基于LabVIEW的库房温湿度监测系统的设计.docx
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基于LabVIEW的库房温湿度监测系统的设计
第一章引言
1.1本文研究的目的及意义
库房是存放物品的重要地点，环境因素对库房物品影响非常大，在高温与高湿的环境下，库房容易滋生霉菌，害虫等[3]，使得物品寿命减短，损坏严重。
因此科学的监测调节库房温湿度，加强对库房的监测，保护库房物品是一项有重要意义的工作。
我国的大部分地区一年中有很长一段时间的高温高湿气候，适合细菌生长繁殖，对库房物品的保管非常不利，库房中的物品会受到外界空气温湿度变化的影响，会使库房物品发生变质，腐化，失效等问题[3]，在有些地区，夏季库外最高温度可达40度，相对湿度达80%以上，即使在密闭的条件下，库房内温度仍然达到30度以上，而在库房管理中，30度及视为高温，相对湿度达到70%即为高湿。
目前，各库房普遍采取密闭、通风与吸潮相结合的手段控制和调节库房温湿度。
但这种方法需要依靠大量人力资源，控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。
即使有些用户采用半导体二极管作为温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。
由于温度过高或过低引起的库存品失效或由于环境湿度过高而引起的事故时有发生，甚至危及到人员的安全。
所以实施对温湿度的监控十分重要，同时有利于促进企业管理建设与高新科技的结合，把企业库房监测等监控管理行业发展成为功能丰富多彩的数字家园。
对库房温湿度监测系统除了应用于库房还可以应用于其他行业。
例如像纺织工艺对温湿度有严格要求，纺织厂空调系统的可靠性和安全性直接影响正常生产和经济效益。
目前纺织厂大部分空调系统控制方式落后、操作不方便。
而且空调系统能耗大、机器受损严重、运行成本较高。
因此，设计一个操作方便、功能完善、工作可靠的温湿度监测系统，对提高设备的工作效率、降低事故率有积极作用。
本设计即以上述问题为出发点，设计了温度、湿度的监测系统，该系统不仅能实时的采集各抽样点的温度值与湿度值，而且能迅速处理，友好的将数据结果显示给用户。
1.2传统的温湿度监测方法
最早的库房温湿度监测采用人工的方式，每天读取库房的温度计和湿度计，这种方式不仅效率低，劳动时间长，而且会由于抽样的不具代表性使得监测结果失去意义。
随着传感器技术和测量测试技术的发展，为了更好地了解特殊要求库房的温湿度变化规律，传统的测试装置已经不能适应高标准的需要，需要研发新的监测装置，计算机技术的发展，出现了以计算机为核心的新一代仪器—虚拟仪器。
由美国NI公司推出的虚拟仪器开发平台软件LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境的简称，具有简洁图形化编程环境和强大的功能。
它广泛应用于数据采集与控制、信号处理、数据显示、数据分析等领域。
采用虚拟仪器技术，有以下优点：
（1）突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制；
（2）利用计算机丰富的软件资源，增加了系统灵活性；（3）通过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对测试数据进行各种分析和处理，通过图形用户界面（GUI）技术，真正做到界面友好，人机交互。
虚拟仪器利用通用的硬件平台（计算机、数据采集卡等）结合专用的硬件（如传感器、调理电路）实现数据的采集，再用相应的仪器功能软件对数据进行处理，实现传统仪器的功能，而且只要改变软件中的参数就能实现不同仪器的功能。
同时界面友好，可视化软件LabVIEW工具，更是向着效率高、功能强大的方向努力。
1.3课题的来源及研究内容
本文利用LabVIEW软件设计并实现一个温湿度监控系统，实现温湿度的测量和显示和控制。
在虚拟仪器的思想为工业界逐渐接受的今天，人们越来越认识到“软件就是仪器”的先进思想的含义。
本课题的研究内容就是利用虚拟仪器软件LabVIEW实现库房温湿度监测。
采用LabVIEW作为监测软件，采用数字温度传感器DS18B20、湿度传感器HS1101测量温湿度[1]，利用单线检测信号将温湿度的值送到单片机进行相应的处理，然后经过串口通信，将温湿度的检测值经过RS-232送到计算机上，然后经过DAQ数据采集将数据送到LabVIEW，进行数据在LabVIEW将数据送到数据处理程序进行数据的处理，然后将数据送到报警程序与设定值进行比较，在设定值之间将在LabVIEW前面显示工作正常。
如果工作不再设定值之内，将会产生报警，在前面板将会有报警信号提示，同时在下位机将会有报警信号，同时将驱动相应的电路控制风扇和加湿器工作，使库房的温湿度能够工作在我们设定的理想状态。
第二章LabVIEW软件及其监控功能的介绍
2.1虚拟仪器技术
测量仪器发展至今，大体经历了四代发展历程[2]，即模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器和智能仪器。
随着电子技术、计算机和网络技术的高速发展，及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，新的测量理论、新的测量方法、新的仪器结构不断出现。
其中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测量系统更紧密地结合，导致仪器的结构、概念和设计观点等也发生突破性的变化，在这一背景下，出现了新的仪器概念-虚拟仪器。
2.1.1虚拟仪器的概念及系统结构
所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测量功能由测量软件实现的一种计算机仪器系统。
虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出监测结果，利用计算机的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理。
利用I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种功能的一种计算机仪器系统。
虚拟仪器与传统仪器的比较如下表2-1。
表2-1传统仪器和虚拟仪器的对比
传统仪器
虚拟仪器
功能由仪器厂商定义
功能由用户自己定义
与其他仪器连接有限
可方便的与网络外设及多种仪器连接
图形界面小，人工读取数据信息量小
界面图形化，计算机直接读取数据并分析处理
数据无法编辑
数据可编辑、存储、打印
硬件是关键部分
软件是关键部分
价格昂贵
价格低廉
系统封闭、功能固定，可扩展性差
基于计算机技术开发的功能模块可构成多种仪器
技术更新慢
技术更新快
2.2LabVIEW软件介绍
LabVIEW是实验室虚拟仪器集成开发平台的简称，它是目前国际上应用最广泛的虚拟仪器开发环境之一，它是主要用于开发数据检测、数据测量采集系统、工业自动控制系统和数据分析系统等领域的专用软件开发平台。
2.2.1LabVIEW概述
LabVIEW的最大特色是采用编译型图形化编程语言——G语言，它与C、pascal、Basic等传统语言有着相似之处，如：
相似的数据类型、数据流控制系统、程序调试工具，以及模块化的编程特点。
但二者最大的区别在于：
传统编程语言用文本语言编程，程序的执行依赖于文本所描述的指令；而LabVIEW使用图形语言以框图的形式编写程序。
用LabVIEW编程无需具备太多编程经验，因为LabVIEW使用的都是测试工程师熟悉的术语和图标，如各种按钮、开关、波形图等，界面非常直观形象。
LabVIEW语言具有丰富的扩展函数库，集成了大量的生成图形界面的模板，如各种表头、旋钮、开关、LED指示灯、图表等，界面直观、形象，相对于传统的编程方式而言，它简单易学而且执行效率高，与传统的编程方式比，使用LabVIEW设计的虚拟仪器，可以提高效率4-10倍。
LabVIEW的核心是VI。
VI有一个人机对话的用户界面—前面板和类似于源代码功能的方框图。
前面板接收来自方框图的指令。
在VI的前面板中，空间模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI的框图；而指示器则模拟了仪器的输出装置并显示由方框图获得或产生的数据。
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，也可用作其他程序或子程序的子程序。
一个VI用在其他VI中，称为subVI，subVI在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的。
2.2.2LabVIEW软件的组成
一个完整的LabVIEW开发环境包括基本模块和扩展模块两部分，引擎部分是整个图形化开发环境的核心，包括编辑模块、运行模块和调试模块。
LabVIEW环境下开发的程序称为虚拟仪器VI[1]。
程序VI由一个前面板，程序流程图和一个接口板组成。
接口板用于上层的VI调用该VI。
2.2.3LabVIEW软件的优势及实现监测功能的可行性
1、简单的方案使得可以很方便的使用LabVIEW，因为它使用可视化技术建立人机界面，提供了大量仪器面板中的控制对象。
2、LabVIEW提供了先进的网络技术。
3、先进的ActiveX技术融合了简单的拖放编程方法，仪器控制和数据采集免得非常简单。
4、灵活的仪器将LabVIEW与一般的数据采集加以组合，可以设计出更灵活的虚拟仪器。
5、LabVIEW拥有大量NI公司或第三方公司提供的支持软件。
第三章系统总体方案设计
3.1设计方案的选择
库房温湿度控制在国内外设计比较多，很多都是直接采用单片机进行设计的，所有的数据处理都是有单片机来处理，这样就会增加单片机的负担。
本次的设计是基于LabVIEW来进行设计的，将检测的数据送到上位机LabVIEW进行数据处理，这样就会减少单片机的处理数据的负担，而且在LabVIEW的图形界面可以看的很清楚，数据的变化过程，比较方便。
而且设计起来比较方便，因为LabVIEW都是图形化的程序，设计程序的时候比较直观，而且易懂，设计起来比较容易，在它的前面板上就直接可以看到数据的变化过程。
3.2设计方案
该系统整体上分为三大部分：
一部分为基本的硬件电路；二是检测部分电路；三是上位机现场数据处理和管理．在库房的关键部分设置温度传感器（DSl8B20）湿度传感器（HSll01），利用Dsllas公司的单总线协议和单线检测信号将温湿度的值送到单片机进行相应的处理，然后经过串口通信，将温湿度的检测值经过RS-232送到计算机上，然后经过DAQ数据采集将数据送到LabVIEW，LabVIEW将数据送到数据处理程序进行数据的处理，然后将数据送到报警程序与设定值进行比较，在设定值之间将在LabVIEW前面显示工作正常。
如果工作不再设定值之内，将会产生报警，在前面板将会有报警信号提示，同时在下位机将会有报警信号，同时将驱动相应的电路控制风扇和加热器工作，使库房的温湿度能够工作在我们设定的理想状态。
3.3设计的实现的任务与目标
设计的任务主要实现库房温湿度的测量与控制。
数据采集模块利用单片机实现温度实时采集、湿度实时采集、电路状态信号采集及数据预处理；数据传输模块将检测信号传输到计算机；计算机I/O接口为计算机与外部数据连接的硬件支持。
当数据进入计算机后，在LabVIEW平台上，经数据处理子程序、温湿度控制子程序输出系统控制信号，并通过计算机I/O接口输出；输出信号驱动相应的驱动电路，分别控制加热电路及风扇电路，实现对库房温、湿度的实时监测及控制;程序实时监测系统状态;同时在前面板实时显示输出温度、湿度控制曲线。
设计的目标是上位机的监测程序需利用LabVIEW设计，包括温湿度测量数据、曲线实时显示，报警指示，上下限设定、数据分析判断和下位机通信，同时，系统提供历史数据回读、历史数据打印功能，以便用户查看系统的历史状态；单片机部分需要编制测量、数据转换、滤波、标度变换、通信、显示、报警、控制等程序。
第四章系统硬件设计
4.1硬件设计原理
下位机的硬件设计主要是依据单片机[8]，所以要进行数据的采集，温度的采集用DS18B20进行温度数据的采集，湿度的数据采集用HS1101元件，将采集的数据送到单片机STC89C52进行数据的处理，处理后经数据送到1602A显示出当前的温湿度，和温湿度的报警的上下限，并将温湿度的数据送到上位机LabVIEW进行数据的处理，当超过温湿度的上限或者低于温湿度的下限时，上位机发出信号控制下位机的风扇或者加热器进行工作，保持库房的温湿度达到我们需要的范围。
工作框图如图4-1所示。
图4-1工作框图
4.2主要器件介绍
4.2.1STC89C52介绍
STC89C52是美国ATMEL公司生产的低电压[9]，高性能CMOS的8位单片机，片内含有8Kbytes的可反复檫写的只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，非意识性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052系列残品引脚兼容，片内置通用的8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大STC89C52单片机适用于许多较为复杂控制应用场合。
其主要的性能参数：
（1）与MCS-51产品指令和引脚完全兼容。
（2）8K字节可重复擦写。
4.2.2系统温度传感器DS18B20
温度传感器很多，可分为模拟温度传感器和数字温度传感器[8]。
DS18B20是世界上第一片支持单总线接口的温度传感器[9]，单总线独特而其经济的特点，使用户可以轻松的组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
新一代的DS18B20体积更小，更经济、更灵活，而其由于芯片输出的是数字信号，省去外部A/D转换，简化硬件电路。
其特性如下：
（1）独特的单线接口方式，只需一个接口引脚即可通信；
（2）每一个DS18B20都有一个唯一的64位ROM序列码；
（3）在使用中不需要任何外围元件；
（4）可使用数据线供电，电压范围：
+3.0V～+5.5V；
（5）测温范围：
—55℃～+125℃,在—10℃～+85℃范围内精度为±0.5，分辨率0.0625℃。
等效的华氏温度范围—67℉～+257℉；
（6）通过编程可实现9~12位的数字读书方式。
（7）告警搜索命令可识别和定位那些超过报警限制的DS18B20；
（8）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。
电源接反不会烧毁，但不能工作。
其引脚说明如下表4-1所示。
表4-1引脚说明
引脚8脚SOIC
引脚PR35
符号
说明
5
1
GND
地
4
2
DQ
单线运用的数据输入/输出引脚：
漏极开路见“寄生电源”一节。
3
3
Vdd
可选Vdd引脚。
有关连接的细节见“寄生电源”一节。
4.2.3湿度传感器HS1101介绍[5]
湿度传感器HS1101/HS1100基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。
可以应用于办公自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。
在需要湿度补偿的场合他也可以得到很大的应用。
其特点：
全互换性在标准环境下不需校正
长时间饱和下快速脱湿
可以自动化焊接，包括波峰焊或水浸
高可靠性与长时间稳定性
专利的固态聚合物结构
可用于线性电压或频率输出回炉
最大参数值（Ta=25℃除非特别标定）
工作温度Ta-40～100℃
储存温度Tstg-40～125℃
其系统参数特性如下：
测量范围是3~99%RH，电源电压DC5V（max7V），等效电容175~185PF（54.4%RH，10KHz），恢复时间10s，湿度迟滞±1.5%RH，稳定期0.5RH/yr，响应时间10s（33%—76%HR，流速1m/Sec），线性度±1%RH。
HS1101为电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。
将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常用两种方法：
一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号。
湿度与频率的典型值如表4-2所示。
表4-2湿度与频率的典型值
湿度（%RH）
频率（Hz）
湿度（%RH）
频率（Hz）
0
7351
60
6600
10
7224
70
6468
20
7100
80
6330
30
6976
90
6186
40
6853
100
6033
50
6728
4.2.4液晶1602A介绍[11]
1.主要参数介绍如下表4-3所示。
表4-3主要参数
显示容量
16X2字符
芯片工作电压
4.5-5.5V
工作电流
2.0mA（5.0V）
模块最佳工作电压
5.0V
字符尺寸
2.95X4.35（WXH）mm
2.接口信号说明如下表4-4所示。
表4-4接口信号
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DataI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DataI/O
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
DataI/O
4
RS
数据/命令选择端（H/L）
12
D5
DataI/O
5
R/W
读/写选择端（H/L）
13
D6
DataI/O
6
E
使能信号
14
D7
DataI/O
7
D0
DataI/O
15
BLA
背光源正极
8
D1
DataI/O
16
BLK
背光源负极
3.指令说明：
（1）显示模式设置如下表4-5所示。
表4-5显示设置
指令码
功能
0
0
1
1
1
0
0
0
设置16×2显示，5×7点阵，8位数据接口
0
0
0
0
0
D
C
B
D=1开显示；D=0关显示
C=1显示光标；C=0不显示光标
B=1光标闪烁；B=0光标不显示
0
0
0
0
0
1
N
S
N=1当读或写一个字符后地址指针加一，且光标加一
N=0当读或写一个字符后地址指针减一，且光标减一
S=1当写一个字符，整屏显示左移（N=1）或右移（N=0），以得到光标不移动而屏幕移动的效果。
S=0当写一个字符，整屏显示不移动
（2）数据控制区内部设有一个数据地址指针，用户可以通过它们来访问内部的全部的80字节RAM其数据指针的设置如下表4-6所示。
表4-6指令设置
指令码
功能
80H+地址码（0-27H，40H-67H）
设置数据地址指针
01H
显示清屏：
1.数据指针清零
2所有显示清零
02H
显示回车：
1.数据指针清零
4.3硬件电路设计
4.3.1温度采样原理及电路
利用DS18B20温度传感器进行温度采样．[11]它用单总线协议和单片机实现通讯．单总线协议是采用单根信号线，既可传输时钟，又能传数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单．
温度采样电路如下图4-2所示。
图4-2温度采集电路
4.3.2湿度采集原理及电路
原理分析：
电源电压工作范围是UCC=+3.5～+12V。
利用一片CMOS定时器TLC555。
配上HSll01和电阻R2、R4构成单稳态电路，将相对湿度值变化转换成频率信号输出。
输出频率范围是7351-6033Hz，所对应的相对湿度为0～100％。
当RH=55％时，f=6660Hz。
输出的频率信号可送至数字频率计或检测系统，经整理后送显示。
R3为输出端的限流电阻，起保护作用。
通电后,电源沿着Uc→R4→R2→C对HS1101充电。
经过t1时间后湿敏电容的压降Uc就被充电到TLC55的高触发电平（Uh=0.67Ucc），使内部比较器翻转，OUT的输出变成低电平。
然后C开始放电，放电回路为C→R2→D→内部放电管脚。
经过t2时间后，Uc降到低触发电平（Ul=0.33Ucc），内部比较器再次翻转，使OUT端的输出变成高电平。
这样周而复始的进行充、放电，形成了振荡。
湿度采集电路如下图4-3所示。
图4-3湿度采集电路
4.3.3单片机与PC的串行通信电路
串行通讯是数据通讯的主要方式之一。
由于其联线少、成本低、有多种可供选择的传送速率，并遵循统一的标准而得到广泛的应用。
目前利用单片机开发的各种监控设备大多都需要与PC机进行数据通讯。
PC机中一般都有现成的1～2个标准RS-232C串行口，利用这些串行口，PC机可以与单片机进行数据通讯，通讯距离可达15m左右。
STC89S52单片机内提供了一个全双工的串行口，P3.0管脚是串行数据接收端RXD，P3.1管脚是串行数据发送端TXD。
但是，由于单片机的串行口不是标准的RS232C接口，它接收发送的电平是TTL电平。
TTL电平的逻辑“1”和逻辑“0”分别是2.4V和0.4V，而串行通讯接口RS-232C采用负逻辑，即逻辑“1”为－5～－15V，逻辑“0”为5～15V，二者的电气规范不一致，因此要完成单片机与PC机的数据通讯，必须对单片机输出的TTL电平进行电平转换。
本系统选用MAX232AESE芯片完成电平间的转换。
利用RS-232接口中的RD、TD、GND（信号地）三线来完成双工通信。
MAX232AESE是MAXIM公司生产的低功耗、单电源（+5V）的双RS-232C发送器与接收器[12]。
MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源变换成RS-232C输出电平所需±10V电压，所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的+5V电源。
外围需接4个0.1μF/25V电解电容，供内部电压变换之需。
MAX232AESE芯片引脚T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT接TTL电平，引脚T1OUT、T2OUT，R1IN、R2IN为EIA电平。
MAX232的接口电路如图4-4所示。
图4-4MAX232接口电路
第五章下位机设计
5.1温度传感器DS18B20程序设计
DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。
DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。
该协议定义了几种信号的时序：
初始化时序、读时序、写时序。
所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。
而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。
数据和命令的传输都是低位在先。
其设计流程图如图5-1所示：
图5-1DS18B20工作时序流程图
5.2液晶1602A子程序设计
1602A的设计主要是首先对其自身初始化设置，主要包括显示模式设置、显示开/关及光标设置、读写数据设置，设置完以后，1602A可以正常的工作，然后将给出要显示数据的指定的地址，给出地址以后，在送要显示的数据，1602A的读写时序也要严格的遵守，否则1602A不会工作正常。
有以上的分析可得程序读写时序流程图如图5-2所示：
图5-2读写时序流程图
5.3上、下位机数据通信子程序设计
上位机和下位机的通讯主要通过RS-232，来进行通讯的，在本次的设计里，由于要单片机向上位机发送数据，因此要设计发送数据子程序，因此要设置串口的工作方式，这次设计采用了串口工作方式1，由于串口工作方式1的波特率是由定时器控制的，因此还要有定时器程序，产生需要的波特率来控制串口的功能工作方式。
设计的程序如下所示：
voidsend_init（）
{TMOD=0x20;//定时器1工作方式为方式1
TH1=0xfd;//置入T1的计数初值
TL1=0xfd;
TR1=1;//定时器开始计数
REN=1;//串口中断打开
SM0=0;//设串口工作方式为方式1
SM1=1;
EA=1;//开总中断
ES=1;//开串口中断
}
5.4报警子程序设计
当温湿度不在设定值区间的
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