本系统-AVR与虚拟仪器

基于LabVIEW的串口温度监控系统设计张兴成20051001168摘要：本系统利用DS18B20数字温度传感器和Atmel公司生产的AVR系列ATmega16单片机采集被测环境温度，将测得的数据经串口传给计算机。计算机利用LabVIEW的VISA读取串口数据并进行处理和显示，实现基于VISA的串口温度采集监控。关键词：DS18B20温度传感器AVR单片机VISA串口1、概述实时数据采集是工业控制系统中必不可少的组成部分，是进行工业分析，工业处理和工业控制的依据。近年来由于大规模集成电路、单片机、计算机等在工业控制领域中的广泛应用，数字化的数据采集成为必然。这就对传感器的A/D性能，单片机的数据采集、处理和传输性能，计算机接口与通信技术提出了更高的要求。本系统采用Atmel公司生产的高速8位单片机AVR系列ATmega16单片机作为温度数据采集和传输的主控芯片，温度传感器采用单总线方式的集成数字温度传感器DS18B20。采集得到的数据利用单片机经串口通讯的方式传输至计算机的串口。计算机上位机软件采用数据处理能力超强的LabVIEW软件编写，利用其所带的VISA驱动进行串口的数据采集和处理，实现基于VISA的串口温度采集监控。2、硬件设计AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC(ReducedInstructionSetCPU)精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域，它与51单片机、PIC单片机相比具有一系列的优点：1：在相同的系统时钟下AVR运行速度最快；2:芯片内部的Flsah、EEPROM、SRAM容量较大；3：所有型号的Flash、EEPROM都可以反复烧写、全部支持在线编程烧写(ISP)；4：多种频率的内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，零外围电路也可以工作；5：每个IO口都可以以推换驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强；6：内部资源丰富，一般都集成AD、DA模数器、PWM、SPI、USART、TWI、I2C通信口、丰富的中断源等。目前支持AVR单片机编译器的语言主要有汇编语言、C语言、BASIC语言等。其中C编译器主要有CodeVisionAVR、AVRGCC、IAR、ICCAVR等，C语言编译器由于它具有功能强大、运用灵活、代码小、运行速度快等先天性的优点，使得它在专业程序设计上具有不可代替的地位。DSl8B20数字温度计提供9位(二进制)温度读数，指示器件的温度。信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出，因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线(和地线)，DSl8B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。因为每一个DSl8B20在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DSl8B20可以存放在同一条单线总线上，这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。DSl8B20的测量范围从-55摄氏度到+125摄氏度增量值为0.5摄氏度。可在ls(典型值)内把温度变换成数字。系统的硬件设计主要分为四个部分：单片机、供电电路、DS18B20、串口通讯。图1：单片机部分电路设计单片机部分的电路设计如图1所示，主要包括复位电路、ISP接口、JTAG接口、晶振电路、A/D参考电压电路（此部分用于AD采集，本系统并未使用）。复位电路使用了钳位二极管钳位，防止触点电压过高烧坏RESET引脚。图2：供电电路设计图3：DS18B20电路设计供电电路如图2所示，供电电路使用了BM1117进行稳压，防止电压过高烧坏单片机，并可以提高系统适应电压的范围，即使供电电压高于单片机正常工作电压也可以由BM1117稳压到单片机正常工作电压的范围。DS18B20的工作电路如图3所示，采用外部供电而非总线供电的方式，只需一个电容和两个电阻。图4：串口通信电路串口通信采用Max232进行电平转换，电路原理图如图4所示，实物照片如图5所示。图5：实物照片3、软件设计下位机软件采用C语言编写，包括DS18B20的读写和串口通信两个主要部分。上位机软件采用LabVIEW编写。相关程序段如下所示：获取DS18B20数据：uint8gettemp(void)//读取温度值{uint8temh,teml,wm0,wm1,wm2,wm3,temp;init_1820();//复位18b20write_1820(0xCC);//跳过ROMwrite_1820(0x44);//温度变换init_1820();write_1820(0xCC);//跳过ROMwrite_1820(0xbe);//读暂存存储器teml=read_1820();//读数据temh=read_1820();wm0=teml4;//只要高8位的低四位和低8位的高四位，温度范围0~99wm1=temh4;wm2=wm1+wm0;//16进制转10进制returnwm2;}系统下位机主函数：voidmain(void){unsignedchari=0,tmp=0;USART_Init(9600);//波特率9600初始化串口while(1){tmp=gettemp();USART_Transmit(tmp);}}上位机软件采用当前测试测量应用最广泛的LabVIEW编写。LabVIEW（LaboratoryVirtualinstrumentEngineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、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。图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。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。上位机的软件前后面板如图6所示：图6上位机软件前后面板视图4、结束语本系统利用数字化的温度传感器进行温度的采集监控，利用串口通信将采集的温度数据传给电脑，利用电脑进行数据处理和显示。既实现了采集监控的功能，又可以进行数据的进一步处理和分析。附录：主要下位机程序代码18B20.c#includeconfig.huint8count,wmh,wml;//count为实际温度,wmh为温度的高位,wml为温度的低位voidinit_1820(void){SET_TEM_DDR;//设置数据端口为输出SET_TEM_SDT;CLR_TEM_SDT;delay_us(480);//480us以上SET_TEM_SDT;CLR_TEM_DDR;delay_us(20);//15~60uswhile(CHECK_TEM_SDT);SET_TEM_DDR;SET_TEM_SDT;delay_us(140);//60~240us}voidwrite_1820(uint8data){uint8i;for(i=0;i8;i++){CLR_TEM_SDT;//从高到低，产生写间隙if(data&(1i))//写数据，先写低位SET_TEM_SDT;elseCLR_TEM_SDT;delay_us(40);//15~60usSET_TEM_SDT;}SET_TEM_SDT;}uint8read_1820(void){uint8temp,k,n;temp=0;for(n=0;n8;n++){CLR_TEM_SDT;SET_TEM_SDT;//从高到低再到高，产生读间隙CLR_TEM_DDR;//设为输入k=CHECK_TEM_SDT;//读数据,从低位开始if(k)temp|=(1n);elsetemp&=~(1n);delay_us(50);//60~120usSET_TEM_DDR;//设为输出}return(temp);}uint8gettemp(void)//读取温度值{uint8temh,teml,wm0,wm1,wm2,wm3,temp;init_1820();//复位18b20write_1820(0xCC);//跳过ROMwrite_1820(0x44);//温度变换init_1820();write_1820(0xCC);//跳过ROMwrite_1820(0xbe);//读暂存存储器teml=read_1820();//读数据temh=read_1820();wm0=teml4;//只要高8位的低四位和低8位的高四位，温度范围0~99wm1=temh4;wm2=wm1+wm0;//16进制转10进制returnwm2;}Sio.c#includeconfig.hvoidUSART_Init(unsignedintbaud){unsignedinttmp;/*设置波特率*/tmp=F_CPU/baud/16-1;UBRRH=(unsignedchar)(tmp8);UBRRL=(unsignedchar)tmp;/*接收器与发送器使能*/UCSRB=(1RXEN)|(1TXEN);/*设置帧格式:8个数据位,2个停止位*/UCSRC=(1URSEL)|(1USBS)|(1UCSZ0)|(1UCSZ1);}//数据发送【发送5到8位数据位的帧】voidUSART_Transmit(unsignedchardata){/*等待发送缓冲器为空*/while(!(UCSRA&(1UDRE)));/*将数据放入缓冲器，发送数据*/UDR=data;}//数据接收【以5到8个数据位的方式接收数据帧】unsignedcharUSART_Receive(void){/*等待接收数据*/while(!(UCSRA&(1RXC)));/*从缓冲器中获取并返回数据*/returnUDR;}Main.c#includeconfig.hvoidmain(void){unsignedchartmp=0;USART_Init(9600);//波特率9600初始化串口while(1){tmp=gettemp();USART_Transmit(tmp);}}