基于labview的温湿度监测系统.docx

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基于labview的温湿度监测系统

毕业设计〔论文〕

基于labview的粮仓温湿度检测系统

院别

控制工程学院

专业名称

测控技术与仪器

班级学号

5090914

学生

廖訢凯

指导教师

宋爱娟

2013年6月13日

基于labview的温湿度检测系统

摘要

随着科技的不断发展，测控技术愈加的自动化，智能化，数字化和网络化。

电脑和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向，美国NI公司研制开发的labview虚拟仪器具有强大的数据处理能力，拥有良好的人机设计界面，能够充分发挥电脑的功能，可以创造出功能强大的仪器，实现普通仪器所不能实现的功能。

随着气象事业的逐步发展，气象要素的数据测量也步入自动化。

温度和湿度是两个重要环境参数，直接影响到粮食的储存，因此有必要对其进行时时的检测，本设计借助虚拟仪器技术的易开发、灵活性强和使用方便等优点，将其和传统测量系统结合起来，基于labview软件设计出可以采集多路温度和多路湿度信号的温湿度检测系统，具有温湿度数据显示、波形显示、温湿度超限报警等功能，并且操作简单。

本系统采用温湿度传感器，将所采集到的温度和湿度，经过变换，转换成电压信号送入数据采集卡中，再通过RS-485接入电脑中，在电脑软件的支持下，完成自动采集自动处理等功能。

关键词：

labview，温湿度，检测

thedetectionsystemBasedonlabviewofthetemperatureandhumidity

Author：

LiaoXinkaiTutor：

SongAijuan

Abstract

Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,measurementandcontroltechnologyincreasinglyautomation,intelligent,digitalandnetwork.Thecloselycombiningofinstrumentandcomputeriscurrentlyanimportantdirection，ThelabviewwhichUnitedStatesNIcompanyresearchanddevelophasthepowerfuldataprocessingability,haveagoodman-machineinterfacedesign,cangivefullplaytothefunctionofthecomputer,cancreateapowerfulinstrument,realizefunctionsthatcommoninstrumentcan’t.

Withthegradualdevelopmentofthemeteorologicalservice,meteorologicaldatameasurementalsointoautomation.Temperatureandhumidityaretwoimportantenvironmentalparameter,directlyaffectthefoodstore,Thereforeitisnecessarytocarryouttheireverytest,Thisdesignbymeansofthevirtualinstrumenttechnologyiseasydevelopment,flexibilityandeasytouse,andwecombineitandthetraditionalmeasurement.BasedonlabviewsoftwaredesignedtemperatureandhumiditydetectionsystemWithtemperatureandhumiditydatadisplay,waveformdisplay,temperatureandhumiditytransfinitealarm,andotherfunctions,whichcanacquisitemultichanneltemperaturesignalandmultiplehumiditysignalandiseasytooperate.

Thesystemwhichusesthetemperatureandhumiditysensor,willconvertthetemperatureandhumiditysignalcollectedintoavoltagesignalandsentittothedataacquisitioncard.

KeyWords:

labview,Temperatureandhumidity,detection

1绪论

设计的背景及目的

伴随着以电脑和网络为代表的信息技术的快速发展，基于电脑软件平台的测量系统被广泛应用于各行各业中，“软件就是仪器”的思想得到广泛的认同和实践。

美国国家仪器公司（NationalInstruments,NI）提供的虚拟仪器·程序设计语言LabVIEW，已经成为开发测量控制系统的重要工具，在各个领域得到了普遍的应用【1】。

虚拟仪器的主要特点有：

尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件；可充分发挥电脑的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能强大的仪器；用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器，并且购置费用低、可重复利用；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。

　随着气象事业的逐步发展，气象要素的数据测量也步入自动化。

传统的气象要素测量系统体积庞大，所需要的硬件设备较多，使用时受人员、地点、空间等诸多因素的影响较大。

而且这类测量系统和传统仪器一样，功能、作用都由生产商在生产时定义好，一旦成型，用户就无法在使用过程中根据自身的需要对仪器的功能和作用进行重新定义。

而如果借助虚拟仪器技术的易开发、灵活性强和使用方便等优点，将其和传统测量系统结合起来，来完成气象要素的数据采集和处理功能，还可以根据用户自身的需要来对系统的功能和作用进行自我定义和修改，节省了大量的人力、物力，使得对于气象要素的数据采集和处理变得更加简单、方便。

粮食在存储期间，由于环境、气候和通风条件等因素的变化，粮仓内的温度或湿度会发生异常，这极易造成粮食的腐烂或发生虫害。

同时粮仓中粮食储存质量还受到粮仓中气体、微生物以及其他虫害等因素的影响。

为保证粮食仓库具有一个正常的温湿环境，有必要对仓内温度，包括粮食里面的温湿度进行监测，所以设计出一个简单方便的温湿度检测系统具有十分重要的意义。

1.2研究现状

20世纪70年代，因为个人电脑技术的出现，人们开始考虑用电报来处理传统仪器测试的数据，同时GPIB技术也发展起来，促进了标准的诞生；20世纪80年代，随着电脑技术进一步发展，电脑主板上有多个扩展槽，，并出现了插在电脑里的数据采集卡，这样的系统已经可以进行一些简单的数据采集工作，将采集到的数据直接由电脑软件进行处理，这就是虚拟仪器技术的雏形；20世纪90年代，电脑总线速度进一步提高，PCI总显得数据传输速率到达了132Mbps，1996年底，NI在PCI数据总线的基础上提出了第一代PXI（PCIeXtensionsforInstrumentation）系统的技术标准。

到21世纪初，全球已有超过25000用户在使用虚拟仪器技术，其中不乏国际知名的大公司，像Nokia、Simens、Tektronix等。

在世界财富500强中的制造业厂商，95%都采用了虚拟仪器技术。

虚拟仪器在国内外发展都很快，以美国NI公司为代表的很多企业都已已经推出了基于虚拟仪器设计的仪器产品。

同时在国内外虚拟仪器都是相关理工科大学生的必须要学习的一门课。

近几年来，世界各大虚拟仪器公司开发了很多虚拟仪器开发平台软件，供使用者组建适合自己的虚拟仪器以及测试系统。

其中尤其以美国NI公司的LabVIEW和Labwindows/CVI开发最早且最具影响力。

LabVIEW采用的是图形化编程方案，是非常实用的开发软件；Labwindows/CVI是采用C语言进行编程的、在Windows环境下的标准ANSIC开发软件。

除了上述几种软件，还有美国HP公司开发的H-VEE和HPTIG软件，美国Tektronix公司开发的Ez-Test和Tek-TNS软件，以及美国HEMData公司开发的Sanp-Master软件，都是国际上公认的非常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、RS-485串行总线、VXI总线，以及USB总线等。

世界各国的公司，特别是美国的NI公司，为了使虚拟仪器能适应各种总线的配置，开发了大量的软件和适应要求的硬件，从而可以使使用者灵活地组建各种各样的不同复杂程度的虚拟仪器自动测控系统。

虚拟仪器的开发公司，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面不断地改革和创新，发布了各种软件，建立了开发工具库和数据处理的高级分析库，进一步扩大了虚拟仪器的功能。

随着微型电脑技术的发展，虚拟仪器将逐步取代传统仪器而成为测试仪器的主流。

据专家预测，到2015年我国有70%的仪器为虚拟仪器。

虚拟仪器将在航天、通信、医疗、电力、石油、铁路等行业普及及应用。

论文构成及研究内容

本文重点介绍了利用LabVIEW开发环境设计上位机的检测界面，温湿度传感器通RS-485串行总线与采集板卡相连接介入上位机，从而实现对粮仓内温湿度的检测。

本文主要进行以下几方面的工作：

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

2、温湿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。

3、粮仓温湿度检测系统软件整体设计方案，及上位机和下位机的设计过程。

4、对所做工作进行了总结，对未来的研究作了展望。

2系统总体方案设计

本论文设计开发的是基于LabVIEW的粮仓温湿度检测系统，根据从总体到局部的设计原则，通过对系统功能的分析，将整个系统分解为实现不同功能的几个部分，然后分别对每个部分进行设计。

为了能够实现温湿度检测系统所提出的各项具体的功能，可以将整个系统分解为上位机和下位机两个部分:

上位机为装有LabVIEW2010软件的PC机，下位机为采集卡及外围电路组成的小系统。

两个部分是通过RS-485串口进行通信的。

其中下位机部分主要完成温湿度信号的采集以及温湿度数据的输出;上位机部分完成对硬件的驱动，温湿度数据显示、数据处理与存储，温湿度超限报警及人机交互操作界面的生成。

系统功能

传统的气象要素测量系统体积庞大，所需要的硬件设备较多，使用时受人员、地点、空间等诸多因素的影响较大。

而且这类测量系统和传统仪器一样，功能、作用都由生产商在生产时定义好，一旦成型，用户就无法在使用过程中根据自身的需要对仪器的功能和作用进行重新定义，另外这类测量系统与其它仪器设备的连接也十分有限，并且图形界面较小，人工读取数据信息量很小，数据无法编辑、存储，同时系统封闭、可扩展性差，技术更新速度慢，开发和维护费用较高。

基于以上传统仪器的缺点，本论文设计了一个基于LabVIEW的粮仓温湿度检测系统。

此温度检测系统主要实现以下功能：

1、采集卡与PC机的串口通信，能及时地将温度数据传给PC机，并将在上位机界面行程曲线，直观的表现温湿度变化。

2、检测参数的显示:

如测试时间、设定温湿度、当前温湿度等，当温湿度超出某个范围进行报警等。

3、温湿度实时监测曲线显示，而且具有数字显示和波形图显示。

4、测试结果的数据保存：

用户可以将采集到的温湿度数据的一部分或者全部保存在Excel表格中，方便查询和打印。

2.2系统组成框图

温湿度传感器

开发软件

计

算

机

数

据

采

集

卡

测

试

对

象

温度数据传输

湿度

传感器把被测量的物理量转换为电量；信号调理电路对传感器转换的电信号进行放大、滤波、隔离等预处理；数据采集卡采集信号调理电路的电压信号，转换成电脑能处理的数字信号；通过数据采集卡驱动程序，将数字信号读入电脑，再由LabVIEW编写上位机界面。

3下位机设计

3.1器件的选择

DS18B20温度传感器

1简介

继美国DALLAS半导体公司生产的DS1820传感器之后，该公司又推出了一种新型数字式温度传感器DS18B20，这是一种最新的数字化单总线器件[7,8]，它是一种改良型数字温度传感器，基于最新一代适配微处理器而制造的，较之于传统的热敏电阻，该类传感器可以直接读取温度值，并可通过一定的编程实现9～12位数字读数，其次读写信息可通过单总线来完成，方便快捷，另外，DS18B20可以直接由其悬挂的总线供电，而无需外加电源，从而使系统结构简单化，也增加了其可靠性。

DS18B20单总线独特及其经济的特点，便于用户组建所需的传感器网络，使得测量系统有了全新的构建方式。

DS18B20数字温度传感器支持单总线接口，能够实现-55℃～+125℃的温度测量范围，并且在-10～+85℃范围内，测量误差为±℃。

并且可单独设定实际系统的分辨率，并不管断电与否，均能保存在EEPROM中，现场温度的测量以单线总线数字方式传输，即温度的测量值通过串行通讯的方式传输，大大提高了系统的抗干扰能力。

因此DS18B20数字式温度传感器能够应用于复杂恶劣的环境中温度的测量，如地下实验监测、生产线温度检测控制和家用电器的温度控制，因此广泛用于工业、农业、军事等的温度测量控制领域。

2.技术性能描述

DS18B20有以下几点特点：

①独特的单线总线接口方式：

DS18B20与上位机连接时可通过一条传输线路实现双向数据传输。

②可通过数据线供电，供电电压容许范围大，为～，也可选用外部+5V供电。

③实际工作过程中，不需要添加外围器件。

④用户可自行设定温度报警上下限值，其值是非易失性的。

⑤可测温度范围为-55～+125℃，测温分辨率为℃〔-10℃—+85℃〕，2℃〔-55～+125℃〕。

⑥负压特性，电源反接时能够自动保护DS18B20不会被烧毁，此时的芯片无法正常工作。

⑦转换速度快，效率高，可在内完成9位温度转换。

⑧可实现多点测温，多个DS18B20温度传感器可并联在唯一的三线上。

⑨适用于各种微处理器和上位机系统。

⑩内含64位的只读存储ROM，每片DS18B20出厂前就有唯一的产品序号。

大型测温系统，单线上可挂接多片DS18B20传感器。

引脚

DS18B20有两种封装形式[9]。

一种是采用3脚PR35封装，另一种是8脚SOIC封装。

本系统采用PR3三脚封装，管脚排列与封装如图3-1所示：

图3-1DS18B20的引脚和封装

1脚—GND:

地

2脚—I/O：

数据输入/输出端（即单线总线），属于漏极开路输出。

外接上拉电阻后，常态下成高电平。

3脚—VDD:

电源端，为可供选用的外部+5V电源端，不用时接地。

的内部结构

DS18B20的内部结构框图如以下图3-2所示，主要由7个部分组成：

①寄生电源；

②温度传感器；

③64位激光ROM与单线接口；

④高速暂存器，即便筏式RAM,用于存放中间数据；

⑤TH触发寄存器和TL触发寄存器，用来存储用户自行设定的温度上下限值；

⑥存储器和控制逻辑；

⑦8位CRC〔循环冗余校验码〕发生器。

图3-2DS18B20的内部结构框图

⑴64位光刻ROM，结构如下

8位CRC编码

48位产品序列号

8位产品系列号

MSBLSBMSBLSBMSBLSB

光刻ROM中的64位序列号中高8位是CRC校验码，接着是48位的产品序列号，低8位是产品类型的编号。

这64位序列号是传感器DS18B20的地址序列码，在出厂前已经被刻录好，每个DS18B20传感器的地址是不一样的，这样就可以使得多个DS18B20采用一线总线进行通信。

⑵非易失性温度报警触发器TH和TL，主要作用是在系统控制中利用软件设置用户需要的温度报警上下限。

⑶高速暂存寄存器

DS18B20的内部存储器包含有一个高速暂存RAM和一个非易失性的E2RAM,用来存储TH和TL，写入RAM的数据在校验结束后传入E2RAM。

配置寄存器的作用是确定温度值的数字转换分辨率，位于高速暂存器中的第5个字节，DS18B20温度传感器工作时将温度转换为相应精度的数值，该转换过程是按照配置寄存器中的分辨率进行的。

TM测试模式位为这一字节中的最高位，用来设置该传感器的模式是在工作模式还是在测试模式。

第7、6位R0、R1作为分辨率设置位，决定温度转换的精度位数，00～11模式分别表示分辨率为9～12位，所需要的温度数据转换时间随设定的分辨率的提高而延长，实际应用中应该综合权衡考虑分辨率和转换时间。

高速暂存器由9个连续的字节组成的，分配如下表所示

温度低位

温度高位

TH

TL

配置

保留

保留

保留

8位CRC

LSB

MSB

前两位用来存放当前温度的测量值，温度的低8位是第一个字节，温度的高8位是第二个字节，紧接着后面两个是TH、TL位为温度易失性的备份，三个保留位是系统计算所用，最后一个字节CRC校验所用，用来保证通信正确。

当温度传感器DS18B20接收到温度转换命令后就开始启动转换。

转换后的温度值以16位二进制补码形式存储于高速寄存器的前两个字节中。

该温度值通过单总线接口传到单片机中。

DS18B20温度传感器完成温度转换后，就把测得的温度值与TH和TL作比较，如果出现T大于TH或T小于TL，则将告警标志位置位，并对主机发出的告警搜索命令做出响应。

从而，多只DS18B20温度传感器可以同时测量温度并进行告警搜索。

⑷CRC的产生

循环冗余校验码CRC在64位光刻ROM的最高字节，主要用来实现串行通信中的数据校验，主机根据ROM的前56位算出CRC值，然后比较传感器中的CRC值，判断接收的数据是否正确。

5.DS18B20的控制方法

DS18B20在硬件上与单片机的连接方法有两种[10]，一种是采用寄生电源供电，这时的传感器DS18B20的VDD和GND接地，它的I/O口与单片机任意一个I/O口相连，还要接一个值为的上拉电阻。

DS18B20从单线信号线上汲取能量，当I/O端口为高电平时，能量存储于内部电容里。

信号线I/O为低电平时，消耗电容上的能量，等到高电平到来寄生电源电容再次被供电。

另外一种是采用外部电源供电，DS18B20的VDD接外部电源，GND接地，I/O口连接单片机的I/O口，而此时注意电源电流一定是足够的，也可以保证转换精度，而且在理论上，总线可接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。

比较两种工作方式，寄生电源工作方式：

无需本地电源，在无常规电源的条件下也可以读取ROM；电路简洁，只用一根I/O口就能实现测温。

但是这种方式下，I/O线必须要能够保证在温度转换期间有足够的能量，电流到达1mA,当多个温度传感器挂接在一根I/O线上进行多点测温时，光靠上拉电阻不能提供所需能量，使得DS18B20不能进行精确地温度转换，因而会造成无法转换温度或者造成很大的温度误差，综上所述，寄生电源供电方式只适合于单一温度传感器测温情况，不适合采用电池供电系统中，并且工作电源必须保证在5V,否则会造成较大的温度误差。

外部电源供电方式：

这是DS18B20的最正确工作方式，稳定性好，可靠性高，抗干扰能力强，且电路简单，温度测量精度高，可开发出稳定可靠的多点温度监测系统。

分析比较，本系统采用外部电源供电方式。

DS18B20有六条控制命令，其功能分为两类：

温度转换命令和存储器命令。

如表3-1所示：

表3-1DS18B20的功能命令

命令

描述

约定代码

总线响应

温度转换命令

温度转换

启动温度转换

44H

主机发出命令后，假设读时隙中读到0，则表示温度正在转换，假设为1，说表示转换结束

存储器命令

读SRAM

从SRAM中读取包括CRC在内的全部字节

BEH

传感器会从字节0开始输出9个字节，其中包括CRC，如果不需要读取全部9个字节，主机可以根据输出复位脉冲终止当前的读操作

写SRAM

向SRAM中的TH、TL和配置寄存器中写入数据

4EH

将需要的数据写入SRAM的温度报警上下限值和配置寄存器

复制SRAM

复制SRAM中的TH、TL和配置寄存器的值到E2PROM中

48H

将SRAM中的TH、TL和配置寄存器的值复制到E2PROM中，主机发出命令后，假设随后的读时隙中读到0，则表示复制正在进行；假设读到1，表示复制结束

回读

E2PROM

从E2PROM中将TH、TL和配置寄存器的值回读到SRAM中

B8H

从E2PROM中将TH、TL和配置寄存器的值回读到SRAM中，主机发出该命令后，假设随后读时隙中读到0，则表示回读正在进行；假设读到1，则回读结束

读电源

读取DS18B20的供电方式

B4H

主机发出这个命令后，假设随后的读时隙中读到0，则表示当前使用的是寄生电源，假设读到1，则表示当前使用的是外部供电

CPU对DS18B20的访问流程是先进行初始化，然后再进行ROM操作，最后才能执行存储器操作和数据操作。

而传感器DS18B20的每一部操作都必须严格保证它的工作时序和通信协议。

6.DS18B20的测温原理

DS18B20的测温原理如图3-3所示：

图3-3DS18B20的测温原理图

DS18B20的测温原理：

图中温度对低温度系数振荡器的振荡频率影响不大，它产生的固定频率的脉冲信号作为减法计数器1的脉冲输入，高温度系数晶振的振荡频率受温度的影响变化明显，产生脉冲信号送给减法计数器2。

图中计数门未标出，DS18B20在计数门打开时会对低温度系数振荡器的时钟脉冲开始计数，以完成温度采集，计数门的开启时间由高温度系数振荡器控制。

减法计数器1和温度寄存器在测量前被预先置入一个-55℃所对应的基数值，前者对低温度系数晶振产生的脉冲信号实现减法计数，后者里的值在减法计数器1的预置值减到0的时候加1，然后重新装入减法计数器1的预置值，重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号计数，循环下去直到减法计数器2计数到0，温度寄存器停止累加，此时其中的值即为所测温度值。

斜率累加器的作用是补偿以及修正测温过程中的非线性，用来对减法计数器的预置值进行修正。

上述过程会一直重复到计数门关闭，直至温度寄存器值成为被测温度值。

7.应用范围

（1）该产品适用于冷冻库，粮仓，储罐，电讯机房，电力机房，电缆线槽等测温和控制领域。

（2）轴瓦，缸体，纺机，空调，等狭小空间工业设备测温和控制。

（3）汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等。

（4）供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制。

8.DS18B20使用中的注意事项

DS18B20具有体积小、精度高、测温电路简单、价格低廉、占用总线少等优点，但是在实际使用中应该注意几个方面的问题[11]：

⑴需要比较复杂的软件对较小的硬件开销做补偿，因为DS18B20与微处理器间的数据