基于LabVIEW的温室环境检测测试系统的研究
摘要：随着现代科技的不断发展，温室环境的检测也有了更为方便，灵活的系统，LabVIEW拥有强大的数据处理能力，拥有许多仪器设备的功能，能够弥补传统测量系统功能单一，灵活性低的缺点。拥有良好的人机交互界面，灵活，集成度高，用户可在使用中自行扩展，升级功能。本系统采用DS18B20温度传感器以及简单的串行接口电路，结合单片机与LabVIEW，来实现温度测量的监控，有系统结构简单，扩展性高等优点。
关键词：温度检测；LabVIEW；单片机；测试；控制
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）09-0256-03
Abstract：With the continuous development of modern science and technology， the detection of greenhouse environment also has a more convenient， flexible system， LabVIEW has powerful data processing ability， has many of the instruments and equipment， to make up for the traditional measurement system is a single function， low flexibility of faults. With a good human-computer interaction interface， flexible and integrated， users can expand and upgrade themselves in use. The system adopts DS18B20 temperature sensor and simple serial interface circuit， combined with single chip microcomputer and LabVIEW， to realize the monitoring of temperature measurement， with simple system structure and high expansibility.
Key words：temperature measurement； LabVIEW； SCM； test； control
溫度在很多的地方都是非常重要的参数，比如大规模种植蔬菜的时候就要注意夏天由于天气炎热会不会导致蔬菜基地的温度太高影响蔬菜发育，冬天温度太低会不会冻伤蔬菜。进行科研实验的时候对温度的要求更是严格，可能温度偏高或者偏低都有可能对某种硬件造成参数上的变化，从而改变了本来的数值，影响了实验效果。所以有时候就需要一个方便使用，灵活的检测温度的系统，而传统的测温系统一般都是以硬件为主的，功能这方面比较的单一，而且往往体积是比较大的，使用地区不同很可能就不方便转移携带，性能也有可能不太稳定，所以本次设计的系统是在硬件的支持下，以美国国家仪器公司的图形化编程软件LabVIEW为软件平台，设计一个能够测试温度的系统，这样就可以弥补传统测温系统的硬件价格较贵，灵活性低，扩展性不高的缺点，本次设计可以实现温度的显示，温度超出范围报警以及采取对应变温的措施等功能。
1 虚拟仪器与LabVIEW
虚拟仪器（VirtualInstrument，VI）是美国国家仪器公司提出的，把高效的硬件和软件结合起来，就能够实现许多的功能，是一种功能意义上的仪器，我们都知道计算机在不断的更新换代到现在已经拥有了强大的数据处理能力，当把计算机和硬件结合在一起以后，得到硬件的支持，我们就可以用软件来实现数据的采集，也可以实现数据分析或者显示等等的更多功能，与传统的仪器相比，很好地解决了传统仪器在数据采集，分析，控制和显示等方面的不足，用户还能够对自己的仪器进行适合自己需求的改进，这样用户在操作仪器的时候，就和操作自己的电脑感觉一样，这样体验更好。虚拟仪器有三个特点，第一个就是不强调物理上的实现形式。第二个是可以在系统内对软硬件进行资源共享。第三个是图形化的软件面板，这个在有时候比文本语言输入的方法更加的好用，方便。虚拟仪器没有传统仪器那样受厂家出厂或者功能上的限制，突出了虚拟仪器的灵活性，虚拟仪器一般是要实现不同的功能会有不一样的编程，硬件选择一般选用通用硬件，这样在连接其他的设备仪器的时候就能够相对容易成功，并且还可以利用网络来实现资源的共享，虚拟仪器在开发和维护在价格上比传统仪器有很高的性价比。LabVIEW是一种程序开发环境，类似于我们所知道的C和BASIC开发环境，但它们又有很大的不同，LabVIEW和其他的编程软件相比较来说，最不一样的应该就是LabVIEW是以图形化编辑语言G编写程序的，产生的是框图形式的程序，而其他的计算机语言一般都是采用文本输入来产生代码的，所以这应该是它们最大的区别。LabVIEW还提供了丰富的工具和函数可以使用，被越来越多人所使用和接受，广泛地应用于教学科研、交通、医疗等各个行业。
2 温室环境检测测试系统的总体设计
本系统主要是由上位机、AT89C51单片机控制电路、DS18B20温度检测传感器来构成的温度检测电路。
本系统检测温度用的传感器是DS18B20，DS18B20具有价格低廉，使用方便，抗干扰能力强等优点，适合本系统的测试使用，并且这种传感器是一种不需要经过别的变换电路，可以把检测到的温度直接输出温度数字量，是一种支持“一线总线”接口的温度传感器，可以直接和下位机接口相接，支持多器件扩展，使用起来方便。然后再用AT89C51单片机来构建一个系统，用来对温度进行采集，转换等等的操作，通过单片机与DS18B20读取数据，并通过串口与PC通讯，运行的LabVIEW把串口传上来的数据分析处理，再把需要显示的数据显示出来，最后实现温度的实时测量和控制，温度检测测试系统框图如图 1所示。
3 系统的硬件设计
3.1 温度传感器DS18B20
温度传感器DS18B20是一种新的“一线”器件，它是把温度检测和数据的传输都集成在了一个芯片上，所以体积较小，抗干扰能力较强，适用电压宽等特点。这个传感器的温度检测范围在“-55度～+125度”，每一个DS18B20都有自己独特的64位长序列号，它们被存放于DS18B20里面的ROM只读存储器里。DS18B20温度传感器的内部存储器含有一个高速暂存RAM和一个易失性的电可擦除E2RAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器，暂存寄存器有8个连续字符，前两个字节是测到的温度信息，第一个字节是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位，在高八位里，前四位表示温度的正与负，所以，只要读取温度信息字节里的内容，就可以转换为相对应的温度值。DS18B20温度传感器只有一根信号线，所以始终和数据都在这根数据线上传输，有双向传输的功能。温度传感器只需要接单片机的一个I/O口，由于单总线为开漏，所以需要接上一个上拉电阻。温度传感器最好的工作方式是外部电源供电，有效的抗干扰，工作温度，电路也较为简单。
3.2单片机AT89C51
AT89C51是一款低电压，性能高的CMOS 8位微处理器，俗称单片机。这个器件采用了ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，和工业标准的MCS-51指令集和输出管脚是兼容的。因为把多功能8位CPU和闪烁存储器组到这单个芯片里，所以，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，不为是系统灵活性高且价格低廉的一种方案。
3.3串口电路
LabVIEW的测量系统一般是采用数据采集卡，但数据采集卡的价格相对来说比较贵，有时候在一些小的系统中，可以使用单片机来当下位机，通过RS232串口和PC之间的实时通信，本系统通过LabVIEW提供的串口VI把采集大的数据传送到PC机上，然后在LabVIEW的环境下对数据分析处理和显示。
RS-232总线是目前用得比较多的通信方式，把有这个总线接口的仪器当作I/O接口设备，通过这个RS-232串口总线与计算机组成虚拟仪器的系统，这种方式主要使用在速度较低的测试系统中，与GPIB总线、VXI总线、PXI总线来比较，它的接口较为简单，使用起来也方便。
4 系统的软件设计
4.1软件概述
本系统软件主要是由C语言编程和LabVIEW编程软件相结合来实现温度测试和显示报警与处理等功能。系统可以分为两个部分，C51编写的单片机用来读取温度然后再通过串口传送温度值并且对超出范围的温度进行相对应的处理，LabVIEW编程把传送上来的数据进行分析和处理再把数据较好的显示出来。软件流程图如图 2所示：
4.2下位机软件设计
本系统的单片机程序开发选用Keil公司的uVison系列的集成开发环境。
Keil uVison3是集成的可视化windows操作界面，拥有丰富的库函数和编译工具，满足我们本次设计对于51单片机的程序设计，还可以进行汇编语言来设计和编译。Keil uVison系列是一个非常棒的编译器，受到了单片机设计者的喜爱。它有许多的特点，比如可以使用汇编语言、C51语言等等其他单片机设计语言。拥有丰富的仿真调试功能，可以仿真A/D、D/A、串口、定时器/计数器以及中断等资源，还可以和外部仿真器联合进行在线调试，支持多代码优化，界面友好。图 3为下位机仿真图。
4.2.1整体编程思路
因为DS18B20是以单总线协议工作，所以用单片机来控制DS18B20来测温转换需要几个步骤，首先是要对DS18B20进行复位，然后再发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样我们才可以对DS18B20进行预设操作。复位要求主CPU把数据线下拉500us，再释放，DS18B20接收到信号后再等15～60us左右，发出60～240us的低脉冲，当主CPU接收到这个信号代表复位成功。当温度过低或者过高时，系统能够根据温度来启动相应的温度处理功能，把温度控制在正常范围内（仿真中用步进电机代替）。读温度流程图如图 4所示。
4.3 上位机软件设计
4.3.1 编程思路
上位机用LabVIEW前面板来对测量到的温度的显示和温度测量命令的操作，后面板来写程序，程序采用模块化的编程思想。
LabVIEW编程的核心是程序框图的设计，这次设计的程序框图我们由温度值的显示，读取，温度超限警报以及温度处理等几个模块组成。其中，温度的显示采用了图形化可视温度计来显示。当检测到的温度超过设置的温度范围之外时，将会引起温度上限或者温度下限指示灯的提示并且发出警报。图 5为前面板的总体设计。图 6为后面板程序框图设计。
前面板主要由温度测量控件，温度值显示控件还有温度是否超出设置值的范围警示灯以及超出温度范围后系统自动处理温度高低的指示灯。还添加了一些修饰控件来规划每一块区域的功能区分，增加可看性。
5 温度测量实验
5.1 实验步骤
连接好电路，把单片机程序烧录好，打开LabVIEW，运行，设置好串口與波特率，点击测量按钮，开始测量温度，改变温度传感器的温度，测试效果，温度不同时，显示不同的温度数值，并且在该范围内的指示灯要亮，当温度超出限制的时候，发出警报声并且触发对应降温或升温的措施。
6 结束语
本次系统的设计简单的运用了单片机和LabVIEW搭配的方式来检测温度，简单的分析了传统温度测量和采用数字传感器的不同，通过易看的图形化框图编写接口程序来对数据进行处理和显示，整个系统具有系统结构简单，稳定性好的优点。本次设计只是设计了一个简单的测温系统，还有许多的更深层次的功能等待进一步的开发，这个设计目前能够实现对温度进行检测、显示报警和温度范围内控制的功能，功能扩展还可以从多个点的温度检测，或者对检测到的数据进行存储，增加相应的配置来不断的使这个系统趋于完整。
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