基于LabVIEW数据采集系统设计毕业设计.docx

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基于LabVIEW数据采集系统设计毕业设计

毕业设计

题目：

基于LabVIEW数据采集系统设计

基于LabVIEW数据采集系统设计

摘要

工农业生产、现代科学研究及高新技术开发离不开温度参数的测量与分析。

现代电子检测技术正朝着高集成度、低功耗、可编程以及数字化的方向发展，传统指针式仪器仪表不能进行温度参数数字化处理与分享。

本设计介绍了一种基于LabVIEW编程软件数据采集系统设计方案，该方案采用了DS18B20温度传感器作为温度采集介质，处理器STC89C52作为温度采集模块的控制芯片。

LabVIEW是一种图像化的编程语言，在数据采集和仪器控制上得到了学术界、工业界认可，为实现仪器编程和数据采集系统提供了方便的途径。

设计中通过LabVIEW构建数据采集系统软件平台，将采集的温度数据进行处理并对处理结果进行相应判断。

系统设计具有实用价值，可以完成医疗卫生、工农业生产、科学技术研究、公共交通和活动场所等领域的温度数据采集工作。

系统设计完成后进行了性能测试，表明该系统能够对被测环境完成实时数据采集，存储、信号分析和实时图形显示等工作，系统设计简单、通用性好、可移植、易于操作、成品低可满足一部分市场需求。

关键词LabVIEW；温湿度传感器（DHT11）；温度传感（DS18B20）

DesignofDataAcquisitionSystemBasedonLabVIEW

Abstract

Themeasurementandanalysisofthetemperatureparametersoftheindustrialandagriculturalproduction,themodernscientificresearchandthehightechdevelopment.Inmoderntimes,theelectronicmeasurementtechnologyisdevelopingtowardsthehighdegreeofintegration,lowpowerconsumption,programmingandthedirectionofdigital,traditionalpointertypetemperatureindicatoroftemperatureparametersofdigitalprocessingandsharing.

本设计介绍了一种基于LABVIEW编程软件数据采集系统设计方案，该方案采用了DS18B20温度传感器作为温度采集介质，处理器STC89C52作为温度采集模块的控制芯片。

LABVIEW是一种图像化的编程语言，在数据采集和仪器控制上得到了学术界、工业界认可，为实现仪器编程和数据采集系统提供了方便的途径。

设计中通过LABVIEW构建数据采集系统软件平台，将采集的温度数据进行处理并对处理结果进行相应判断。

系统设计具有实用价值，可以完成医疗卫生、工农业生产、科学技术研究、公共交通和活动场所等领域的温度数据采集工作。

ThisdesignintroducesakindofbasedonLabVIEWprogrammingsoftwaredataacquisitionsystemdesignscheme,theschemeusesthetemperaturesensorDS18B20astemperaturegatheringmediaprocessorSTC89C52asthecontrolchipofthetemperatureacquisitionmodule.providesaconvenientwayforthereali-zationoftheinstrumentprogramminganddataacquisitionsystem.ThroughtheLabVIEW,thesoftwareplatformofthedataacquisitionsystemisbuilt,thetemperaturedataisprocessedandthecorrespondingjudgmentismade.Thesystemdesignhasthepracticalvalue,indu-strialandagriculturalproduction,scienceandtechnologyresearch,publictransportationandactivityplaceandsoondomaintemperaturedatacollectionwork.

系统设计完成后进行了性能测试，表明该系统能够对被测环境完成实时数据采集，存储、信号分析和实时图形显示等工作，系统设计简单、通用性好、可移植、易于操作、成品低可满足一部分市场需求。

Afterthecompletionofthesystemdesignofperformancetest,showthatthesystemiscapabletowasmeasuredthattheenvironmenttocompletethereal-timedataacquisition,storage,signalanalysisandreal-timegraphicaldisplaywork,thesystemdesignissimple,goodversatility,portability,easyoperation,lowproductcanmeetpartofthemarketdemand.

KeywordsLabVIEW；Temperature-Humiditysensor；Temperature

sensor（DS18B20）

绪论

课题研究背景

电压、电流作为控制系统中基本物理量，是数字控制系统得以实现的前提。

温度数据无处不在存在于周围环境，温度实时变化对我们生活、生产产生重要影响。

在工业生产过程中，温度波动影响产品品质，甚至会导致产品报废，在能源和生物领域，温度不稳定会造成能源供应系统受阻，生物产品不达标等。

在生活中，温度的显著变化超出人的适应范围导致身体不适，容易引发感冒、中暑等症状。

因此，温度数据采集作为系统采集参数具有现实意义。

在社会生产环境中，生产系统内部与外界的热传递总会以各种方式进行热量交换，系统内部热源的干扰也是变化莫测。

为了促使生产系统与外界的热能量交换尽可能的符合生产工艺要求，就需要采取控制技术来实现生产系统内部温度处于一个相对稳定理想值。

根据热力学第二定律，两个温度相同的系统之间可以通过一定控制技术达到热平衡的，利用与目标系统温度同步的隔离层，实现目标系统与外界进行热隔离[1]。

另外，在大部分温度控制系统环境中，增温要比降温实现方法简单。

因此，对温度的控制精度要求比较高的情况下，禁止出现温度过冲现象，即不应许实际温度超过控制的目标温度，特别是隔热效果较好的系统环境，温度一旦出现过冲，将难以迅速实现温度下降。

因此，温度参数实时检测具有实用价值，便于温度超出正常范围内进行相应的温度补偿。

从第一台计算机出现至今应有60年历史，计算机应用由最初的国防事业蔓延至各行各业，加上电子技术、软件技术、网络技术和现代测量技术的发展，为现代测量技术发展提供了技术保障。

在上世纪90年代，由美国NI公司提出了新概念—虚拟仪器，标志着测量技术向一个新的方向转变。

虚拟仪器提出的主要思想是利用模块化硬件设计，结合软件完成各种测试、测量和自动化应用。

具体到测量技术上是指在通用的计算机平台上设计测试系统，用户操作这台计算机就可以对被测环境完成测试任务。

传统仪器由仪器设备生产厂商根据市场需求开发出满足用户需求的专用仪器，具有输入输出接口和仪器控制面板，该仪器呈现给用户的表现为功能单一，测试环境封闭。

传统意义上的仪器一般都由数据采集、数据分析、数据处理、人机交互和显示等几个基本部分组成，如果测试环境、测试物理量等发生变更则需要进行仪器整体变更设计，增加了产品成本。

然而，虚拟仪器只需在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件设计实现仪器的全部功能变更。

与传统仪器相比，虚拟仪器除了在性能、易用性、用户可定制性等方面具有更多优点外，在工程应用和社会经济效益方面也独树一帜。

例如一些技术水平不高，经济实力弱的公司在进行产品分析时，对于购置高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等仪器表现出一定压力。

而采用虚拟仪器技术仅需采购必要的通用数据采集硬件来完成自己的仪器系统设计。

用户可以植入系统算法应用于虚拟仪器，提供传统台式仪器不具备的功能，而且完全可以通过软件配置实现多功能集成于一体的仪器系统。

虚拟仪器介绍

虚拟仪器的概念由美国仪器公司提出，在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构成，具有可视化界面的仪器，利用高性能的模块化硬件设计，结合功能高效的软件来完成数据采集与控制、数据处理与分析、数据显示等物理功能。

虚拟仪器脱胎于数字存储示波器，于1986年正式推出编程环境LabVIEW，标志虚拟仪器基本成型[2]。

微机及数字信号处理器运算速度提升实现了实时控制要求，利用通用计算机来管理仪器、组建仪器系统，进而完成传统仪器需要实现的功能。

在机构和功能上，虚拟仪器利用现代计算机技术，配置现代裁剪硬件和专用软件，不仅具备普通仪器的基本功能，而且拥有一些普通仪器不具有的功能；在使用方面，虚拟仪器利用可视化的图形开发环境，建立直观、灵活、高效的虚拟仪器面板，可以有效地提高仪器使用效率[3]。

虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，并不强调物理上的实现形式，在与传统仪器同台竞争方面，概括起来如下：

一、丰富和增加了传统仪器的功能，用户可以根据运用环境需要灵活的定义仪器，组合不同硬件资源构建多用途仪器；二、突出了软件地位，虚拟仪器与硬件交互限制较小，与其他设备通讯连接方便，在模拟分析时虚拟仪器漂移现象可控，无需定期校准，标准化的总线通讯提高了测量精度、准确度；三、开放的平台，虚拟仪器用户组建系统代码，可以自由方便仪器功能、面板的修改，为用户提供了宽范围的使用空间；四、开放的工业对接标准，设计者利用虚拟仪器开放的工业标准实现设计、使用和管理的标准统一，生产维护和开发费用低，提高仪器市场竞争力和使用效率；五、构建系统便捷，虚拟仪器既可以作为测试系统独立使用，也可以通过计算机网络组成分布式测试系统、远程测试、监控与故障诊断等，与软件结合使用降低了开发成本；六、虚拟仪器可编程性，虚拟具有强大的图形用户界面（GUI），计算机可以实时、直接进行数据编辑，通过分析软件进行软件编程的修改、编辑，也可以利用计算机存储功能记录数据、分享数据等[4]。

1983年，Apple公司推出了世界上第一款图形界面的微型计算机Macintosh,标志着在计算机屏幕上模拟仪器成为可能[5]。

为了进一步提高测试系统，以杰夫•科多斯基为首的工程师们于1986年通过NI公司推出了基于苹果机环境下著名的图形化编程工具LabVIEW[6]。

LabVIEW软件采用图形化语言代替代码编程，将传统意义上的硬件设计和代码语法转化为软件流程和整体功能布局，大大简化了编程流程，提高了编程效能，以其独特生命力赢得工程技术人员支持。

随后，美国NI公司提出“软件就是仪器”，开辟了虚拟仪器新方向。

随着微软基于图形界面Windows的出现，LabVIEW开始向Windows平台移植，随着虚拟仪器技术越来越广的被开发运用，众多仪器厂商可以专注虚拟仪器研发，大大推广普及了虚拟仪器的发展[7]。

根据虚拟仪器发展过程，虚拟仪器发展大致经历了三个发展阶段[8]：

第一阶段:

传统意义上的利用计算机增强虚拟仪器功能。

GPIB总线标准确立后只需将传统仪器通过GPIB和RS232连接至计算机端口，用户就可以从测量仪器获取数据，借助计算机平台和虚拟仪器软件工具来实现对数据的分析处理与显示。

第二阶段：

开放式仪器发展阶段。

随着插入式计算机数据处理卡（DAQ）出现和VXI仪器总线标准确立，虚拟仪器功能更加丰富，不仅可以可以实现数据分析处理和显示，还可以实现采集数据的分享，一定意义上促进了技术开发和合作。

第三阶段：

虚拟仪器框架最终确定与成熟。

随着总线标准的确立和模块化仪器架构的出现，实现了模块化仪器构架通过总线通信协议标准互联成为系统，相对独立仪器来说减少了系统集成时间，提高了响应性和简便性，此外虚拟仪器平台不断完善赢得行业认可，从而也为仪器工具标准化发展起到推动作用。

虚拟仪器技术发展现状

国外发展情况

虚拟仪器概念起源于上世纪80年代，由美国NI公司提出，一直成为发达国家自动测控领域研究的重点和应用前沿。

随着虚拟仪器的先进性、优越性和广阔的发展前景受到众多商家的青睐，不少生产仪器厂商开始投入到虚拟仪器开发阵营中来，如美国HP公司、Tektronix公司等，使得虚拟仪器发展迎来了自己的春天。

据不完全统计，截止到1994年虚拟仪器生产合作厂商达到90余家，生产1000多种各式产品。

在硬件结构上包罗了各种总线结构的数据采集和仪器控制模块，软件上表现为NI公司推出的LabVIEW和LabWindows/CVI和HP公司打造的VEEE，他们在各自的领域服务并赢得了行业认可[9]。

1997年，NI公司首次推出基于计算机的开发式的模块化测试系统PXI，与HP公司主导VXI模块化测试系统形成强大竞争，2004年，NI公司推出CompactRIO以及嵌入式可编程采集控制器模块,以高可靠性、高实时性、低功耗等优点获得业内好评。

在与传统仪器厂商竞争中，NI公司作为一家年轻企业借助虚拟仪器平台不断发展，走在了测试仪器发展前沿[10]。

在国外高校和研究所，虚拟仪器运用也极其广泛，在麻省理工、加州大学伯克利分校、伊利诺伊大学、弗吉尼亚理工、德州大学奥斯汀分校、卡内基梅隆大学等美国高等工程院校均将虚拟仪器技术的教学列入正常的教学计划当中，相应学科有电气、自动化、通信、医学、机械、土木等，教学和研究成果颇丰。

国内发展情况

传统的仪器测控系统采用独立式仪器仪表集中对被测环境、设备进行参数监控，用户通过控制界面进行集中操作。

以计算机为主体，配置检测装置、执行机构与被控对象（生产过程）共同构成计算机测控系统，系统中的计算机实现生产过程的检测、监督和控制功能，然而该系统通信协议不开放，检控功能单一，因此这种测控系统是一个自封闭系统[11]。

随着中国社会的发展，涉足领域开始蔓延纵深方向，国防、通信、航天、航空、气象、环境监测、制造等领域对于测控和处理的信息量需求越来越大、速度越来越快，被测对象的空间位置日益分散，测控任务也由原来的单一性向现代的多元化转变，测控系统更加复杂庞大，面对现实发展需求，要求检测技术现场化、远程化、网络化等。

从服务对象而言，传统独立仪器己远远不能胜任大数量、高质量的信息采集要求。

因此，由计算机控制配置控制模块组成的测控系统，系统内控制模块单元通过各种总线互连实现信息的传输共享成为服务测控主流。

传统测控仪器在面对现实问题中，我国也积极开展引进虚拟仪器产品。

国家自然科学基金委员会也曾将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学发展前沿学科之一，列入为“十五”期间优先资助领域。

在企事业单位中，也涌现了一批研究和从事虚拟仪器的公司和学校。

据了解国内展开虚拟仪器技术研究、教学和开发的学校有清华大学、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、重庆大学、复旦大学、上海交通大学、国防科技大学、四川大学等数十所高校。

NI公司也已在2006年提出了“NI中国高校推广计划”，从而进一步打开中国虚拟仪器发展市场。

纵观我国虚拟仪器发展历程，我国虚拟仪器坚持走出一条自主创新的路子，具体表现为863项目“虚拟仪器关键技术的研究及其产业化”中所研制的“一体化虚拟仪器”，标志我国成为嵌入式一体化虚拟仪器研发先行者。

随着国民经济的持续快速发展，企业技术升级步伐也不断提速，先进虚拟设备需求表现尤为强劲，再加上我国个人计算机业务的快速发展，为虚拟仪器发展奠定了技术基础。

业内人士根据市场需求统计预测，我国虚拟仪器行业的产值未来十年内将超过仪器仪表行业总产值的50%。

伴随着虚拟技术发展推进，也涌现出一批研究成果，如唐山大学基于ComXactPCIVPYI研制的锅炉供热自动控制系统成功地运用在唐山市热力总公司项目上；清华大学基于ComXactPCIVPYI技术建设的实验热工水利测控平台研制成功了先进的热工测量技术和热工仿真技术成功地完成了海水淡化等重要课题研究；国防科技大学基于NaOVIEP的分布式VYI仪器教学实验系统的研制为VYI仪器广泛进入大学实验室创造了条件；清华大学利用虚拟仪器构建汽车发动机检测系统用于汽车发动机出厂的自动检测等。

本文主要研究内容

本设计主要是研究基于虚拟仪器LabVIEW设计的数据采集系统，实现数据采集、处理、分析、显示等。

该设计中将温度作为主要采集对象，温度传感器DS18B20作为温度采集器件，通过下位机将采集到的数据显示出来并传送到上位机进行处理分析。

系统方案设计

设计任务

课题设计任务是利用LabVIEW的串口通信模块，采集来自单片机获得的数据采集信号，并在LabVIEW上实时绘图显示，并通过设置数据采集信号数值上下限，当采集信号高出或者低于预警线时，界面会出现相应的提示，同时能够对采集的信号进行存储，在进行历史记录调用时候可以显示出原始数据采集记录。

为了提高系统设计应用能力，在设计过程中将采集信号设置为温度。

完成一个基于LabVIEW与传感模块的温度检测系统，要求实现具体功能如下：

1.单片机（温度采集）

2.单片机与上位机的串口通信

3.LabVIEW显示界面及与下位机的串口通信

4.LabVIEW软件上温度的实时显示

5.温度超限提示功能

6.历史记录存储回放功能

方案选择

数据采集作为系统信号输入组成部分，从传感器和其他待测设备将物理信号自动采集为电量或者非电量信号形式，并通过一定时钟脉冲采集频率和信号载波组合送于信号处理模块分析处理。

采集信号的目的主要是测量电压、电流、温度、压力、声音等物理信息量，并将采集的信号信息传输到信号处理模块进行信号处理，信号处理结果上传至系统控制中心，控制中心根据采集信号做出相应的决策。

数据采集的本质是还原采集信号的真实值，不同类型的采集系统因采集模块不同设计，在进行数据采集时总会显示出较大差异。

其中决定信号采集差异的主要为采集频率，在一段完整连续模拟信号中，设置不同的采集周期导致采集信号的差异显著表现出来。

根据采样定理，最低的采样频率是信号频率的两倍，如果采样频率过分低于或者高于信号频率两倍，会出现信号畸变，并定义正确显示信号而不发生畸变的最大频率为奈奎斯特频率，一般为采用频率的一半。

在工程过程中，为了准确地捕捉信号信息，会通过信号滤波器对信号进行信号滤波处理，并提高采用频率倍数，缩小采样频率周期。

在信号处理分析过程中一般设置信号采集样本为5-10,采集样本信息过大会导致处理数据量大，处理速度慢影响信号处理质量。

信号采集完成需要进行信号分析处理，根据采样信息和控制中心设置相应的信号处理算法，控制中心根据算法结果做出一定决策来实现数据信息的最终目的。

一个完整的数据采集系统由传感器、信号调理设备、数据采集卡、驱动程序、应用软件和计算机等相关部分组成。

传感器和变换器组合测量被测环境的物理信号量，并将模拟物理信号量转换为电信号；信号调理设备可以对采集到的电信号进行加工，使采集到的模拟物理信号量适合数据采集卡的需求；计算机通过数据采集卡等获得测量数据，软件控制着整个测量系统，负责对采集到的原始数据处理分析，并将最后结果表示成容易理解的方式，例如图表、波形图等。

DS18B20介绍

DS18B20作为测试系统的数据采集传感器，采用即插即用元器件链接方式，便于数据采集，适应性强，抗干扰能力强，精度高，测温范围-55℃~+155℃，误差为±0.5℃，可以多点组网、多点测温，工作电源电压为3V~5.5V，应用于一般工业测温现场、家庭温度测量等。

DS18B20有三个PIN脚，分别为GND、I/O、VDD，在判别引脚时面对扁平那一面-左负右正,一旦接反将会烧毁元器件并且温度会一直显示85℃，可编程分辨率为9-12位，读出温度时读出16位，前五位为符号位，前五位为零时读取温度为正号，1时读取温度为负号，结构如图2-1所示。

图2-1DS18B20结构图

DHT11介绍

DHT11数字温湿度传感器采用数字模块采集技术和温湿度传感技术，包括电阻式感湿元件和NTC测温元件，与高性能8位单片机连接。

传感器数据传输以湿度、温度数据的40Bit为单位一次性传给单片机，采用校验和的方式检测传输数据的准确与否。

传感器工作电压3V~5.5V，湿度测量范围20-90%RH，温度测量范围0-50℃，运用于暖通空调、气象站等。

DHT11温湿度传感器有四个引脚，引脚1与正电源相连接、引脚4接地、DOUT为输出引脚负责数据传输，第三引脚为空引脚，具体结构如图2-2所示。

图2-2DHT11结构图

XPT2046介绍

XPT2046作为AD、DA转换芯片，采用逐步逼近型A/D转换器，内置温度检测电路、参考电压源，外置外部时钟，分为单端模式、差分模式。

具有采样/保持、模数转换、串口数据输出功能，接口电压标准为1.5V-5.25V，工作温度范围-40℃～+85℃，功耗小于0.75mW。

A/D转换通过采样保持、量化和编码实现对输入模拟电压信号采用保持，在保持时间内实现电压量到数字量的转化，并将转化结果用编码形式输出。

具体如图2-3所示。

图2-3XPT2046模拟输入特性

方案确定

综合两种传感器器件，在采集温度功能上，两个传感器均可以实现，在实验初期采用DS18B20进行数据采集，简单方便、测量准确性高，测试原理雷同采用A/D、D/A转换模块实现数据采集，权衡比较最终选择了DS18B20作为系统数据采集传感器。

DS18B20测温原理

DS18B20温度传感器主要有64位ROM、高速缓冲存储器、CRC生成器、温度敏感器件、高低温触发器及配置寄存器等部件组成，内部结构图如图2-4所示。

图2-4DS18B20内部结构图

DS18B20内部计数器1是一个对温度影响小的低温度系数产生固定频率的脉冲信号振荡器，低温时振荡器的脉冲可以通过门电路，而当到达某一设置高温时振荡器的脉冲无法通过门电路。

内部计数器2是一个对温度影响大的高温度系数产生固定频率的脉冲信号振荡器。

计数器1和温度寄存器预置为-55℃时对应相应基数值，计数器1对低温度系数晶振发出的固定频率脉冲信号进行减法计数处理，计数器1预设值减至0时且门电路未关闭，则温度寄存器的值将+1（温度高于-55℃），同时计数器1的预设值将被重新装入开始新一轮采集低温度系数晶振发出的固定频率脉冲信号，循环至计数器2计数到0时，停止温度寄存器值累加，温度寄存器值为所测温度，电路对振荡器的温度系数进行补偿，斜率累加器补偿和修正测温过程中的非线性信号量，其输出用于修正计数器1的预设值，测温内部结构图如图2-5所示。

DS18B20拥有64位ROM，低8位表示产品类型标识，高8位表示低56位循环冗余校验码，中间48位表示序列号，可以实现一根总线挂多个DS18B20。

高速缓冲存储器内部有9个字节，第1、2字节存放转换完成的温度值，第3、4字节存放上、下限报警值TH和TL，第5字节为配置寄存器，第6、7、8字节为保留字节，9字节是CRC校验码，提高串行传