.系統(tǒng)最終實現DS18B20溫度傳感器采集到的實時溫度信號最終顯示在虛擬儀器的前面板界面上.下位機系統(tǒng)的軟件設計主要借助proteus調試仿真實現，LCD顯示實時溫度信號，上位機的通訊程序編制完成信號從單片機到PC的串口通訊，并在此基礎上借助無線發(fā)射和無線接收系統(tǒng)設計將信號在手機終端進行通訊并完成一定調試.

LabVIEW；單片機；溫度控制；串口通信；DS18B20

溫度的監(jiān)控已經成為當前工業(yè)生產、農業(yè)領域和一些科學研究領域的重要部分.根據系統(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)一般借助單片機實時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出報表數據、更無法對采集的信號進行處理、分析獲得相應的特征值[1].基于此，本設計提出將溫度采集系統(tǒng)作為下位機，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，將溫度采集的信號顯示在虛擬儀器程序前面板圖標上，人機界面友好，可操作性強，可推廣價值高.

1 研究背景及意義

在當今的生產制造過程中，掌握溫度信息的實時變化情況對安全生產、提高產品性能、減少能源的損耗等一些技術、經濟指標有著密切的影響.現代社會生活的各個領域幾乎都離不開溫度控制的發(fā)展，比如高分子材料、半導體技術、電力工程、交通運輸等.

在工業(yè)發(fā)展的需求下，面對計算機科學技術和微型電子技術的高速進步，包括工控自動化的設計要求不斷提高，溫度監(jiān)控這一領域在國內外諸多領域都在飛速的發(fā)展，不斷滿足工業(yè)的各方面需求[2].

2 系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)整體設計主要分為三個部分，第一部分是基于LabVIEW的PC上位機顯示系統(tǒng)設計，第二部分是VISA串口通信的接口電路和信號在上位機與下位機傳輸的軟件編程，第三部分是溫度采集的單片機下位機系統(tǒng)設計.設計的系統(tǒng)組成框圖如圖1所示.

圖1 結構效果圖

3 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)整體借助DS18B20集成溫度傳感器進行溫度數據的采集，電壓變化由A/D轉換器轉換成相應的數值后，傳輸給STC89C52RC單片機進行讀取，通過LCD顯示模塊進行顯示，同時數據通過串口通信接口電路傳輸給PC上位機，顯示在虛擬儀器程序前面板上[3].隨著研究的深入，最終實現PC上位機借助GSM通訊模塊將溫度數據以短信的模式傳輸給用戶的手機上.

3.1 溫度傳感器

溫度傳感器是溫度監(jiān)控系統(tǒng)采集數據的關鍵部分，根據本系統(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數字溫度傳感器進行溫度采集，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

3.2 系統(tǒng)單片機的選型

基于系統(tǒng)設計的功能要求，本設計選擇了STC89C5RC單片機.其外形如圖3所示.

3.3 顯示模塊

圖4 1602A

本設計采用LCD顯示屏對溫度數據進行直觀的展示.LCD顯示屏通常由點陣構成，利用不同顏色的燈亮滅來實現對文字、動畫等信息的傳達[5].本設計選擇了一塊工業(yè)字符型液晶1602A，它可以同時顯示32個字符，其外形如圖4所示.

3.4 系統(tǒng)的短信收發(fā)模塊

為了能夠將溫度數據以短信的形式發(fā)送給用戶手機，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網絡進行通訊的功能.

圖5 實物圖連接

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

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 串口通信接口電路

下位機主要由單片機、傳感器、LCD顯示模塊以及GSM通訊模塊組成，集成溫度數據的采集與傳輸.上位機進行溫度數據的監(jiān)控與發(fā)送，由Lab-VIEW程序來實現用戶的需求.

DS18B20采集的環(huán)境溫度數據由STC89C52 RC單片機進行讀取，通過串口通訊接口電路實現信號的串口傳輸[6].在實際操作中，CH340的串口發(fā)送和接收端口需要與單片機的串口發(fā)送端和接收端進行交叉連接.

4.2 下位機測溫電路

系統(tǒng)的下位機硬件電路主要由DS18B20數字溫度傳感器和STC89C52RC單片機進行搭建，經由LCD顯示模塊顯示當前溫度數據.

5 PC上位機軟件設計

通過單片機搭建的下位機系統(tǒng)，將溫度數據傳輸到PC上位機，PC上位機應當具有顯示溫度變化的波形圖窗口與顯示當前溫度值的框圖窗口，便于用戶觀察當前溫度變化.同時對測量溫度的上下限值需要進行控制，并以短信的形式發(fā)送當前溫度值至用戶手機，因此PC上位機程序具有可調上下限溫度值窗口與收發(fā)短信等操作[7].

5.1 LabVIEW上位機程序設計

采用LabVIEW進行PC上位機程序設計，控制面板.由COM口選擇端、當前溫度展示窗口、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部分組成，具有良好的人機交互界面[8].

為了能夠對測量溫度準確且有效地記錄，采用溫度曲線展示面板，將溫度變化的數據及時地呈現出來.COM口選擇端的作用是將下位機的溫度信號選用合適的串口端子進行匹配，從而完成信號傳輸到PC機[9].為了實時接收短信，設計接收短信顯示框完成短信內容的顯示.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號碼.

溫度數據顯示在程序框圖上，數據信息由于VISA寫入只能將字符串數據進行識別，這樣就導致了在上限溫度與下限溫度發(fā)送時因避免非字符串數據的出現，因此不能直接將寫入緩沖區(qū)與溫度數據發(fā)送的控件進行連接，需要在之間加入一個將溫度數據轉換為字符串數據的控件進行連接.同時上限溫度數據不能與下限溫度數據相混淆，故本系統(tǒng)的協(xié)議中規(guī)定前一個發(fā)送的字符是上限溫度數據，之后發(fā)送的字符為其下限溫度數據[10].

溫度數據信息要直觀展現在用戶面前，需要用波形圖來輸出溫度數據信息，所以在得到相關字符串數據信息后需要進行操作，將其轉換為數值型數據.在LabVIEW程序功能面板的編程目錄下可以找到字符串轉數組函數、數組索引函數、數組元素刪除函數等與其相關的運算符號.為了不浪費系統(tǒng)資源，在關機的時候為了讓系統(tǒng)不進行任何數據的處理，便讓其執(zhí)行假事件.

6 系統(tǒng)調試

6.1 下位機調試

通過英國Lab Center Electronics公司出版Proteus軟件，對系統(tǒng)的單片機及外圍器件進行仿真.對Proteus軟件中DS18B20數字溫度傳感器所顯示的溫度值進行調節(jié)時，模擬DS18B20數字溫度傳感器進行采集當前溫度數據，并通過將溫度數據傳輸給STC89C52RC單片機后，由其發(fā)送至LCD顯示模塊，將當前DS18B20數字溫度傳感器所采集的溫度值進行顯示.

通過加、減按鈕實現溫度數據的變化，仿真實際環(huán)境采集到的溫度數據.調節(jié)DS18B20上的加減按鈕將溫度調節(jié)為5攝氏度，則可以在LCD上顯示為5攝氏度.

6.2 上位機調試

由LabVIEW搭建的上位機程序在實際調試過程中如圖6所示.

本設計的目的是利用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺設計一種溫度采集傳輸系統(tǒng),以單片機為下位機，虛擬儀器系統(tǒng)為上位機.利用VISA串口通信模塊實現與單片機的信號通信，完成環(huán)境溫度的實時采集和歷史曲線生成，為信號處理和報表導出提供了數據依據.同時在后續(xù)的研究中，系統(tǒng)將經過單片機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據發(fā)送到主控中心的計算機或用戶的GSM手機.

圖6 上位機調試圖

〔1〕熊舸,劉嫻，等.基于LabVIEW的實時串口數據采集及其Excel報表生成技術[J].軟件,2014（3）.

〔2〕張大波.嵌入式系統(tǒng)原理、設計與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社,2005.

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

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

〔5〕張秀國.單片機C語言程序設計[M].北京：北京大學出版社,2008.

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

〔7〕楊振江.A/D、D/A轉換器接口技術與實用線路[M].西安：西安電子科技大學出版社，1996.

〔8〕溫德爾.LED驅動電路設計[M].北京：人民郵電出版社，2009.

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

〔10〕陳誠，李言武，等.基于LabVIEW的單片機串口通信設計[J].現代計算機，2009（1）.

TH368.1

A

1673-260X（2017）12-0037-03

2017-09-07

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