基于LabVIEW的恒温水域智能控制系统的界面设计毕业设计论文.docx
- 文档编号:9937860
- 上传时间:2023-05-22
- 格式:DOCX
- 页数:45
- 大小:2.03MB
基于LabVIEW的恒温水域智能控制系统的界面设计毕业设计论文.docx
《基于LabVIEW的恒温水域智能控制系统的界面设计毕业设计论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于LabVIEW的恒温水域智能控制系统的界面设计毕业设计论文.docx(45页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
基于LabVIEW的恒温水域智能控制系统的界面设计毕业设计论文
毕业设计论文
基于LabVIEW的恒温水域智能控制系统的界面设计
3.31DS18b20传感器简介...........................................................16
4.11波特率的选择.......................................................................20
4.12通信协议的使用.................................................................21
4.13温度信号的处理.................................................................22
基于LabVIEW的恒温水域智能控制系统的界面设计
摘要
在实验室中的一些精密仪器,对环境的要求是比较苛刻的,例如粘度仪等。
而精密仪器对环境的要求大部分则是体现在对温度的严格要求。
因此,对精密仪器环境温度进行恒温控制十分必要。
现有的一些温度控制设备,如HA168型的温度控制棒,结构比较简单,当测量温度低于设定温度时进行加热,其结果是仪器水域内温度不均,控温效果不理想,控制界面也不美观和人性化。
目前,国外也开发出了一些基于单片式计算机的温度控制设备,但是价格比较高,且目前其操作系统均为英文,普及性不强。
而为了让恒温控制界面好看美观,为了更好的满足用户操作,实现更友好的人机界面,通常可以采用PC与单片机之间的串行通信,通过单片机采集数据,然后用异步串行通讯方式传给PC机。
所以本设计着重用虚拟仪器软件Labview编程实现。
LabVIEW是一种程序开发环境,由美国国家仪器(NI)公司研制开发的,类似于C和BASIC开发环境,但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是:
其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码,而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序,产生的程序是框图的形式。
LabVIEW软件具有面向对象的设计方法,友好的用户界面等优点,本设计重点在于实现在LabVIEW软件环境下来实现PC机与STC89S51单片机之间串口通讯。
关键词:
恒温控制;串口通信;LabVIEW界面设计。
Abstract
Inthelaboratorysomeoftheprecisioninstruments,environmentalrequirementsaremoredemanding,suchasviscosityinstrument.Therequirementsofprecisioninstrumentsontheenvironmentisreflectedinmostofthestricttemperaturerequirements.Therefore,precisioninstruments,theambienttemperatureisnecessaryfortemperaturecontrol.Someoftheexistingtemperaturecontrolequipment,suchastheHA168-typetemperaturecontrolrod,thestructureisrelativelysimple,whenthemeasuredtemperatureisbelowthesettemperatureforheating,theresultisuneventemperatureswithinthewatersofequipment,temperaturecontrolisnotsatisfactory,thecontrolinterfaceNotbeautifulandhumane.Atpresent,someforeigncountrieshavealsodevelopedcomputer-basedmonolithictemperaturecontrolequipment,butthepriceisrelativelyhigh,anditsoperatingsystemsarecurrentlyinEnglish,popularityisnotstrong.Thetemperaturecontrolinterfacetomakegood-lookingappearance,inordertobettermeettheusertoachieveamorefriendlyinterface,usuallyusedbetweenthePCandthemicrocontrollerserialcommunication,datacollectionthroughthemicrocontroller,andthenuseasynchronousserialcommunicationsPassedtoPC.Therefore,thisdesignfocusesonusingvirtualinstrumentsoftwareLabviewprogramming.LabVIEWisaprogramdevelopmentenvironment,fromNationalInstruments(NI)Developmentofthecompany,similartoCandBASICdevelopmentenvironment,LabVIEWwithothercomputerlanguages,butasignificantdifference:
theothercomputerlanguagesaregeneratedbasedonthelanguageofthetextCode,whileLabVIEWisagraphicaleditorusingtheGprogramminglanguage,theresultingprogramisablockdiagramform.LabVIEWsoftwarewithobject-orienteddesignmethods,user-friendlyinterface,etc.,thedesignfocusistoachieveimplementationintheLabVIEWsoftwareenvironmentdownthePC,serialcommunicationbetweenMCUandSTC89S51.
Keywords:
temperaturecontrol;serialcommunication;LabVIEWinterfacedesign.
1绪论
1.1课题意义
现代信息技术的三大基础是信息采集控制(即温度控制器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。
温度的控制无论是在工业生产过程中,还是在日常生活中都起着非常重要的作用,工业生产生活中,温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。
随着我国电子温度控制市场的迅猛发展,与之相关的核心生产技术应用和研发将会成为业内企业关注的焦点。
同时了解国内外电子温度控制器生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及其趋势对于企业提升产品技术规格,提高市场竞争力至关重要。
然而随着生活质量的提高,随着社会的发展,人们对温度的控制要求越来越高,特别是在精密的实验仪器上。
在实验室中的一些精密仪器,对环境的要求是比较苛刻的,例如粘度仪等。
而精密仪器对环境的要求大部分则是体现在对温度的严格要求。
因此,对精密仪器环境温度进行恒温控制十分必要。
现有的一些温度控制设备,如HA168型的温度控制棒,结构比较简单,当测量温度低于设定温度时进行加热,其结果是仪器水域内温度不均,控温效果不理想,控制界面也不美观和人性化。
目前,国外也开发出了一些基于单片式计算机的温度控制设备,但是价格比较高,且目前其操作系统均为英文,普及性不强。
而为了让恒温控制界面好看美观,为了更好的满足用户操作,实现更友好的人机界面,通常可以采用PC与单片机之间的串行通信,通过单片机采集数据,然后用异步串行通讯方式传给PC机。
所以本设计着重用虚拟仪器软件Labview编程实现。
LabVIEW是一种程序开发环境,由美国国家仪器(NI)公司研制开发的,类似于C和BASIC开发环境,但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是:
其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码,而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序,产生的程序是框图的形式。
LabVIEW软件具有面向对象的设计方法,友好的用户界面等优点,本设计重点在于实现在LabVIEW软件环境下来实现PC机与STC89S51单片机之间串口通讯。
1.2系统开发的相关研究动态
1.2.1虚拟仪器软件LabVIEW编程技术
虚拟仪器(VI)的概念
虚拟仪器(virtualinstrument)是基于计算机的仪器。
计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。
粗略地说这种结合有两种方式,一种是将计算机装入仪器,其典型的例子就是所谓智能化的仪器。
随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小,这类仪器功能也越来越强大,目前已经出现含嵌入式系统的仪器。
另一种方式是将仪器装入计算机。
以通用的计算机硬件及操作系统为依托,实现各种仪器功能。
虚拟仪器主要是指这种方式。
上面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。
虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。
虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。
目前在这一领域内,使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。
虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代,那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。
PC机出现以后,仪器级的计算机化成为可能,甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前,NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。
对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。
目前LabVIEW的最新版本为LabVIEW2009,LabVIEW2009为多线程功能添加了更多特性,这种特性在1998年的版本5中被初次引入。
使用LabVIEW软件,用户可以借助于它提供的软件环境,该环境由于其数据流编程特性、LabVIEWReal-Time工具对嵌入式平台开发的多核支持,以及自上而下的为多核而设计的软件层次,是进行并行编程的首选。
LabVIEW的概念
与C和BASIC一样,LabVIEW也是通用的编程系统,有一个完成任何编程任务的庞大函数库。
LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等等。
LabVIEW也有传统的程序调试工具,如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序(子VI)的结果、单步执行等等,便于程序的调试。
LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。
传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序,而LabVIEW则采用数据流编程方式,程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。
VI指虚拟仪器,是LabVIEW的程序模块。
LabVIEW提供很多外观与传统仪器(如示波器、万用表)类似的控件,可用来方便地创建用户界面。
用户界面在LabVIEW中被称为前面板。
使用图标和连线,可以通过编程对前面板上的对象进行控制。
这就是图形化源代码,又称G代码。
LabVIEW的图形化源代码在某种程度上类似于流程图,因此又被称作程序框图代码。
LabVIEW广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受,视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。
LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。
它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。
这是一个功能强大且灵活的软件。
利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器,其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。
利用LabVIEW,可产生独立运行的可执行文件,它是一个真正的32位/64位编译器。
像许多重要的软件一样,LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。
1.2.2STC89C51单片机与PC机串口通讯技术
随着计算机技术发展,特别是单片机技术的发展,在各种单片机应用系统的设计中,如智能仪器仪表、各类手持设备、GPS接收器等,常常遇到计算机与外界的信息交换,即通讯。
串行通信是指按照逐位顺序传递数据的通信方式,由于仅需三根传输线传送信息且通信距离相对较远,所以在控制领域的现场监测、分布控制等场合有着重要的应用价值[8]。
鉴于PC机具有强大的监控和管理功能,单片机则具有快速以及容易控制的特点,在数据量不大、传输要求不高的情况下,一般都采用给PC机配置的RS-232标准串行接口COM1、COM2等相连接来实现应用系统与PC机之间的数据交换。
将PC串行接口与经过转换的符合RS-232电气标准的单片机串行接口连接即可实现二者之间的异步串行通信。
单片机串行接口有一个全双工串行接口,采用TTL逻辑电平,经过MAX-232芯片可方便地转换成RS-232电气标准。
Labview软件中提供的VISA控件串口具有完善的串口数据的发送和接收功能。
通过此控件,PC机可以利用串行口与其它设备实现轻松连接,简单高效地实现设备之间的通讯。
2设计方案的论证
本章主要介绍几种设计方案,再通过比较和论证,最终,选出本设计的最佳方案。
2.1整体方案的论证
方案一:
在单片机方面,采用软件模拟温度采集信号,通过RS232串口与PC机通信;在PC机方面,采用Excel表格文件的形式储存数据,并从Excel表格中读取历史数据。
其原理如图2.1所示。
此方案硬件电路结构简单,但温度数据不真实,且数据保存方面对软件编程要求较高,编程繁琐,且需要购买LabVIEW相应的Microsoft的功能模块,成本较高。
故不采用此方案。
图2.1方案一原理框图
方案二:
在单片机方面,依旧采用软件模拟温度采集信号,通过RS232串口与PC机通信;在PC机方面,建立一个数据库,LabVIEW利用DataBase功能模块与数据库连接。
并且历史数据查询模块能够从数据库中读取数据。
其原理如图2.2所示。
此方案硬件电路简单,但温度数据不真实,且需要建立和调用数据库,方法繁琐。
另外,需要购买LabVIEW相应的DataBase功能模块,成本较高。
故不采用此方案。
图2.2方案二原理框图
方案三:
在单片机方面,采用DS18b20温度传感器采集温度信号,送入单片机,再通过RS232串口与PC机通信;在PC机方面,将温度数据保存在系列二进制文件中,并且历史数据查询模块能从二进制文件中读取数据。
其原理如图2.3所示。
此方案需增加温度传感器部分硬件电路,温度数据真实可靠。
在数据保存方面,数据保存至二进制文件中编程简单,方法简便,且不需要购买LabVIEW其他功能模块,成本低。
经实验测试表明,系统工作稳定。
故本设计采用之。
图2.3方案三原理框图
2.2单片机与PC机通信方案的论证
方案:
单片机与PC机通信采用RS232模式,利用单片机的串口,经MAX232实现电平转换,直接与PC机串口通信。
电路简单,通信协议简单。
故采用之。
3系统硬件电路的设计
本章主要介绍系统的硬件电路部分的设计,主要完成数据采集功能以及与PC机串口通信功能。
主要包括:
单片机主控电路、DS18b20温度传感器温度采集电路、单片机与PC机串口通信电路。
3.1单片机控制电路
本设计是采用STC89C51单片机作为系统的控制芯片,用来控制和处理系统各个部分的协调工作,是本设计的一个核心部分。
3.1.1STC89C51功能特性的描述
STC89C51单片机是一种低功耗、高性能CMOS八位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C51单片机具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
STC98C51单片机应用电路如图3.1所示。
图3.1STC89C51最小系统工作电路
3.1.2电路的分析说明
STC89S51单片机工作电路图如图3.1所示。
下面对图3.1进行简单的分析说明:
①第40脚为芯片电源脚(VCC),本设计是在5V的直流电源下工作;第20脚为地脚(GND)。
②第31脚是EA/Vpp脚。
片内,片外程序存储器选择端。
为高电平时,单片机复位后访问片内程序存储器的程序,当程序计数PC的值超过8K时,会自动访问片外程序存储器的程序。
本设计将次脚与电源相接,从片内开始访问。
③第9脚为复位脚,RST复位信号输入高电平有效。
至少要两个机器周期以上的高电平才能将单片机复位,一般在设计时要保证有10ms的高电平。
本设计中采用了10pF的电容和1K的电阻组成了复位电路如图3.1所示。
利用RC充电/放电原理,充电初电容视为短路,RET脚为高电平,充电完毕电容视为断路,RET脚低电平。
本设计可以使单片机正确复位。
④第18脚,19脚为晶振脚,18脚为振荡输入,19脚为振荡输出。
图3.1所示,C1、C2、XTAL为晶振的外围电路与18,19脚相接通构成了单片机的时钟电路(即是自激振荡器)。
其中XTAL为石英晶振,本设计采用11.0592MHz;C1、C2为电容,本设计采用30PF,在振荡电路中起微调作用。
⑤第10脚,11脚分别为串行输入、输出端口,在本设计中用来实现单片机与计算机串行通信的端口。
⑥P3.6口(16脚)在本设计中是用来读取DS18b20的温度信号,连接DS18b20的DQ口。
单片机要正常工作,时钟电路、复位电路、电源、地和程序存储器选择脚都必须要设计好,缺一不可。
3.2单片机与PC机串行通信的设计
在本设计单片机应用系统中,数据通信主要采用异步串行通信方式。
在设计通信接口时,必须根据需要选择标准接口,并考虑传输介质、电平转换等问题。
本设计采用专用串行接口芯片MAX232进行电平转换,实现STC89S52单片机和PC机采用RS-232协议,利用串口与PC进行通信。
具体工作原理图如图3.2所示。
图3.2串口通信原理图
3.2.1RS-232接口的介绍
RS-232是美国电子工业协会(EIA)1969年公布的[10],是在异步串行通信中应用最广的总线标准。
它包括了按位串行传输的电器和机械方面的规定,适合于短距离或带调制解调器的通信场合。
为了提高数据传输率和通信距离,EIA又公布了RS-422和RE-485串行总线接口标准。
RS-232是目前最常见的串行接口标准,用来实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通信。
RS-232串行接口总线使用于之间的通信距离不大于15m,传输速率最高位19.2kb/s的场合。
RS-232属单端信号发送,存在共地噪音和不能抑制的共模干扰等问题,因此一般用于短距离通信。
RS-232引脚及功能说明:
TXD(pin3):
串口数据输出
RXD(pin2):
串口数据输入
RTS(pin7):
发送数据请求
CTS(pin8):
清除发送
DSR(pin6):
数据发送就绪
DCD(pin1):
数据载波检测
DTR(pin4):
数据终端就绪
GND(pin5):
地线
RI(pin9):
铃声指示
对于TxD和RxD上的数据信号,采用负逻辑。
用-3~-25V(通常为-3~-15V)表示逻辑“1”,用+3~+25V(通常为+3~+15V)表示逻辑“0”。
对于DTR,DSR,RTS,CTS,CD等控制信号,规定:
-3~-25V表示信号无效,即断开(OFF),+3~+25V表示信号有效,即接通(ON)显然,采用RS232C标准电平与计算机连接时,它与计算机采用的TTL电平不兼容。
TTL是标准正逻辑,用+5V表示逻辑“1”,用0V表示逻辑“0”。
因此,RS232C的EIA电平与CPU的TTL电平连接时,必须进行电平转换。
3.2.2MAX232芯片介绍
电脑的串口是RS232电平的,而单片机的串口是TTL电平的,两者之间必须有一个电平转换电路,我们采用专用芯片MAX232进行转换,虽然也可以用几个三极管进行模拟转换,但是还是用专用芯片更简单可靠。
我们采用了三线制连接串口,也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线:
第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。
这是最简单的连接方法,但是对我们来说已经足够使用了,电路如附件图所示,MAX232的第10脚和单片机的11脚连接,第9脚和单片机的10脚连接,第15脚和单片机的20脚连接即能很方便地是实现PC机与单片机的通信。
3.3DS18b20温度采集模块的设计
在本设计单片机应用系统中,温度数据来源于DS18b20温度传感器采集所得。
在设计温度采集电路时,必须注意DS18b20传感器的电路接法与工作方式的选择。
本设计采用的是DS18b20的默认工作方式,数据线接在单片机的P3.6口。
具体工作原理图如图3.3所示。
图3.3温度采集原理图
3.31DS18b20传感器简介
温度传感器的种类众多,在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS(达拉斯)公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。
超小的体积,超低的硬件开消,抗干扰能力强,精度高,附加功能强,使得DS18B20更受欢迎。
DS18B20的主要特征:
全数字温度转换及输出;先进的单总线数据通信;最高12位分辨率,精度可达土0.5摄氏度;12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒;可选择寄生工作方式;检测温度范围为–55°C~+125°C(–67°F~+257°F);内置EEPROM,限温报警功能。
DS18B20芯片封装结构:
DS18B20引脚功能:
·GND电压地·DQ单数据总线·VDD电源电压·NC空引脚
DS18B20工作原理及应用:
DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上,从而抗干扰力更强。
其一个工作周期可分为两个部分,即温度检测和数据处理。
在讲解其工作流程之前我们有必要了解18B20的内部存储器资源。
18B20共有三种形态的存储器资源,它们分别是:
ROM只读存储器,用于存放DS18B20ID编码,其前8位是单线系列编码(DS18B20的编码是19H),后面48位是芯片唯一的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 LabVIEW 恒温 水域 智能 控制系统 界面设计 毕业设计 论文