基于labview的温度检测系统杨凤鸣.docx

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基于labview的温度检测系统杨凤鸣

基于labview的温度检测系统（杨凤鸣）

沈阳理工大学应用技术学院

毕业设计（论文）

题目：

基于LabVIEW的温度检测系统

系别：

信息与控制学院

专业：

测控技术与仪器

学生姓名：

杨凤鸣

指导教师：

耿欣

年月日

摘要

随着测控技术的不断发展，测控技术正向着自动化，智能化，数字化和网络化的方向发展。

美国NI公司的提出了“软件就是仪器”的概念，于是LabVIEW应运而生。

检测在当今社会的许多工业中不和或缺，有些环境恶劣的地方更是离不开远程的检测系统。

本设计就解决了有些重工业、制药业等行业中的有些场所间内不适合人进入时，还需要进行温度检测的问题。

本设计有两个方面，上位机是在PC平台上运用LabVIEW软件开发检测界面，并且直观的观察温度变化曲线，根据需要还可以以Excel表格的形式，保存检测的历史数据，根据实时采集的温度数据和设定值比较，提示温度报警；下位机是通过单片机89E52读取温度数据，通过RS-232转USB接口，动如上位机中进行分析处理。

LabVIEW的通信模块NI-VISA在V3.0版本之后开始支持USB串口，使下位机与LabVIEW通信时可以不通过数据采集卡接收下位机的监测数据，使LabVIEW的灵活性和实用性更好，节约了硬件部分的成本。

关键词：

LabVIEW；接口技术；单片机；温度

Abstract

Withthecontinuousdevelopmentofmeasurementandcontroltechnology,anditstechnologyistowardautomation,intelligent,digitalandnetworkdevelopment.ThecompanyputforwardtheNI"softwareisinstrument"concept,soLabVIEWarisesatthehistoricmoment.

Detectionintoday'ssocietyinmanyoftheindustrywithorlackof,someenvironmentalbadplaceisalsocannotgetawayfromremotedetectionsystem.

Thisdesignissolvedsomeheavyindustry,pharmaceuticalindustry,etcinbetweensomeofplaceisnotfitforhumanin,stillneedtotemperaturedetectionproblem.Thisdesignhastwosides,thePCisinthePCplatformusingtheLabVIEWsoftwaredevelopmenttestinginterface,andintuitiveobservetemperaturecurve,accordingtoneedtoalsocanbeintheformofformtoExcel,savedetectionofhistoricaldata,accordingtothereal-timedataacquisitiondataandthetemperatureofthesetvaluecomparison,tiptemperaturealarm;Themachineisthroughasinglechipcomputer89E52readtemperaturedata,throughtheRS-232turnUSBinterface,moveasamachineforanalysis.

ThisdesignisusedtoRS232seriallineUSBforPCandamachineunderthecommunication.ThecommunicationmoduleLabVIEWNI-VISAinV3.0versionbeganaftersupportUSBserialports,makethenextplacemachineandcannotthroughLabVIEWcommunicationdataacquisitioncardtakesamachineunderthemonitoringdata,maketheflexibilityandpracticalbetterLabVIEW,savethehardwarepartofthecost.

Keywords:

LabVIEW;Interfacetechnology;MCU;temperature

1绪论

1.1课题的研究目的及意义

温度是工业生产和科学研究实验中的一个非常重要的参数，物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的，需要测量温度的场合极其广泛。

目前的温度测量系统一般使用的都是传统仪器，传统仪器的功能都是通过硬件或者固化的软件来实现的。

这种框架结构决定了它只能由仪器厂家来定义、制造，而且功能和规格一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能。

随着科学技术的进步，计算机技术的飞速发展，传统仪器己经不能适应现代监测系统的要求，美国国家仪器公司（简称NI）率先提出虚拟仪器（VirtualInstrumentation）的概念，它彻底打破了传统仪器由厂家定义生产，用户无法改变的模式，从而使测控仪器发生了一场巨大的变革。

20世纪90年代初在我国兴起对虚拟仪器的开发和应用，现在已进入航空、航天、通信、医疗、电力、石油勘探、铁路等行业，并得到了广泛的应用，未来市场潜力巨大。

虚拟仪器是当前测控领域的技术热点，它代表了未来仪器技术的发展方向。

虚拟仪器是通过应用程序将通用计算机与功能模块硬件结合在一起的一种全新的测控仪器系统。

用户通过显示器友好的图形界面操作计算机，完成对被测量的数据采集、分析、处理、显示、存储等整套测试工作，如同操作一台自行定义与设计的专用传统仪器一样。

虚拟仪器与传统仪器比较，它具有所需的硬件较少、购置费用低、可重复利用；仪器的关键在软件、可自行定义、技术更新非常快、开发与维护费用较低、系统开放、方便与外设、网络连接等一系列的优点。

因此虚拟仪器技术备受各国关注，近十年来，虚拟仪器在国际上发展非常迅速，在发达国家应用已经十分普及，被广泛应用于测量、监控、电信及教育等各个领域，目前正朝着总线与驱动程序标准化；硬、软件模块化，硬件模块即插即用；软件编程平台图形化、通用化、智能化和网络化方向发展。

目前，电子测量仪器发展中出现的虚拟仪器概念己经逐步被很多领域所接受，对实现柔性的测控系统具有明显的推动作用。

利用现有的计算机，加上适当的仪器硬件和应用软件（如LabVIEW）构成虚拟仪器，使其既具有传统仪器的基本功能，又能让用户根据自己的需求变化随时定义，实现多种多样的应用要求。

虚拟仪器不但灵活可变、功能强大，而且使用简单方便，便于技术升级更新，系统的使用和维护费用极低，同时具有极高的可靠性。

1.2课题的国内外研究现状

虚拟仪器目前在国外发展得非常快，以美国国家仪器公司（NI公司）为代表的一些厂商己经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。

在美国虚拟仪器及其图形编程语言，己经作为各大学理工科学生的一门必修课。

美国斯坦福大学的机械工程系要求三、四年级的学生在做实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。

近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了许多虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些公司提供的开发平台软件组建适合自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。

最早和最具影响力的开发软件，是NI公司的LabVIEW和Labwindows/CVI。

LabVIEW采用的是图形化编程方案，是非常实用的开发软件；Labwindows/CVI是为熟悉C语言的开发人员设计的、在Windows环境下的标准ANSIC开发软件。

除了上述的几种开发软件之外，美国HP公司的H-VEE和HPTIG软件，美国Tektronix公司的Ez-Test和Tek-TNS软件，以及美国HEMData公司的Sanp-Master软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发软件。

当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括GPIB通用接口总线、传统的RS-232串行总线、PXI总线、VXI总线，以及己经被PC机广泛采用的USB总线和IEEE1394总线。

世界各国的公司，特别是美国的NI公司，为使虚拟仪器能够适应各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件，可以灵活地组建各种不同复杂程度的虚拟仪器自动测控系统。

虚拟仪器的开发厂家，为了扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库，使虚拟仪器发展成为能够组建极为复杂自动测试系统的仪器系统。

在国内己有部分院校的实验室引入了虚拟仪器,国内专家预测:

未来几年内，我国将有50%的仪器为虚拟仪器。

国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时检测。

随着微型计算机技术的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统仪器而成为测试仪器的主流。

虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪自动控制与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。

1.3课题研究的主要内容

本文重点介绍了利用LabVIEW开发环境设计上位机的监控界面，上位机通过USB转RS232串行口与89E52单片机通信，读取温度传感器DS18B20的温度测量数据，从而实现对温度参数的实时检测。

本文主要进行了以下几方面的工作：

1、论述了智能温度测控系统的课题目的及意义，智能温度测控系统的国内外发展概况及本论文的主要内容。

2、详细介绍了虚拟仪器技术的概念、特点和体系结构，虚拟仪器开发软件LabVIEW及图形化编程语言的特点及应用现状。

3、温度检测系统的设计思路及方案，对系统软件开发平台进行选择。

4、介绍智能温度测控系统硬件组成，电烤箱的功率调节方式及各硬件电路的设计。

5、电烤箱温度控制系统软件整体设计方案，及上位机和下位机的设计过程。

6、对所做工作进行了总结，对未来的研究作了展望。

2虚拟仪器概述

2.1虚拟仪器的概念

随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅速发展，传统仪器己经不能适应现代测控系统的要求，美国国家仪器公司率先提出虚拟仪器的概念，它彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，使得用户可以自己定义仪器，灵活地设计仪器系统，以满足多样化的需求。

从而使电子测量仪器和自动控制领域发生了一场巨大的变革。

虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器，即是在通用计算机上加上一组软件或硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像在操作一台他自己设计的专用传统电子仪器

。

其实质是将计算机技术和仪器技术相结合，把传统仪器的三大功能，全部放在计算机上来完成。

利用计算机屏幕形象、方便地模拟各种仪器控制面板，以各种形式表达输出检测结果;用计算机软件实现各种各样的信号分析、处理及存储，完成多种多样的测试功能;用键盘或鼠标代替传统仪器的面板按键与旋钮，人手不再触及仪器本身，实现硬件软件化的结果。

虚拟仪器充分利用最新的计算机技术来实现和扩展仪器的功能，进而逐步代替传统仪器完成某些功能，如数据的采集、分析、显示和存储等，最终达到取代传统电子仪器的目的。

2.2虚拟仪器的主要特点

虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的富有生命力的仪器种类。

与传统仪器相比，虚拟仪器的主要特点可以概括为以下几个方：

1、强调“软件就是仪器”的新概念，取代传统仪器“硬件为主体”的概念。

软件在仪器中充当了以往由硬件甚至整机来实现的角色，软件是虚拟仪器的核心，而虚拟仪器中的硬件仅仅是为了解决信号的输入、输出，这是虚拟仪器相对于传统仪器，在概念上的重大突破。

虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于软件，用户可根据需要，将先进的处理算法、人工智能或者专家系统应用于仪器的设计与集成，从而将仪器的水平提高到一个新的层次。

而且，虚拟仪器充分利用了计算机丰富的图形用户界面资源，建立图形化软面板来代替常规的仪器控制面板，真正做到界面友好、人机交互。

2、虚拟仪器的功能可由用户定义，虚拟仪器的功能可在用户机上产生，从而使得仪器不再完全由硬件决定，彻底打破了传统仪器一经设计、制造完成后，其功能不可改变的单一性、封闭性。

当需要时，用户可通过软件编程添加新的功能，而不必购买新的仪器，使得一台虚拟仪器可以实现各种仪器的不同功能，大大提高了仪器功能的灵活性。

3、易于构建网络化的测量仪器，虚拟仪器基于计算机网络技术和接口技术，具有灵活、方便的互联性，能与网络及其他周边设备互联。

随着网络技术的发展，已经形成网络虚拟仪器，它是一种基于Web技术的新型虚拟仪器，使得虚拟仪器成为Internet的一部分，可方便地构建远程自动测控系统，实现测量、控制过程的网络化。

4、虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，而且采用了模块化结构，系统具有良好的开放性和扩展性。

系统必需的基本硬件，如数据采集电路等被高度集成，制成数据采集卡，实现硬件模块的即插即用。

系统软件的开发是基于模块化的设计思想，并大量运用函数库、动态链接库和类库，代码具有良好的可重复性。

虚拟仪器利用软件，选配一个或几个带有共性的基本仪器硬件来组成一个通用硬件平台，通过调用不同的软件来扩展或组成各种功能的仪器或系统，由于虚拟仪器具有标准性、开放性和模块化结构，用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，提高可重复利用率。

系统组建时间缩短，功能易于扩展，软硬件生产、维护和开发的费用降低。

2.3虚拟仪器的体系结构

任何测量测试仪器的主要功能都是由三大部分组成：

数据采集；数据测试和分析；结果输出显示。

而虚拟仪器也是由这三大部分组成，不同的是虚拟仪器的数据分析和结果输出完全山计算机的软件系统来完成。

只要提供一定的数据采集硬件，就构成了基于计算机组成的虚拟测量测试仪器。

虚拟仪器通常是有计算机、硬件接口电路和软件这三部分构成。

2.3.1虚拟仪器的硬件构成

硬件接口电路与计算机仪器构成了虚拟仪器的硬件。

计算机是虚拟仪器的核心，主要完成数据的分析处理和结果的显示，硬件接口电路主要完成被测信号的采集、放大、模/数转换，根据构成虚拟仪器的接口总线不同，主要可分为以下几种方案，如图2.1所示。

图2.1虚拟仪器的硬件构成框图

1、基于数据采集卡的虚拟仪器，它是以信号调理电路、数据采集卡（DataAcquisition，简称DAQ）及PC机为仪器硬件平台，采用PCI或ISA计算机本身的总线，将DAQ直接插入PC机的相应标准的总线扩展插槽即可，因此这种虚拟仪器又称PC-DAQ/PCI插卡式虚拟仪器。

2、基于通用接口总线GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）接口的虚拟仪器，它是以GPIB接口仪器、GPIB接口卡以及PC机为仪器硬件平台，GPIB仪器具有独立的仪器操作界面，能够脱离计算机使用，也可以通过标准GPIB电缆连接计算机实施程序控制。

3、基于串行口仪器的虚拟仪器，它是由Serial标准总线仪器及PC机为仪器硬件平台，符合RS-232或者RS-422标准的PLC和单片机系统。

4、基于VXI仪器的虚拟仪器，它是以VXI（VMEbusExtensionforInstrumentation）标准总线仪器模块以及PC机为仪器硬件平台，由主机箱、控制器和仪器模块构成。

其中，控制其安装在零号槽中，称为零槽控制器。

VXI控制器包括嵌入式工作站控制器、外置工作站控制器和嵌入式PC控制，可根据测试功能的要求来选用。

5、基于PXI仪器的虚拟仪器，它是以PXI（PCIExtensionforInstrumentation）标准总线仪器模块及PC机为硬件平台，PXI总线方式是在PCI总线内核技术上增加同步触发总线，参考时钟规范和要求形成。

标准的PXI模块化仪器系统有s个插槽，还可以CompactPCI交互操作，可与GPIB或VXI集成，组成大规模、多用途系统。

6、基于现场总线的虚拟仪器，它是以FieldBus标准总线仪器及PC机为仪器硬件平台。

上述的几种方案中，GPIB、VXI、PXI方案主要适合构成大型高精度测试系统;PCI-DAQ/PCI、串行口方案主要适合构成大规模的网络测试系统，如测试任务需要，也可将上述集中方案结合构成混合测试系统。

2.3.2虚拟仪器的软件构成

虚拟仪器的核心技术是软件，通过修改程序可实现功能完全不同的各种测量测试仪器，以满足各种不同的需求。

软件可以定义为各种仪器，可以说“软件即是仪器”。

使原来需要硬件实现的功能软件化，以便最大限度的降低系统成本，增强系统功能及灵活性。

由于计算机很容易与网络、外围设备，以及其他应用连接，对于数据采集、系统控制、远程传送都非常方便。

我们只要利用数据采集卡或数据采集电路，就可在计算机上构造新的仪器系统，由软件进行编程实现不同的功能。

虚拟仪器系统的软件从底层到顶层可分为三个层次，即VISA库、仪器驱动程序、应用程序。

1、VISA（VirtualInstrumentationSoftwareArchitecture）库，VISA库实质是标准的I/O函数库及相关规范的总称，它存在于仪器（即I/O接口设备）与仪器驱动程序之间，是一个为仪器与仪器驱动提供信息传递的底层软件，是实现统一的、开放的虚拟仪器系统的基础与核心。

2、仪器驱动程序，对于数据的采集与控制，由于涉及到硬件操作，需要对应的硬件驱动程序。

驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集合，是连接应用程序和VISA库的桥梁，每一个仪器模块都有对应的仪器驱动程序，仪器厂家以源码的形式提供给用户，用户在应用程序中可方便地调用其仪器驱动程序，而不必自己重新设计。

3、应用软件，它是建立在仪器驱动程序之上，需由用户自己编写，通过提供直接友好的测控操作界面，丰富的数据分析与处理功能来完成自动测控任务。

目前，虚拟仪器的应用软件开发环境主要有两种:

一种是基于文本语言式的软件开发环境，主要有Labwindows/CVI、VisualC++、Visual、Basic、Delphi等;另一种是基于图形化语言的软件开发环境，主要有LabVIEW、HPVEE等。

2.4LabVIEW的概述

LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境（LaboratoryvirtualInstrumentEngineeringworkbench）的简称，是目前应用最广、功能最强、发展最快的图形化软件开发环境。

得到工业界和学术界的普遍认可和好评。

它可以把复杂、繁琐、费时的文本语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能（图形），用线条将各种功能（图形）连接起来的简单图形编程方式，为没有编程经验的用户进行编程、调试提供了简单方便、完整的环境和工具，尤其适合于从事科研、开发的科学家和工程技术人员使用。

LabVIEW是一种虚拟仪器开发平台软件，能够以其直观简便的编程方式、众多的源代码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际工程中所需要的仪器系统创造了基础条件

。

而且LabVIEW与其它计算机语言相比，有一个特别重要的不同点:

其它计算机语言都是采用文本语一言产生代码行，而LabVIEW采用图形化编程语言——G语言，产生的程序是框图的形式，易学易用，特别适合硬件工程师、工程技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可以在很短的时间内掌握并应用到实践中去。

特别是对于熟悉仪器结构和硬件电路的硬件工程师、工程技术人员和测试技术人员来说，编程就像设计电路图一样；因此，硬件工程师、工程技术人员和测试技术人员们学习LabVIEW驾轻就熟，在较短的时间内就能够学会并应用LabVIEW，也不必去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。

LabVIEW的功能十分强大。

像C和C++等其它计算机高级语言一样，LabVIEW也是一种通用编程语言，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有网络功能。

LabVIEW也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步执行等。

LabVIEW的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据流向及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更有效。

G语言编写的程序称为虚拟仪器VI（VirtualInstrument），因为它的界面和功能与真实仪器十分相像，在LabVIEW环境下开发的应用程序都以VI为后缀的，以表示虚拟仪器的含义。

一个VI由交互式用户接口、数据流框图和图标连接端口组成。

同时，G语言很好地实现了模块化编程思想。

用户可以将一个应用分解为多个任务，再将任务细分，将一个复杂的应用分解为多个简单的子任务，为每个子任务建立一个VI，然后把这些VI组合在一起成为最终的应用程序。

因为每个子VI可以单独执行，所以很容易调试。

进一步而一言，许多低级子VI可以完成一些常用功能，因此，用户可以开发特定的子VI库，以适用一般的应用程序。

LabVIEW的运行机制从宏观上讲己经不再是传统上的冯·诺依曼计算机体系结构的执行方式。

传统的计算机语言中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替：

从本质上讲，它是一种图形控制流结构的数据流模式。

数据流程序设计规定，一个函数只有当它的所有输入有效时才能执行；而目标的输出，只有当它的功能完成时才是有效的。

也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影响。

这样，LabVIEW中被连接的功能节点之间的数据流就能控制程序的执行次序，而不像文本程序受到行顺序执行的约束。

从而，我们可以通过相互连接功能节点快速地开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行。

LabVIEW的核心是VI。

VI有一个人机对话的用户界面，即前面板（FrontPanel）和类似于源代码功能的程序图（Diagram）。

前面板接收来自程序图的指令。

在VI的前面板中，输入控件（Controls）模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI的程序图:

而显示控件（Indicators）则模拟了仪器的输出装置并显示由程序图获得或产生的数据。

当把一个输入控件或显示放置到前面板上时，LabVIEW在程序图中相应地放置了一个端口（Terminals），这个从属于输入控件或显示控件的端口不能随意删除，只有删除它对应的输入控件或显示控件时它才随之一起被删除。

用LabVIEW编制框图程序时，不必受常规程序设计语法的限制。

首先，从功能菜单中选择需要的功能节点，将之置于面板上合适的位置；然后用线（Wires）连接各功能节点在程序图中的端口，用来在功能节点之间传输数据。

这些节点包括了简单的算术功能，高级数据采集和分析以及用来存储和检索数据的文件输入输出功能和网络功能。

用LabVIEW编制出的图形化VI是分层次和模块化的。

我们可以将之用于顶层程序，也可用作其它程序或子程序的子程序。

显然LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。

图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高。

2.5LabviEW的应用现状

LabVIEW广泛应用于包括自动化、通信、半导体、电路设计、航空和生产、过