辽东学院本科毕业论文（设计）
基于虚拟仪器的温度测量系统The Design of Temperature Measurement System Based on Virtual Instrument Technology
学院（系）：机电学院
专业：测控技术与仪器
学生姓名：梁宇
指导教师：赵娜
评阅教师：
完成日期：2015年4月
辽东学院Eastern Liaoning University
摘要
测控技术跟随时代的发展，正在变得更加数字化，自动化，智能化和网络化。随着“软件就是仪器”这个概念被美国NI公司率先提出，LabVIEW 也随之产生。
如今社会的工业中不能缺少检测，尤其是在恶劣环境下更加需要远程检测系统。
本设计分为两部分，上位机部分由PC机的LabVIEW软件对检测界面进行开发，可以对温度变化曲线进行直观的观察，还可以在需要的情况下把检测数据保存在Excel中，利用记录的温度数据对比设定值来提示温度报警；下位机部分由89E52单片机读取温度数据，利用RS-232转到USB 接口，由上位机分析处理。本设计对不适于人进入的场所的测量工作问题进行了有效的解决。
在V3.0版本之后LabVIEW通信模块（NI-VISA）开始支持USB串口，这使下位机可以不用接收数据采集卡的数据就可以和LabVIEW进行通信，不仅减低了硬件的成本，也使LabVIEW在实用性和灵活性上得到加强。
关键词：LabVIEW；温度；接口技术
The Design of Temperature Measurement System Based on Virtual Instrument Technology
Abstract
With the continuous development of measurement and control technology, and its technology is toward automation, intelligent, digital and network development. The company put forward the NI "software is instrument" concept, so LabVIEW arises at the historic moment.
Detection in today's society in many of the industry with or lack of, some environmental bad place is also can not get away from remote detection system.
This design is solved some heavy industry, pharmaceutical industry, etc in between some of place is not fit for human in, still need to temperature detection problem. This design has two sides, the PC is in the PC platform using the LabVIEW software development testing interface, and intuitive observe temperature curve, according to need to also can be in the form of form to Excel, save detection of historical data, according to the real-time data acquisition data and the temperature of the set value comparison, tip temperature alarm; The machine is through a single chip computer 89 E52 read temperature data, through the RS-232 turn USB interface, move as a machine for analysis.
This design is used to RS232 serial line USB for PC and a machine under the communication. The communication module LabVIEW NI-VISA in V3.0 version began after support USB serial ports, make the next place machine and can not through LabVIEW communication data acquisition card takes a machine under the monitoring data, make the flexibility and practical better LabVIEW, save the hardware part of the cost.
Key words: LabVIEW; temperature; Interface technology
目录
摘要.................................................................................................................................... Abstract.................................................................................................................................... 引言....................................................................................................................................
1 绪论......................................................................................................................................
1.1 课题的研究目的及意义 ..........................................................................................
1.2 课题的国内外研究现状 ..........................................................................................
1.3 课题研究的主要内容 ..............................................................................................
2 虚拟仪器概述......................................................................................................................
2.1 虚拟仪器的概念.......................................................................................................
2.2 虚拟仪器的主要特点 ..............................................................................................
2.3 虚拟仪器的体系结构 ..............................................................................................
2.3.1 虚拟仪器的硬件构成 ...................................................................................
2.3.2 虚拟仪器的软件构成 ...................................................................................
2.4 LabVIEW的概述....................................................................................................
2.5 LabVIEW的应用现状 (1)
3 总体设计 (1)
3.1 系统实现的功能 (1)
3.2 总体设计方案 (1)
4 上位机LabVIEW的程序设计 (1)
4.1 USB接口设计 (1)
4.2 USB系统的结构 (1)
4.2.1 USB系统概述 (1)
4.2.2 USB主机 (1)
4.3 NI-VISA概述 (1)
4.3.1 N1-VISA简介 (1)
4.3.2 配置NI-VISA的过程 (1)
4.3.3 与Nl-VISA相配合的LabVIEW模板中VI子节点 (1)
4.3.4 USB设备读写的操作次序 (1)
4.4 LabVIEW2010中串口的配置 (1)
4.5 上位机LabVIEW程序的前面板和程序框图 (2)
4.5.1 数据处理 (2)
4.5.2 LabVIEW的前面板和各个部分的功能 (2)
4.5.3 LabVIEW的程序框图和各个部分的功能 (2)
5 下位机硬件和程序设计 (2)
5.1 温度测控仪表的硬件组成 (2)
5.2 单片机的使用 (2)
5.2.1 MPC89E52AE单片机应用 (2)
5.2.2 MPC89E52AE单片机的主要特点 (2)
5.3 MAX232电平转换芯片 (2)
5.3.1 MAX232电平转换芯片应用 (2)
5.3.2 MAX232电平转换芯片的引脚介绍 (2)
5.3.3 MAX232电平转换芯片的主要特点 (2)
5.4 DS18B20温度传感器 (2)
5.4.1 DS18B20温度传感器应用 (2)
5.4.2 DS18B20的主要特性 (2)
5.5 单片机程序的编写 (2)
5.5.1 Keil编译器软件应用 (2)
5.5.2 下位机程序设计 (2)
6 整体调试 (3)
6.1 LabVIEW上位机程序调试 (3)
6.1.1 找出语法错误 (3)
6.1.2 设置执行程序高亮 (3)
6.1.3 断点与单步执行 (3)
6.1.4 探针 (3)
6.2 下位机调试 (3)
结论 (3)
参考文献 (3)
附录A 电路图 (3)
附录B 下位机C语言程序 (3)
致谢 (4)
引言
理工文科所有专业本科生的毕业论文（设计）都应有“引言”的内容。如果引言部分省略，该部分内容在正文中单独成章，标题改为文献综述，用足够的文字叙述。从引言开始，是正文的起始页，页码从1开始顺序编排。
针对做毕业设计：说明毕业设计的方案理解，阐述设计方法和设计依据，讨论对设计重点的理解和解决思路。
针对做毕业论文：说明论文的主题和选题的范围；对本论文研究主要范围内已有文献的评述；说明本论文所要解决的问题。建议与相关历史回顾、前人工作的文献评论、理论分析等相结合。
注意：是否如实引用前人结果反映的是学术道德问题，应明确写出同行相近的和已取得的成果，避免抄袭之嫌。注意不要与摘要内容雷同。
书写格式说明：
标题“引言”选用模板中的样式所定义的“引言”；或者手动设置成字体：黑体，居中，字号：小三，1.5倍行距，段后1行，段前为0行。
引言正文选用模板中的样式所定义的“正文”，每段落首行缩进2字；或者手动设置成每段落首行缩进2字，宋体，小四，多倍行距 1.25，段前、段后均为0行，取消网格对齐选项。
1 绪论
1.1 课题的研究目的及意义
大多化学性质和物理现象都与温度密切相关，温度更是科学研究和工业生产中重要的参数之一，需要对温度进行测量的工作和场合很多，大多生产的过程都需要对温度进行控制。温度测量系统目前一般都采用通过固化软件或硬件来测量的传统仪器，这样的框架结构使得用户无法改变它已经固定的功能和结构。
随着科学技术和计算机技术的快速发展，传统仪器已不能满足现代测控系统的需要。虚拟仪器(Virtual Instrumentation)由美国国家仪器公司（NI）率先提出，这打破了传统仪器固定以及用户无法更改的模式，引发了测控仪器的一场重大变革。上世纪末我国开始开发和应用虚拟仪器，现在已经渗透到很多行业中，如：航空航天、医疗、铁路等行业，被广泛应用，拥有着巨大的市场潜力。虚拟仪器不仅是现在测控技术的热点，也是未来仪器技术的发展方向。
虚拟仪器是一种全新的测控仪器系统，它可以使计算机通过应用程序与功能模块硬件结合。用户就像操作一台自定义的专用传统仪器一样，通过拥有友好图形界面的显示器操作计算机，进行对被测数据的采集、分析、处理等测试工作。
与传统仪器比较，虚拟仪器所需的硬件更少、价格低而且可以重复利用；虚拟仪器的优点是其软件可以自定义、开发与维护费用低、技术更新快、方便与外设或网络连接、系统开放。这些优点使各国越来越重视虚拟仪器技术，近年来，虚拟仪器的发展迅速，在一些发达国家被普遍应用于
测量、电信、监控及教育等领域，现在正向着标准化、模块化、网络化和智能化的方向发展。
如今，虚拟仪器的概念已经在电子测量仪器的发展中被很多领域所接受，推动了柔性测控系统的发展。
1.2 课题的国内外研究现状
虚拟仪器在国内外的发展飞快，，以NI 公司为代表的厂商已经推出了基于虚拟仪器的商品化仪器产品。在美国，虚拟仪器和它的图形编程语言已经成为理工科学生的必修课程。
近些年，各国虚拟仪器公司开发出了很多虚拟仪器开发软件，以便使用者可以设计适合于自己的测量系统。NI公司的Labwindows/CVI和LabVIEW是最有影响力和最早的开发软件。LabVIEW非常实用，它采用的是图形化编程方案；Labwindows/CVI是在Windows环境下的标准ANSIC开发软件，它专为熟悉C语言的开发人员设计。处了以上几种开发软件，美国HP公司的HPTIG和H-VEE软件，美国Tektronix公司的Tek-TNS和Ez-Test软件也都是优秀虚拟仪器开发软件，在国际上得到公认。
虚拟仪器的系统开发可以采用多种总线，如传统的RS-232串行总线、PXI总线、VXI总线、GPIB通用接口总线、IEEE1394总和被广泛采用在PC机上的USB总线。为了使虚拟仪器能过灵活的适用于各种配置的总线，各国公司开发了大量软件和硬件，以便组建各种复杂程度不同的虚拟仪器自动测控系统。虚拟仪器的开发厂商在测量结果的表达模式、数据处理等
方面也进行了优化，建立了开发工具库和高级数据分析库，这扩大了虚拟仪器的功能，使其能够组建更加复杂的自动测控系统。
国内部分院校实验室已经引入虚拟仪器，有国内专家预测：在未来的几年里，我国虚拟仪器将占所有仪器的50%。随微机技术的发展，虚拟仪器将取缔传统仪器成为主要的测试仪器。
1.3 课题研究的主要内容
本文重点介绍使用LabVIEW开发环境来设计上位机的监控界面，上位机通过USB转RS232串行口与89E52单片机通信，DS18B20温度传感器读取温度数据，从而实现对温度参数的实时检测。本文主要进行以下几方面的工作：
(1)论述智能温度测控系统的课题目的及意义，智能温度测控系统的国内外发展概况及本论文的主要内容。
(2)详细介绍了虚拟仪器技术的概念、特点和体系结构，虚拟仪器开发软件LabVIEW及图形化编程语言的特点及应用现状。
(3)温度检测系统的设计思路及方案，对系统软件开发平台进行选择。
(4)介绍智能温度测控系统硬件组成，电烤箱的功率调节方式及各硬件电路的设计。
(5)电烤箱温度控制系统软件整体设计方案，及上位机和下位机的设计过程。
(6)对所做工作进行了总结，对未来的研究作了展望。
2 虚拟仪器概述
2.1 虚拟仪器的概念
随着科学技术和计算机技术的快速发展，传统仪器已不能满足现代测控系统的需要。虚拟仪器(Virtual Instrumentation)由美国国家仪器公司率先提出，这打破了传统仪器固定以及用户无法更改的模式，引发了测控仪器的一场重大变革。
虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器，即是在通用计算机上加上一组软件或硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像在操作一台他自己设计的专用传统电子仪器。实际上就是把计算机技术与一起技术结合起来，将传统仪器的三大功能，都放在计算机上完成。利用友好的计算机界面可以容易的模拟出各种仪器的控制面板，并以各种形式表达输出的检测结果；利用计算机软件实现多种信号分析、处理和存储，完成多种测试功能；用计算机外设替代传统仪器的按键和旋钮等，使人可以不碰仪器本身，又能完成测量工作。虚拟仪器利用计算机技术实现和拓展了其本身的功能，并逐渐替代了传统仪器对数据采集、分析等功能，达到了取代的目的。
2.2 虚拟仪器的主要特点
相比传统仪器，虚拟仪器有如下几个主要特点
(1)强调新概念—“软件就是仪器”，取代旧概念—“硬件为主体”。虚拟仪器的核心是软件，硬件的作用只在于信号的输入、输出问题上，这对于传统仪器而言，虚拟仪器在概念上取得了重大突破。软件决定了虚拟
仪器的智能化程度和处理能力，使用者根据需要，可把新的算法、专家系统或者人工智能应用在仪器的设计与集成上，从而提升了仪器的技术水平。另外，虚拟仪器通过丰富的计算机图形做到了人机互交与界面友好。
(2)用户可自行定义虚拟仪器的功能，并在用户机上产生，这使仪器可不由硬件决定，打破了传统仪器的弊端。如果需要，用户可以通过编程添加所需功能，而不是购买新的设备，从而使仪器的灵活性大大提高。
(3)虚拟仪器容易建立网络化，与网络及电脑设备互联，具有方便、灵活的互联性。网络虚拟仪器随网络技术的发展逐步形成，这种新型虚拟仪器基于WEB技术，这使虚拟仪器变成了Inter网的一部分，可以方便的进行构建远程测控系统，实现了测量、控制的网络化。
(4)虚拟仪器对硬软件的制定具有开放的工业标准，并且采用模块化结构，使系统具有了良好的扩展性和开放性。被高度集成的如数据采集电路等是系统必须的基本硬件，实现了硬件模块的即插即用。软件开发基于模块化设计思想，并运用了大量函数库、类库和动态链接库，使代码具有了良好的可重复性。系统组建用时短，功能更易拓展，软硬件的开发、生产和维护的费用低。
2.3 虚拟仪器的体系结构
通常测量仪器都具有的三大部分：数据采集、数据测试和分析以及结果的输出显示。相同的是虚拟仪器也具有这三大部分，不同的是对于数据分析和结果输出部分虚拟仪器是通过计算机软件系统完成的。只要具有一定的数据采集硬件，就能构成基于计算机的虚拟测量测试仪器。通常虚拟仪器具有的三部分：计算机、硬件接口电路以及软件部分。
2.3.1 虚拟仪器的硬件构成
虚拟仪器硬件由硬件接口电路和计算机仪器构成。作为虚拟仪器核心的计算机要对数据进行分析处理以及结果的显示，而硬件接口电路要对被测量信号进行采集、放大以及模数转换等工作，对于构成不同的虚拟仪器接口总线，可分为下几种方案，如图2.1所示。
图2.1 虚拟仪器的硬件构成框图
(1)数据采集卡，它的仪器硬件平台是信号调理电路、数据采集卡(DAQ)和PC机，采用ISA或PCI计算机本身的总线，将DAQ插入PC机的总线扩展插槽，因此又称为PC-DAQ/PCI插卡式虚拟仪器。
(2)通用接口总线GPIB(General Purpose Interface Bus)接口，它的仪器硬件平台是GPIB接口仪器、GPIB接口卡和PC机，GPIB的仪器操作界面具有独立性，可脱离计算机使用，也可通过标准GPIB电缆连接到计算机实施程序控制。
(3)串行口仪器，它的仪器硬件平台是Serial标准总线仪器和PC机，符合RS-422或者RS-232标准的PLC和单片机系统。
(4)VXI仪器，它的仪器硬件平台是VXI(VME bus Extension for Instrumentation)标准总线仪器模块以和PC机，由主机箱、控制器和仪器模块构成。它包括嵌入式PC控制器、外置工作站控制器和嵌入式工作站控制器，选用时要根据测试功能的要求。
(5)PXI仪器，它的硬件平台是PXI(PCI Extension for Instrumentation)标准总线仪器模块和PC机，标准的PXI模块化仪器系统可以Compact PCI交互操作，也可与VXI或GPIB集成，组成多用途、大规模系统。
(6)现场总线，它的仪器硬件平台是Field Bus标准总线仪器和PC机。上述的几种方案中，VXI、PXI、GPIB方案适合大型高精度测试系统; 串行口方案I、PCI-DAQ/PC适合大规模的网络测试系统。
2.3.2 虚拟仪器的软件构成
软件是虚拟仪器的核心技术，通过修改程序来实现不同功能的测量测试仪器，去满足各种不同的需求。“软件即是仪器”的意义就是软件可被定义为各种仪器。使硬件软件化，降低系统成本，增强系统功能及其灵活性。计算机易与网络、外设和其他应用连接，对于系统控制、数据采集、远程传送都很方便。我们只要利用数据采集电路或数据采集卡，就可以在计算机上构建新的仪器系统，通过软件编程实现不同功能。从底层到顶层可分虚拟仪器系统的软件可分为三个层次，分别是VISA库、仪器驱动程序以及应用程序。
(1)VISA(Virtual Instrumentation Software Architecture)库，VISA库的实质是标准的I/O函数库以及相关规范的总称，存在于仪器和仪器驱动
程序之间，并为它们提供信息传递，是开放实现的、统一的虚拟仪器系统的基础与核心。
(2)仪器驱动程序，数据的采集与控制要涉及到硬件操作，所以需要对应的硬件驱动程序。驱动程序使仪器与通信软件集合，连接应用程序与VISA库，每个仪器模块都有其对应的仪器驱动程序，用户可方便的调用仪器驱动程序，而不必重新设计。
(3)应用软件，它建立在仪器驱动程序之上，由用户编写，通过友好的测控操作界面和丰富的数据分析与处理来完成测控任务。
2.4 LabVIEW的概述
LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory virtual Instrument Engineering workbench)的简称，是目前发展最快、应用最广、功能最强的图形化软件开发环境。得到了学术界和工业界的普遍认可和好评。它把复杂的文本语言简化成用图标或菜单提示的方法选择功能，利用线条把各种功能连接起来的编程方式，为用户进行编程、调试提供了方便的工具和环境。LabVIEW是一种虚拟仪器开发平台软件，能够以其直观简便的编程方式、众多的源代码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际工程中所需要的仪器系统创造了基础条件。
而且LabVIEW相比其它计算机语言，有一个重要的不同点:就是其它计算机语言都是采用文本语言产生代码，而LabVIEW采用的是图形化编程语言（G语言），以框图的形式产生程序，简单易学，可在短时间内掌握并运用到实践中。
从宏观上讲LabVIEW的运行机制以不是传统上的冯2诺依曼的计算机体系结构执行方式。在LabVIEW中传统计算机语言顺序执行结构被并行机制代替：从本质上看，它是图形控制流结构的数据流模式。按照数据流程序的设计规定，当函数的所有输入有效时才能够执行；而当目标输出的功能完成时，它才是有效的。所以在这种数据流程序的概念中，数据驱动驱使程序执行，它并不受到计算机、操作系统等因素影响。
VI是LabVIEW的核心。VI拥有人机对话用户界面，前面板(Front Panel)和程序图(Diagram)。程序图发指令前面板接收。在前面板中，输入控件(Controls)模拟仪器的输入装置并将数据提供给程序图；显示控件(Indicators)则模拟仪器的输出装置并显示由程序图获得的数据。当把一个显示或输入控件放置到前面板上时，程序图中会相应地放置一个端口(Terminals)。
用LabVIEW编程不受计算机语法限制。首先，在功能菜单中选取所需功能节点，并至于何时位置；然后，在程序图中的端口用线(Wires)连接各功能节点，用来传输各节点质检数据。这些节点包括简单算术功能、高级数据采集和分析以及存储和检索数据功能的和网络功能。这样的图形化程序设计编程有着简单、直观、开发效率高等特点。
2.5 LabVIEW的应用现状
LabVIEW广泛应用于包括通信、航空、自动化、半导体、过程控制、电路设计及生物医学等各种工业领域中，使应用系统的开发效率得到提升。协调使用LabVIEW，信息资源及共享软件，可大量节省金钱和时间。LabVIEW的应用大致可分为以下几个主要方面：
(1)应用于生产检测: LabVIEW己经成为用于测试测量领域的工业标准化开发工具。LabVIEW结合NITestStand测试执行环境和该领域中最大的仪器驱动程序库，为整个系统建立稳固完整的检测管理平台。
(2)应用于研究与分析:运用LabVIEW，可在汽车、能源研究和其它众多工业领域的应用系统中进行实时数据的分析和处理、对于图像处理、时频分析、小波和数字滤波的应用系统，LabVIEW特别提供各种附加工具包以加速系统的开发。
(3)应用于过程控制和工厂自动化:可利用LabVIEW来建立过程控制和工业自动化应用系统。在LabVIEW平台下，可以实现多通道的高速测量和控制。对于大型复杂的工业自动化和控制系统，有专门的LabVIEW 数据记录和监控模块，用于监控多通道I/O、与工业控制器和网络进行通信，以及提供基于PC机的控制。
(4)应用于机器监控:对于要求有实时控制、视觉和图像分析或运动控制的机器监视和预先维护的应用系统，LabVIEW是理想的选择。LabVIEW 系列产品，包括用于可靠、确定性控制的实时LabVIEW (LabVIEW RT)软件，能够快速、准确的建立起功能强大的机器监视和自动控制应用程序。
(5)应用于测控系统:LabVIEW有着强大的功能和广阔的应用前景，但就目前国内的现状来看，大多数的用户还是把LabVIEW作为虚拟仪器，仅仅利用它来进行数据的处理、分析和显示，忽略了LabVIEW强大的数据采集和控制功能，特别是基于PC机的实时控制，在国内应用较少。
3 总体设计
3.1 系统实现的功能
本论文针对传统测控仪器功能由仪器厂商定义，图形界面小，设备连接有限，读取数据信息量小，无法编辑、存储，功能固定、系统封闭、可扩展性差，技术更新速度慢，开发、维护费用高等特点，设计一个基于LabVIEW的温度检测系统。该温度检测系统主要实现以下几个功能：
(1)实现单片机与PC机的串口通信，能及时将温度数据传给PC机，并在上位机界面行程曲线，直观表现温度变化。
(2)检测参数显示：如测试时间、设定温度等，当温度超出范围进行报警等。
(3)温度实时监测曲线显示，具有数字显示和波形图显示。
(4)保存结果数据：用户可将采集到的数据保存在Excel表格中，方便打印和查询。
3.2 总体设计方案
本论文是基于LabVIEW2010的温度检测系统的设计开发，采用从总体到局部的设计原则，逐步分析系统功能，分解整个系统为几个部分且能实现不同功能，然后对每部分别设计。为实现温度检测系统的各项功能，可将整个系统分为上位机和下位机两部分:上位机是装有LabVIEW2010软件的PC机，下位机是单片机和外围电路组成的小系统。通过PC机USB 串口进行通信。下位机部分实现温度信号的采集和温度数据的输出;上位机