【基于LabVIEW和嵌入式的溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)】10000字（論文）

基于LabVIEW和嵌入式的溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄摘要 I引言 11.1研究背景 11.2我國農(nóng)業(yè)溫濕度控制發(fā)展的歷程 21.2.1農(nóng)業(yè)溫濕度控制發(fā)展現(xiàn)狀 21.2.2現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫濕度控制的發(fā)展 22系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 32.1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 32.2系統(tǒng)采集模塊設(shè)計(jì) 42.3系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì) 43系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案 53.1微型控制器MSP430F149 53.1.1模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 63.1.2時(shí)鐘電路模塊 63.1.3硬件乘法器模塊 63.2多通道傳感器的選擇設(shè)計(jì) 73.2.1復(fù)合型溫濕度傳感器DHT11 73.2.2數(shù)字式溫度傳感器DS18B20 113.3通信串口模塊 133.4溫度調(diào)節(jié)控制模塊 144系統(tǒng)模塊軟件設(shè)計(jì) 154.1上位機(jī)模塊軟件設(shè)計(jì) 154.1.1LabVIEW軟件控件選板 154.1.2前面板控件設(shè)計(jì) 164.1.3后面板程序設(shè)計(jì) 174.2硬件模塊的軟件設(shè)計(jì) 194.2.1IARSystems開發(fā)環(huán)境(IDE) 194.2.2MSP430F149程序流程圖 194.2.3主程序流程圖 204.2.4傳感器采集子程序流程圖 215溫濕度控制系統(tǒng)的調(diào)試 235.1串口模塊的調(diào)試 235.2系統(tǒng)的整體調(diào)試 24結(jié)論 25參考文獻(xiàn) 26引言研究背景隨著社會的發(fā)展，科技的進(jìn)步，以及溫濕度控制儀器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，智能化已是現(xiàn)代溫濕度控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。溫濕度控制系統(tǒng)，控制對象是溫濕度。溫濕度控制在日常生活及工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛，比如溫室大棚等場所的溫濕度控制。而以往大多數(shù)小規(guī)模大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對溫濕度的監(jiān)測與控制都采取了人工進(jìn)行管理和操作。目前，這種人工操作方式不能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，而且耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，并不能夠完完全全對環(huán)境進(jìn)行理想化的控制。針對此問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)一種可連續(xù)高精度調(diào)節(jié)溫濕度的溫濕度控制系統(tǒng)，它應(yīng)用廣泛，功能強(qiáng)大、小巧美觀是一款既實(shí)用又廉價(jià)的控制系統(tǒng)。特別是近年來，溫濕度控制系統(tǒng)已應(yīng)用到人們生活的各個(gè)方面，溫濕度控制的開發(fā)與人們工作生活息息相關(guān)。為了提高農(nóng)作物生長過程中所需參數(shù)的準(zhǔn)確性，最大限度地提高控制效果，本次設(shè)計(jì)采用基于MSP430和LabVIEW的溫濕度控制系統(tǒng)，來初步實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫濕度數(shù)據(jù)采集、顯示、監(jiān)測和調(diào)節(jié)。該溫濕度控制系統(tǒng)所需硬件設(shè)計(jì)簡單、工作可靠、控制方便簡單快捷、靈敏度高、精度高，能夠通過多通道傳感器的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，來提高采集模塊的精準(zhǔn)度，使溫濕度控制系統(tǒng)能夠更有效的保證農(nóng)作物生長環(huán)境的穩(wěn)定性，從而提高農(nóng)作物產(chǎn)量，對農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了一定的實(shí)際價(jià)值。在測量儀器高度智能化發(fā)展的今天，虛擬儀器控制系統(tǒng)具有“軟件”的優(yōu)勢和特點(diǎn)。為此本設(shè)計(jì)立志于構(gòu)建一個(gè)完整的溫濕度控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)出一個(gè)采用基于LabVIEW的嵌入式的控制系統(tǒng)進(jìn)行的溫濕度控制。我國農(nóng)業(yè)溫濕度控制發(fā)展的歷程1.2.1農(nóng)業(yè)溫濕度控制發(fā)展現(xiàn)狀從古至今，我國一直是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍然是我國的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，大多數(shù)依靠氣候變化來決定農(nóng)業(yè)是否能有好收成，就是俗稱“靠天吃飯”。從20實(shí)際60年代開始，中國農(nóng)業(yè)一直處于小規(guī)模、水平低、發(fā)展緩慢等狀態(tài)。在70年代初期中國引進(jìn)國外的地膜覆蓋技術(shù)，對保溫保濕起到了重要作用。70~80年代，中國相繼使用溫室大棚和日用溫室等技術(shù)。從90年代開始，中國農(nóng)業(yè)逐步向規(guī)模化和科學(xué)化方向發(fā)展。技術(shù)水平大幅度提高。隨著近年國家啟動相關(guān)科研項(xiàng)目，中國的農(nóng)業(yè)有了質(zhì)的飛躍，農(nóng)業(yè)規(guī)模與水平不斷提高。近年溫室的發(fā)展歷經(jīng)了改良型日光溫室、大型玻璃溫室和現(xiàn)代化溫室三個(gè)階段。但因各地方生產(chǎn)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)情況和使用目的不同，至今不同階段類型的溫室依然存在。目前，大多數(shù)小規(guī)模溫室大棚等場所的溫濕度控制。都采取了人工進(jìn)行管理和操作。這種人工操作方式不能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，而且耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，并不能夠完完全全對環(huán)境進(jìn)行理想化的控制。很容易造成經(jīng)濟(jì)損失。這種方法無疑增加了生產(chǎn)成本和大量人工勞動力，也很難達(dá)到預(yù)期的理想效果。我國雖然已經(jīng)有了部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化監(jiān)控系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)僅適用與少數(shù)大規(guī)模的農(nóng)場農(nóng)業(yè)中，不適合我國的發(fā)展現(xiàn)狀。1.2.2現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫濕度控制的發(fā)展隨著科技的快速普及和發(fā)展，越來越多的高性能設(shè)備橫空出世，隨之也帶動了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展。在現(xiàn)代的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)設(shè)備在人工種植大棚中發(fā)揮這重要作用，使生產(chǎn)過程中環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控有了很大的保障。使農(nóng)業(yè)種植、生產(chǎn)更加優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效。本次設(shè)計(jì)的溫濕度控制系統(tǒng)是通過了解了我國目前的發(fā)展現(xiàn)狀，為初步實(shí)現(xiàn)對小規(guī)模農(nóng)業(yè)大棚自動化管理而設(shè)計(jì)的。以MSP430F149單片機(jī)為控制核心的小規(guī)模農(nóng)業(yè)大棚的溫濕度數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠大程度實(shí)現(xiàn)高效的溫濕度監(jiān)測和控制。此控制系統(tǒng)能夠適用與人工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大棚中，不僅解決了我國當(dāng)前生產(chǎn)現(xiàn)狀，而且工作性能穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)和精準(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn)，有著非?？捎^的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)溫濕度超限報(bào)警模塊溫濕度傳感器DHT11MSP430F149單片機(jī)波形顯示模塊數(shù)據(jù)顯示模塊多通道采集模塊溫濕度傳感器DHT11溫度傳感器DS18B20溫度傳感器DS18B20上位機(jī)LabVIEW溫度調(diào)節(jié)模塊溫濕度超限報(bào)警模塊溫濕度傳感器DHT11MSP430F149單片機(jī)波形顯示模塊數(shù)據(jù)顯示模塊多通道采集模塊溫濕度傳感器DHT11溫度傳感器DS18B20溫度傳感器DS18B20上位機(jī)LabVIEW溫度調(diào)節(jié)模塊RS-232RS-232圖2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2.1是本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖，整體結(jié)構(gòu)是由兩對傳感器組成多通道采集模塊，以MSP430F149單片機(jī)為主控器件，在通過LabVIEW上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，以及RS-232通信串口組成。本次設(shè)計(jì)的主要工作原理是由主控原件MSP430F149為中心樞紐，利用兩對傳感器進(jìn)行多通道檢測溫濕度數(shù)據(jù)采集，通過一對復(fù)合式溫濕度傳感器DHT11和一對數(shù)字式溫度傳感器DS18B20能夠極大程度的提高溫濕度測量的精準(zhǔn)度。將采集好數(shù)據(jù)通過單片機(jī)MSP430F149進(jìn)行接收、處理和顯示、通過RS-232通信串口用16位數(shù)字信號傳送到上位機(jī)LabVIEW中，經(jīng)過上位機(jī)LabVIEW圖形化編程模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，然后在溫濕度超限報(bào)警模塊設(shè)置溫濕度峰值，當(dāng)溫濕度超過預(yù)設(shè)峰值時(shí)，報(bào)警模塊發(fā)出報(bào)警信號，通過調(diào)節(jié)風(fēng)扇裝置降低數(shù)值，從而達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。2.2系統(tǒng)采集模塊設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)多通道溫濕度的采集，本次的系統(tǒng)采集模塊采用了兩種傳感器，一種是復(fù)合式溫濕度傳感器DHT11，他具有良好的靈敏感應(yīng)特性、防水性、穩(wěn)定性、高精度、低飄移，高性價(jià)比,等優(yōu)點(diǎn)，可以替代日本神榮、北陸等進(jìn)口產(chǎn)品。另一種是數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。他采用單總線的接口方式與微處理器連接時(shí)僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20傳感器的雙向通訊。單總線具有經(jīng)濟(jì)性好，測量溫度范圍廣，測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且不需要模數(shù)轉(zhuǎn)化過程，可以直接采集溫度數(shù)據(jù)組以16位數(shù)據(jù)形式與微型控制器進(jìn)行傳輸。使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。而且通過兩種傳感器進(jìn)行對比可以極大的增加測量精度。2.3系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)我想選擇LabVIEW作為人機(jī)界面，因?yàn)長abVIEW具有入門快，控件精美，工具包多、工業(yè)控制適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。通過上位機(jī)LabVIEW開發(fā)虛擬環(huán)境，設(shè)計(jì)一種預(yù)警模塊，當(dāng)多通道溫濕度模塊所采集的數(shù)值超過預(yù)計(jì)模塊峰值時(shí)，預(yù)警布爾控件發(fā)出指示，通過調(diào)節(jié)溫度調(diào)節(jié)風(fēng)扇開始降溫，當(dāng)數(shù)值回歸標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，溫度調(diào)節(jié)風(fēng)扇停止工作，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，靜等下一次指令。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案3.1微型控制器MSP430F149本次設(shè)計(jì)的溫濕度控制系統(tǒng)是以單片機(jī)MSP430F149為中心樞紐。德州儀器公司的MSP430系列是一種特低功耗的混合信號微控制器（MixedSignalMicrocontrollers)家族，其中包括幾種器件，它們是由針對各種應(yīng)用的不同的模塊組成的。這些微控制器被設(shè)計(jì)成可用電池工作且可應(yīng)用很長時(shí)間的器件。具有16位RISC結(jié)構(gòu)，CPU中的16位寄存器和常數(shù)產(chǎn)生器，使MSP430能具有最高的代碼效率。數(shù)字控制的振蕩器可使器件從低功耗方式迅速喚醒，在少于6us的時(shí)間內(nèi)達(dá)到激活方式。內(nèi)部配置有兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)高速12位AD轉(zhuǎn)換器、一或兩個(gè)通用串行同步/異步通信接口(USART)，有48個(gè)IO引腳的微控制器。圖3.1MSP430引腳圖MSP430F149單片機(jī)典型應(yīng)用包括捕捉模擬信號的傳感系統(tǒng)，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，然后處理數(shù)據(jù)并將它們傳送給主系統(tǒng)。內(nèi)部的定時(shí)器使得這些配置很適合于工業(yè)控制應(yīng)用，例如紋波計(jì)數(shù)器、數(shù)字馬達(dá)控制、EE儀表、手持式儀表等。硬件乘法器更加強(qiáng)了器件性能并提供寬代碼和硬件兼容的系列。3.1.1模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊MSP430F149單片機(jī)的ADC模塊是一個(gè)12位14路精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊,其中8路是外部測量信號的模擬轉(zhuǎn)換，4路為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的檢測輸出轉(zhuǎn)換，1路為與溫度濕度傳感器連接的內(nèi)部電壓源轉(zhuǎn)換控制。而且每一路都存在可控制的轉(zhuǎn)換存儲器。本型號的單片機(jī)具有高速度,通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。他是將外部輸入的電壓信號轉(zhuǎn)化成可以處理和運(yùn)算的數(shù)字量（模數(shù)），將數(shù)字量轉(zhuǎn)化成外部一定范圍的電壓對外輸出（數(shù)模），最終實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)世界中數(shù)據(jù)的采集和輸出一定范圍的信號對現(xiàn)實(shí)世界予以控制。3.1.2時(shí)鐘電路模塊圖3.2時(shí)鐘電路MSP430F149單片機(jī)中有3個(gè)時(shí)鐘電路模塊，分別是一個(gè)內(nèi)部DCO時(shí)鐘與兩個(gè)外部時(shí)鐘。使用者可根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的時(shí)鐘電路模塊。該模塊具有低系統(tǒng)開銷，功耗低、能夠產(chǎn)生3個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘信號ACLK、SMCLK、MCLK等特點(diǎn)。通過軟件調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)無外部原件，用一個(gè)外部電阻、一個(gè)或兩個(gè)外部晶體或者外部振蕩器運(yùn)行，為MSP430F149單片機(jī)提供時(shí)間順序，使其穩(wěn)定運(yùn)行。3.1.3硬件乘法器模塊MSP430F149單片機(jī)中的硬件乘法器模塊屬于外圍模塊沒有集成到CPU中，而是獨(dú)立于CPU運(yùn)算中。硬件乘法器模塊不需要占用CPU使用率，通過硬件實(shí)現(xiàn)。其運(yùn)算速度比用軟件進(jìn)行的運(yùn)算要快很多。硬件乘法器模塊寄存器的讀寫，與其他外圍寄存器一樣可以通過CPU指令進(jìn)行讀寫。在計(jì)算過程中，只需將兩個(gè)操作數(shù)放入相應(yīng)的位置，然后就可以直接從結(jié)果寄存器中獲取所需的數(shù)據(jù)結(jié)果。方便使用者在所需要的時(shí)候使用。3.2多通道傳感器的設(shè)計(jì)為了達(dá)到多通道獲取數(shù)據(jù)的目的，本文采用了兩種不同的傳感器，分別是DHT11復(fù)合式溫濕度傳感器和DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。本次設(shè)計(jì)的溫濕度控制系統(tǒng)準(zhǔn)備利用兩對傳感器在人工種植大棚中測量。其中在大棚空氣和農(nóng)作物種植的土壤中分別放置一個(gè)DHT11復(fù)合式溫濕度傳感器和DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。通過兩對傳感器測量大棚空氣中和農(nóng)作物生長土壤中的溫度和濕度。通過多通道傳感器溫濕度的采集，進(jìn)行數(shù)據(jù)對照。實(shí)現(xiàn)人工溫室生產(chǎn)過程中溫濕度的精確檢測，達(dá)到更好的控制效果，而進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)節(jié)。3.2.1復(fù)合型溫濕度傳感器DHT11DHT11溫濕度傳感器是一款低價(jià)的入門級溫濕度傳感器。常常在我們單片機(jī)設(shè)計(jì)案例中使用。它使用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)。使其產(chǎn)品能夠極高的可靠性和穩(wěn)定性。DHT11溫濕度傳感器中分別采用電阻式感濕元件和NTC測溫元件。與高性能12為單片機(jī)相連。而且DHT11溫濕度傳感器的數(shù)字輸出信號在出廠時(shí)就已經(jīng)通過了精確的溫濕度校準(zhǔn)室進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)處理內(nèi)部檢測數(shù)據(jù)信號時(shí)，無需再次校準(zhǔn)，可直接從OTP內(nèi)存中調(diào)取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。使他具有使用簡單、體積小、能耗低、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。而且封裝形式可根據(jù)用戶的使用需求進(jìn)行提供。DHT11溫濕度傳感器引腳的說明和連接方式表3.1DHT11傳感器引腳說明引腳序號引腳名稱屬性說明1VDD供電電壓(+3.0V~+5.5V)2DATA單總線串行數(shù)據(jù)3NC空腳，懸空4GND接地圖3.3DHT11傳感器引腳圖DHT11溫濕度傳感器的供電電壓為3.3V~5.5V，為了去除耦濾波可以通過在電源引腳(VDD、GEN)之間增加一個(gè)100nf電容實(shí)現(xiàn)，還可以通過在引腳DATA上并聯(lián)一個(gè)大于5k的上拉電阻來增強(qiáng)抗干擾能力。DHT11溫濕度傳感器通電后，要等帶1s到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，此過程無需發(fā)送指令。當(dāng)單片機(jī)MSP430F149上的LED燈常亮。說明傳感器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。DHT11溫濕度傳感器采用單總接口，可直接與MSP430F149的I/O口（P1.3、P1.4）相連接。使其連接簡單、控制方便。而且出現(xiàn)故障時(shí)維修也變得更加方便。圖3.4DHT11外部封裝實(shí)物圖DHT11溫濕度傳感器為4針單排引腳封裝，如圖3.4所示，采用單線制串行接口，只需要加上適當(dāng)?shù)纳侠娮瑁盘柕膫鬏斁嚯x就可以達(dá)到20米以上，使其成為各類應(yīng)用的最佳之選。（2）DHT11溫濕度傳感器的特性DHT11溫濕度傳感器應(yīng)用十分廣泛，前景非?？捎^。在本文設(shè)計(jì)的溫濕度控制系統(tǒng)運(yùn)行中，溫濕度傳感器對所測量環(huán)境測出來一個(gè)數(shù)值，在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后通過數(shù)字信號傳送到單片機(jī)MSP430F149中，而且測量過程中無需使用任何元器件。使控制系統(tǒng)穩(wěn)定性大幅度提高。表3.2DHT11傳感器的特性產(chǎn)品屬性（參數(shù)特性）注釋及工作特性傳感器復(fù)合型溫濕度傳感器DHT11溫度測量范圍0℃~50℃溫度測量誤差±2℃相對濕度測量范圍20%~95%RH（在溫度0℃~50℃范圍內(nèi)）相對濕度測量誤差±5%正常工作額定電壓3.3V~5.5V產(chǎn)品尺寸29.0mm*18.0mm溫度重復(fù)性±0.2℃相對濕度重復(fù)性±1%RH產(chǎn)品分辨率0.1%RH16Bit（3）DHT11溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集分析圖3.5DHT11溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集時(shí)序圖圖3.6DHT11溫濕度傳感器傳送時(shí)序圖接通電源，連接通信串口，系統(tǒng)開始運(yùn)行。首先兩個(gè)DHT11溫濕度傳感器分別進(jìn)入初始狀態(tài)，上位機(jī)給主機(jī)MSP430F149進(jìn)行指令傳輸，主機(jī)就會發(fā)送開始指令，同時(shí)傳感器從低功耗模式切換成高速狀態(tài)，開始發(fā)送響應(yīng)信號，為了使傳感器能夠收到開始信號，主機(jī)把DATA引腳總線拉低大于18ms，當(dāng)MSP430F149集成板上LED都亮，說明初始化成功，傳感器的總線由空閑狀態(tài)切入到高電平狀態(tài)。開始接收指令進(jìn)行檢測。DHT11溫濕度傳感器一次性傳輸40位數(shù)據(jù)，前16位與濕度有關(guān)，中間16位與溫度有關(guān)，后8位用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)的，同時(shí)進(jìn)行一次溫濕度數(shù)據(jù)信號采集。當(dāng)主機(jī)每次接受讀取傳感器的數(shù)據(jù)時(shí)，都要一次性處理完40位的數(shù)據(jù)信號，處理后的數(shù)據(jù)只存儲前16位和中間16位相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)校準(zhǔn)結(jié)束后，所讀取的數(shù)據(jù)就是所需要測量的環(huán)境物理量了，主機(jī)MSP430F149就可以使用校驗(yàn)完成后的數(shù)值了。當(dāng)DHT11溫濕度傳感器數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，溫濕度傳感器的總線會拉低50us，然后總線由主機(jī)拉高轉(zhuǎn)為空閑模式。傳感器從告訴運(yùn)行切換為低速等待狀態(tài)。3.2.2數(shù)字式溫度傳感器DS18B20數(shù)字式溫度傳感器DS18B20是由美國Dallas半導(dǎo)體公司推出的，它是有史以來第一片采用"一線總線"接口的溫度傳感器。目前，最新一代的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20體積更小、性價(jià)比高、更靈活。使其能夠發(fā)揮一線總線的特點(diǎn)。DS18B20溫濕度傳感器的引腳的說明和實(shí)物管腳排列圖3.7DS18B20實(shí)物管腳排列分布圖表3.3DHT11傳感器引腳說明引腳序號引腳名稱屬性說明1GND接地2DQ脈沖信號輸入或輸出端3VDD供電電壓（3.0V~5.5V）（2）DS18B20傳感器的工作原理和連接方式比較計(jì)數(shù)器斜率累加器預(yù)置比較計(jì)數(shù)器斜率累加器預(yù)置低溫度系數(shù)振蕩器減法計(jì)數(shù)器1低溫度系數(shù)振蕩器減法計(jì)數(shù)器1預(yù)置預(yù)置增加溫度寄存器增加溫度寄存器減到0減到0停止停止減到0減法計(jì)數(shù)器2高溫度系數(shù)振蕩器減到0減法計(jì)數(shù)器2高溫度系數(shù)振蕩器圖3.8DS18B20測溫原理電路圖如圖3.8所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，將其產(chǎn)生脈沖信號送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變,將其產(chǎn)生脈沖信號送給計(jì)數(shù)器2，計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器一起被預(yù)置在對應(yīng)于-55℃的基準(zhǔn)值。低溫度系數(shù)晶振所產(chǎn)生的脈沖信號會被計(jì)數(shù)器1進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減0時(shí)，溫度寄存器的值就會加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值會被重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。測溫過程中的非線性可以通過斜率累加器進(jìn)行補(bǔ)償和修正，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。DS18B20傳感器測溫范圍為-55℃~+125℃。當(dāng)在-10℃~+85℃范圍時(shí)。DS18B20傳感器的測溫精度能保持在±0.5℃。他是由4大部分組成，分別有溫度傳感器、配置寄存器、64位光刻ROM、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL。同時(shí)還有斷電保護(hù)等功能。它可以直接將測量數(shù)值轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號提供給主機(jī)進(jìn)行處理。當(dāng)兩個(gè)傳感器連接時(shí)，每一個(gè)傳感器都采用單總線，通過引腳DQ與單片機(jī)的I/O口（P1.5、P1.6）相連。通過指令進(jìn)行溫度采集給單片機(jī)。在本次設(shè)計(jì)中可以即插即用十分方便。3.3通信串口模塊圖3.9通信串口連接使用通信串口模塊是為了使更多不同的設(shè)備可以簡單方便的實(shí)現(xiàn)共同鏈接，能都穩(wěn)定的互相通信。為此本文設(shè)計(jì)我選擇了RS-232轉(zhuǎn)換器。因?yàn)樗哂袘?yīng)用范圍廣、使用簡單、異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)和雙向等特點(diǎn)。是目前最常見的一種串行接口，但不足之處是傳輸速率比不上傳統(tǒng)的SUB接口，而且抗干擾能力差。但以滿足本文設(shè)計(jì)的要求，能夠把數(shù)字脈沖信號經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換傳輸給計(jì)算機(jī)終端。表3.4RS-232串口數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送引腳序號引腳名稱功能說明2RXD接收終端發(fā)來的數(shù)據(jù)3TXD發(fā)送數(shù)據(jù)到終端3.4溫度調(diào)節(jié)控制模塊圖3.10風(fēng)扇控制驅(qū)動電路圖溫度調(diào)節(jié)控制模塊是通過對兩路風(fēng)扇進(jìn)行調(diào)節(jié)使環(huán)境進(jìn)一步降溫。在本文中的溫度控制模塊是根據(jù)溫度傳感器所測的數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，溫度預(yù)警參數(shù)可根據(jù)不同環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。在監(jiān)測過程中，當(dāng)溫度到達(dá)上位機(jī)LabVIEW軟件所設(shè)定的溫度峰值時(shí)，超限預(yù)警布爾的紅色警示燈亮，通過利用高低電平的控制原理控制兩路風(fēng)扇進(jìn)行環(huán)境溫度調(diào)節(jié)，從而起到降溫作用。其中控制電路中的R2、R5起著限流作用，風(fēng)扇電機(jī)可以通過NPN三極管根據(jù)上位機(jī)指令進(jìn)行驅(qū)動。4系統(tǒng)模塊軟件設(shè)計(jì)4.1上位機(jī)模塊軟件設(shè)計(jì)LabVIEW是一種由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的程序開發(fā)環(huán)境。類似與C和BASIC。LabVIEW的編程系統(tǒng)功能十分強(qiáng)大，它有著能夠完成各種編程任務(wù)的函數(shù)庫，其中包括采集、串口控制、數(shù)據(jù)分析、顯示及數(shù)據(jù)存儲等等。LabVIEW

有很多類似示波器、萬用表等傳統(tǒng)儀器控件和外觀。方便使用者建立用戶界面，在LabVIEW

中常常把用戶界面成為前面板。通過圖標(biāo)和連線，使用編程對前面板實(shí)施控制。俗稱G語言，也就是圖形化源代碼。它是由前面板模塊與后面板模塊組成，在內(nèi)部集成了很多嵌入式工具，使用者可以根據(jù)所熟悉的圖標(biāo)、術(shù)語和概念，進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計(jì)，構(gòu)造出各種控制界面，是目前為止廣大開發(fā)者愛不釋手的上位機(jī)模塊軟件。本次設(shè)計(jì)主要通過LabVIEW上位機(jī)模塊完成數(shù)值轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析、處理和保存等等，并對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行波形圖對比與顯示。4.1.1LabVIEW軟件控件選板圖4.1LabVIEW控件選板控件選板提供了前面板設(shè)計(jì)中各種儀器儀表上的開關(guān)、旋鈕、圖表、顯示屏、圖形等編程過程中所涉及到的操作部件，用來設(shè)置各種輸出控制和輸出顯示對象，在使用過程中，可以根據(jù)編寫程序選擇合適的控件放在前面板上合適的位置。表4.1系統(tǒng)應(yīng)用控件功能說明控件圖標(biāo)子模板名稱功能說明Numeric(數(shù)值量)數(shù)值的顯示和控制。包括指針式、數(shù)字式和各種輸入框。Boolean(布爾量)邏輯數(shù)值的顯示和控制。包含各種布爾開關(guān)、預(yù)警指示燈及按鈕等。I/O(輸入/輸出功能)輸入/輸出功能。Graph(圖形顯示)顯示數(shù)據(jù)結(jié)果的圖形。顯示溫度和濕度的波形圖。String&Path(字符串與路徑)字符串和路徑的顯示和控制。4.1.2前面板控件設(shè)計(jì)圖4.2前面板設(shè)計(jì)圖根據(jù)溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，預(yù)設(shè)了6個(gè)通道數(shù)值，將兩個(gè)DS18B20溫度傳感器數(shù)值集中顯示，將兩個(gè)DHT11溫濕度傳感器采集的兩路溫濕度數(shù)值分別整合放在一起顯示，通過數(shù)據(jù)曲線對比進(jìn)行顯示，能夠直觀表達(dá)溫濕度變化幅度。通過控件選板在LabVIEW前面板放置三個(gè)波形圖像曲線控件，分別實(shí)時(shí)顯示一對DS18B20溫度傳感器和一對DHT11溫濕度傳感器的溫濕度數(shù)據(jù)變化幅度。其中一個(gè)波形圖顯示DS18B20傳感器的數(shù)據(jù)，另兩個(gè)波形圖顯示DHT11的兩路溫濕度數(shù)據(jù)變化。再通過控件選板創(chuàng)建兩個(gè)溫度閾值設(shè)定旋鈕，用于設(shè)定調(diào)節(jié)具體溫度。當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)峰值時(shí)，布爾控件指示燈亮，發(fā)出警報(bào)，然后通過控制模塊調(diào)節(jié)啟動風(fēng)扇，使溫度下降。4.1.3后面板程序設(shè)計(jì)圖4.3后面板程序設(shè)計(jì)圖LabVIEW平臺中的后面板就是程序面板，利用函數(shù)選板通過G語言編寫所需要的程序，對前面板起著控制和顯示作用。根據(jù)溫濕度控制系統(tǒng)的要求，通過While循環(huán)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)不斷的收集串口數(shù)據(jù)。同時(shí)采用條件、順序、選擇等結(jié)構(gòu)模塊完成數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換，最后在前面板進(jìn)行顯示。串口寫入模塊程序圖4.4串口寫入程序圖上位機(jī)LabVIEW通過VISA節(jié)點(diǎn)串行端口訪問MSP430，其中使用115200的特定波特率，然后通過Visa向MSP430發(fā)送指令，硬件設(shè)備相應(yīng)地作出響應(yīng)。同時(shí)，MSP430主機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)反饋給到上位機(jī)，上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和處理，并顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集、顯示及控制模塊程序圖4.5數(shù)據(jù)采集程序后面板中的Visa用于讀取發(fā)送到上位機(jī)上相應(yīng)的MSP430數(shù)據(jù)，利用數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊將相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，兩對傳感器在前面板上同時(shí)顯示相應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將溫濕度數(shù)據(jù)分類整合在一起，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對照比與整體化。通過一對DS18B20溫度傳感器所采集的溫度數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)風(fēng)扇，使其溫度調(diào)節(jié)到合適位置。4.2硬件模塊的軟件設(shè)計(jì)4.2.1IARSystems開發(fā)環(huán)境(IDE)嵌入式IAR開發(fā)平臺是由IAR公司開發(fā)的一種集成了文件處理、項(xiàng)目管理、編譯、鏈接和調(diào)試等工具的集成開發(fā)環(huán)境。IAR開發(fā)平臺通常用來開發(fā)8位、16位以及32位處理器的嵌入系統(tǒng)，嵌入式開發(fā)環(huán)境有一個(gè)統(tǒng)一的界面，能夠使開發(fā)平臺簡單易學(xué)，使用時(shí)，要先創(chuàng)建一個(gè)IAR環(huán)境，新建一個(gè)工作區(qū)，然后將已有的文件添加到IARIAR空工程中，進(jìn)行編譯和鏈接，可以使用C/C++特性的編輯器進(jìn)行編程，方便設(shè)計(jì)者采用編輯器和源代碼控制系統(tǒng)，支持第三方軟件調(diào)試，提高設(shè)計(jì)者工作效率節(jié)約工作時(shí)間。4.2.2MSP430F149程序流程圖開始開始等待上位機(jī)發(fā)送指令等待上位機(jī)發(fā)送指令結(jié)束等待上位機(jī)發(fā)送指令根據(jù)上位機(jī)發(fā)送指令，進(jìn)行溫濕度傳感器控制，讀取相應(yīng)溫濕度數(shù)值判斷DS18B20和DHT11的初始化N串口初始化系統(tǒng)初始化結(jié)束等待上位機(jī)發(fā)送指令根據(jù)上位機(jī)發(fā)送指令，進(jìn)行溫濕度傳感器控制，讀取相應(yīng)溫濕度數(shù)值判斷DS18B20和DHT11的初始化N串口初始化系統(tǒng)初始化 圖4.6MSP430F149程序流程圖4.2.3主程序流程圖

開始開始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化等待上位機(jī)LabVIEW通道選擇指令等待上位機(jī)LabVIEW通道選擇指令定時(shí)器開始驅(qū)動溫濕度傳感器DHT11和溫度傳感器DS18B20，然后進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集定時(shí)器開始驅(qū)動溫濕度傳感器DHT11和溫度傳感器DS18B20，然后進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集MSP430F149對溫度和濕度進(jìn)行處理，輸出數(shù)字量MSP430F149對溫度和濕度進(jìn)行處理，輸出數(shù)字量將檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)LabVIEW將檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)LabVIEWNNYYMSP430待機(jī)等待下次發(fā)送MSP430待機(jī)等待下次發(fā)送溫度和濕度是否超限N溫度和濕度是否超限NYY上位機(jī)LabVIEW報(bào)警上位機(jī)LabVIEW報(bào)警結(jié)束結(jié)束圖4.7主程序流程圖如圖4.7所示，接通電源，系統(tǒng)進(jìn)入初始化狀態(tài)，初始化結(jié)束后上位機(jī)LabVIEW開始通道選擇指令，收到指令的兩對傳感器開始采集溫濕度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送給MSP430F149主機(jī)，由MSP430F149進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)接受、處理、傳輸，通過通信串口將數(shù)字量信號傳送給上位機(jī)LabVIEW中，LabVIEW上位機(jī)將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并顯示出結(jié)果。并對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和存儲，當(dāng)布爾控制模塊發(fā)出警示后，結(jié)束溫濕度采集。MSP430的狀態(tài)將進(jìn)入低功耗狀態(tài)運(yùn)行，繼續(xù)等待數(shù)據(jù)傳送。4.2.4傳感器采集子程序流程圖（1）DS18B20溫度傳感器程序流程圖開始開始復(fù)位復(fù)位復(fù)位復(fù)位延時(shí)延時(shí)復(fù)位？延時(shí)復(fù)位？延時(shí)NN復(fù)位？復(fù)位？YNYN匹配ROM匹配ROMYY讀暫存器跳過ROM匹配讀暫存器跳過ROM匹配發(fā)送溫度啟動溫度轉(zhuǎn)換發(fā)送溫度啟動溫度轉(zhuǎn)換結(jié)束結(jié)束圖4.8DS18B20程序流程圖DS18B20溫度傳感器初始化結(jié)束后，還需要等待18ms進(jìn)行判斷復(fù)位是否成功。復(fù)位成功后才可以進(jìn)行相應(yīng)的溫度轉(zhuǎn)換命令。此次執(zhí)行需要跳過ROM后啟動溫度轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，進(jìn)行下一步復(fù)位操作，復(fù)位后對ROM進(jìn)行匹配，同時(shí)讀取暫存器的溫度數(shù)據(jù)，傳輸給單片機(jī)，結(jié)束采集后等待下一步指令。DHT11溫濕度傳感器程序流程圖開始開始總線80μs低電平是否結(jié)束總線80μs低電平是否結(jié)束NN輸出低電平輸出低電平Y(jié)Y總線80μs高電平是否結(jié)束延時(shí)18ms總線80μs高電平是否結(jié)束延時(shí)18msNN輸出高電平輸出高電平Y(jié)YMSP430F149進(jìn)行數(shù)據(jù)接收MSP430F149進(jìn)行數(shù)據(jù)接收延時(shí)40ms延時(shí)40ms保持高電平判斷引腳是否為低電平保持高電平判斷引腳是否為低電平NN結(jié)束結(jié)束YY圖4.9DHT11程序流程圖DHT11溫濕度傳感器運(yùn)行前，需要先進(jìn)入初始化狀態(tài)，延時(shí)40ms后，通過讀取數(shù)據(jù)連接端口，判斷是否為低電平，是則執(zhí)行判斷總線80μs高低電平是否結(jié)束，不是將繼續(xù)返回讀取。當(dāng)高低電平?jīng)]有結(jié)束則繼續(xù)判斷，如果結(jié)束傳感器就會開始溫濕度采集并將數(shù)據(jù)傳輸給MSP430中，采集結(jié)束后傳感器將保持高電平狀態(tài)，等待下一次的指令循環(huán)。5溫濕度控制系統(tǒng)的調(diào)試5.1串口模塊的調(diào)試圖5.1XCOMV2.0軟件的調(diào)試在進(jìn)行串口調(diào)試的時(shí)候，我們采用了XCOMV2.0軟件進(jìn)行調(diào)試工作。連接好整個(gè)系統(tǒng)硬件后，利用RS-232通信串口將單片機(jī)MSP430F149與計(jì)算機(jī)相連接。在接通電源后，打開XCOMV2.0軟件，將波特率數(shù)值設(shè)為115200，選擇十六進(jìn)制數(shù)據(jù)發(fā)送和十六進(jìn)制數(shù)據(jù)發(fā)送，最后打開串口進(jìn)行調(diào)試。通過窗口發(fā)送數(shù)據(jù)01、01、01數(shù)值，當(dāng)窗口有數(shù)值顯示時(shí)，通過程序計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示的監(jiān)測溫度值若正常，則說明串口傳輸正常。如果溫度值錯誤，則需要調(diào)整串口或者檢查傳感器工作是否正常。5.2系統(tǒng)的整體調(diào)試圖5.2基于LabVIEW和嵌入式的溫濕度控制系統(tǒng)的整體調(diào)試當(dāng)虛擬串行模塊工作正常，則將下拉列表設(shè)置為不同的通道位，檢查波形是否顯示對應(yīng)的窗口中。如果溫濕度數(shù)值達(dá)報(bào)警上限，警報(bào)燈亮。如果正常工作說明后面板的程序設(shè)計(jì)模塊工作正常。如果沒能按預(yù)期顯示可以依次檢查程序設(shè)計(jì)、硬件設(shè)施的連接來排除問題，恢復(fù)正常后重復(fù)以上步驟。顯示正常后，通過單片機(jī)MSP430F149把數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)LabVIEW中，通過前面板來實(shí)時(shí)顯示、存儲和超限預(yù)警提示。經(jīng)過觀察前面板的波形圖，進(jìn)行溫濕度數(shù)值對照，通過調(diào)節(jié)相應(yīng)的控制模塊，使環(huán)境到達(dá)預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)論基于LabVIEW和嵌入式的溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本次由于MSP430F149單片機(jī)、兩個(gè)DS18B20溫度傳感器、DHT1兩個(gè)溫濕度傳感器、RS-232通信串口和LabVIEW上位機(jī)組成。主要應(yīng)用于農(nóng)村生產(chǎn)大棚，解決了我國農(nóng)村生產(chǎn)大棚的基本現(xiàn)狀，能夠初步實(shí)現(xiàn)對小型農(nóng)業(yè)大棚的自動化運(yùn)營。對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展有這有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。結(jié)論如下：（1）本次設(shè)計(jì)的基于LabVIEW和嵌入式的溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果，能夠?qū)崿F(xiàn)對所測環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、儲存、顯示、預(yù)警、調(diào)節(jié)溫度等作用。不僅能夠解決我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀，并且可以應(yīng)用到更多檢測等領(lǐng)域，前景十分可觀。（2）在系統(tǒng)工作時(shí)，能夠通過一對是復(fù)合式數(shù)字DHT11溫濕度傳感器和一對是數(shù)字式DS18B20溫度傳感器組成多通道采集模塊，分別對空氣和土壤中溫度和濕度采集，同時(shí)提高測量精準(zhǔn)度。并由MSP430F149單片機(jī)對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、處理和上傳，通過RS-232通信串口上傳給上位機(jī)，并由LabVIEW上位機(jī)模塊進(jìn)行顯示、監(jiān)測和調(diào)節(jié)。當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)峰值時(shí)，布爾控件的警示燈亮，通過風(fēng)機(jī)裝置使環(huán)境恢復(fù)到預(yù)期范圍。本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有操作簡單、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)迅速、性價(jià)比高、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了更好的控制生產(chǎn)大棚中的環(huán)境變化，從而能夠科學(xué)合理的進(jìn)行調(diào)節(jié)。對于本次設(shè)計(jì)的基于LabVIEW和嵌入式的溫濕度控制系統(tǒng)，運(yùn)用了IARSystems軟件開發(fā)環(huán)境，因?yàn)樽约阂郧皼]接觸過這種開發(fā)環(huán)境，遇到了很多五花八門的問題，經(jīng)過老師的輔導(dǎo)和幫助，又查閱了很多的相關(guān)書記，終于順利的完成了本次