工學基于單片機的串口LED漢字顯示技術(shù)

1、南京理工大學畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)作者:孔馨雨學號：0704210105學院(系):電子工程與光電技術(shù)學院專業(yè):電子信息工程題目:基于虛擬儀器技術(shù)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計教授張重雄指導者： (姓名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))評閱者： (姓名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 2011年 5 月畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，果園果樹的栽培已經(jīng)有幾百年的歷史，傳統(tǒng)方式的人工采集費時費力，因此基于虛擬儀器的果園生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)能很好的解決這個問題。本設(shè)計軟件部分主要采用虛擬儀器，數(shù)據(jù)的采集是其軟件的最基本功能。硬件部分在這個課題中是用PROTEUS進行設(shè)計仿真，核心單片機為AT89C51。本篇論

2、文先是對于本課題的背景和意義進行簡要介紹，然后對于硬件設(shè)計部分所用的AT89C51單片機的作用和功能，以及采集電路設(shè)計進行系統(tǒng)的闡述。接著對于軟件部分，介紹一下虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用，遠程監(jiān)測的設(shè)計，以及它的發(fā)展趨勢進行概述。最后，通過軟件硬件的調(diào)試，完成基于虛擬儀器的果園生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。關(guān)鍵詞：虛擬儀器，果園生態(tài)環(huán)境，單片機，遠程監(jiān)測，AT89C51畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要Title The design of detection system about ecological environment of orchard based on VI AbstractAs a lar

3、ge agricultural country, China has a long history which is nearly several hundreds of years on cultivating fruit trees inorchards.The traditional method of acquisition by human istime-consuming and needs efforts, sothe detection system about ecological environment of orchard based on VIcan be a good

4、 solution to this problem.This design mainly use virtual instruments in this part of the design software,and the most basic features of the software are data collection. Also it uses the PROTEUS simulation design, and the core of MCU is AT89C51 in this subject of hardware. Firstly, the paper introdu

5、ces the background and significance of this subject generally. Besides, it illustrates the functions of AT89C51 microcontroller which is used in the design of hardware part, also describes the system of acquisition circuit. In addition, the paper explains the application of virtual instrument techno

6、logy, and the design and overview trends of remote monitoring in the software part. Finally, to complete the design of detection system about ecological environment of orchard based on VIthrough debugging software and hardware.Keywords: virtual instrument, ecological environment of orchard, SCM, rem

7、ote monitoring, AT89C51目次1緒論11. 1選題的背景11. 2選題的意義及發(fā)展現(xiàn)狀11. 3論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排22系統(tǒng)的總設(shè)計方案32. 1系統(tǒng)總設(shè)計要求和設(shè)計思想32. 2系統(tǒng)總設(shè)計方案33前端采集裝置設(shè)計43. 1前端采集裝置各部分設(shè)計思想43. 2溫度采集電路設(shè)計43. 3濕度采集電路設(shè)計63. 4光照采集電路設(shè)計83. 5AT89C51單片機93. 6MAX232103. 7LCD顯示電路113. 8前端采集裝置設(shè)計總電路12前端采集的總電路圖134前端采集裝置的軟件部分144.1前端采集裝置電路設(shè)計的仿真軟件介紹144.2前端采集裝置總流程圖154.3D

8、S18B20軟件編程154.4LCD1602軟件編程175PC終端的軟件設(shè)計225.1虛擬儀器技術(shù)22虛擬儀器的組成22虛擬儀器的優(yōu)點23虛擬儀器的用途及發(fā)展趨勢245.2LabVIEW平臺25的構(gòu)成25特點265.3基于LabVIEW的軟件設(shè)計26串行通信26通信端口介紹27串口的配置和讀取28串行通信顯示數(shù)據(jù)總框圖286系統(tǒng)的調(diào)試306. 1前端采集裝置設(shè)計的調(diào)試306. 2PC終端軟件設(shè)計的調(diào)試30結(jié)論32致謝34參考文獻351 緒論1. 1 選題的背景我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，果樹栽培具有悠久的歷史，早在400多年前，古代勞動人民就開始從事果樹的種植。經(jīng)過歷史的發(fā)展和長期的生產(chǎn)實踐，我國果

9、樹的品種日趨豐富，由于果樹具有良好的生態(tài)效益經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，果樹的培養(yǎng)和種植也越來越受到人們的重視1。對于現(xiàn)今科技的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的科技化也成為了必然趨勢，因此對于傳統(tǒng)費時費力的人工方式進行果園數(shù)據(jù)的采集，將逐漸被科技化的方式所取代。應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高科技信息技術(shù)主要是由計算機信息的存儲和處理以及各種新型的軟件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信多媒體技術(shù)智能控制系統(tǒng)等方面的綜合應(yīng)用所組成的。美國，荷蘭等發(fā)達國家在80年代初期和中期就已經(jīng)開始利用現(xiàn)代化進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，比如機械灌溉，溫室種植蔬菜水果，試管培養(yǎng)新品種等2。我國雖然農(nóng)業(yè)科技的起步較之許多國家都比較晚，但是發(fā)展速度十分迅速，尤其是近些年來，科技已經(jīng)逐步

10、走進了我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的生活中。因此，我所選擇的基于虛擬儀器的果園生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)這個課題，也是對于果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)完善的科技化創(chuàng)新項目。在現(xiàn)代化發(fā)展迅猛的社會經(jīng)濟中，農(nóng)業(yè)科技化，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)成為人們對于農(nóng)業(yè)發(fā)展的訴求。而在果園的生態(tài)環(huán)境中，對于應(yīng)用計算機虛擬儀器進行遠程監(jiān)測正是順應(yīng)了發(fā)展的趨勢。虛擬儀器是伴隨著20世紀90年代，計算機技術(shù)發(fā)展越來越純熟而逐步發(fā)展起來的較為新型的一門技術(shù)。它是把計算機的硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，儀器以及通信技術(shù)結(jié)合起來的一個綜合性產(chǎn)物。雖然是新興學科，可是它在測量，分析，計算，顯示等方面操作的便捷和實用性上具有極大的優(yōu)勢，這些優(yōu)點對農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，有極大

11、的推動性作用，也因此同時被廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)。我所研究的選題，選用虛擬儀器進行顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，也是基于對它這些優(yōu)勢的考量。1. 2 選題的意義及發(fā)展現(xiàn)狀果樹的栽培技術(shù)，在我國發(fā)展的越來越成熟，水果不僅種類越來越多，質(zhì)量和產(chǎn)量也呈現(xiàn)直線增長的趨勢。作為農(nóng)業(yè)中比例非常重要的果園果樹業(yè)，在我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟生產(chǎn)總值中，占據(jù)著不容小覷的比例，同時我國的果園數(shù)量和果樹的年產(chǎn)量也居于世界的首位，相較于許多農(nóng)業(yè)機械化水平遠遠高于我國的發(fā)達國家，我國的果樹栽培在許多方面都有著先天性的優(yōu)勢，目前果園果樹的培養(yǎng)已經(jīng)成為我國種植業(yè)中，繼糧食和蔬菜后的第三大產(chǎn)業(yè)。因此，對于推進我國果樹行業(yè)的發(fā)展，提高果樹栽培的成功率，增加

12、果樹的產(chǎn)量等各個方面，我們都應(yīng)該不遺余力。在對于果樹的培養(yǎng)過程中，溫度濕度光照對于其生長具有非常重要的影響，尤其是在現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用的溫室和塑料大棚這兩種環(huán)境中。在過去，人們總是通過自己每天的采集以及工作經(jīng)驗，對于這些影響果園果樹生長的因素進行分析記載用于對于果園的管理。這種管理方式雖然經(jīng)歷了漫長的歷史不斷進行完善，但對于現(xiàn)今這個高速發(fā)展的時代，依舊不是最佳的選擇。隨著科技的發(fā)展和進步，人們越來越多的考慮應(yīng)用科技的力量，去更完美的完成一些工作，而對于果園的生態(tài)環(huán)境，我們可以用計算機進行遠程監(jiān)測和管理，這樣不僅節(jié)省了大量的人力資源，很大程度上降低了果園果樹栽培的成本，而且也能盡量避免人為因素和主觀

13、因素對于環(huán)境因素監(jiān)測造成的誤差，從而達到更準確更有實效性的完成對果園環(huán)境的科學化監(jiān)測。1. 3 論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排本文首先介紹了果樹栽培在我國有著悠久的歷史且存在著巨大的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益，傳統(tǒng)果園采用人工方式采集環(huán)境數(shù)據(jù)的方法費事費力，從而引出本課題基于虛擬儀器的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。其次簡要介紹虛擬儀器技術(shù)及其開發(fā)平臺LabVIEW，詳細闡述基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)對果園生態(tài)環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)設(shè)計原理和實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)中的硬件電路的設(shè)計采用AT89C51及傳感器來實現(xiàn)，因此對于單片機、傳感器及AT89C51也做出了必要的說明，之后通過串口進行數(shù)據(jù)傳遞，實現(xiàn)了果園生態(tài)環(huán)

14、境信息的監(jiān)測采集，為果園生產(chǎn)管理提供及時準確的園區(qū)信息。文章的第2章介紹系統(tǒng)的總的設(shè)計方案和設(shè)計思想；第3章主要對前端采集裝置電路各個部分進行詳細的介紹，并最終得到前端采集裝置的總設(shè)計圖;第4章對前端采集裝置電路中需要使用的軟件部分進行分析；第5章就是PC終端基于虛擬儀器的軟件設(shè)計；第6章則是對系統(tǒng)進行調(diào)試。2 系統(tǒng)的總設(shè)計方案2. 1 系統(tǒng)總設(shè)計要求和設(shè)計思想基于虛擬儀器的果園生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的監(jiān)測這個課題中，溫度的范圍要求是-50150，濕度的要求范圍是0100%，光照強度的要求范圍是從0200Klax，對于數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)本課題中以單片機AT89C51為主進行設(shè)計，終端程序采用LabVIEW進

15、行圖形化語言的編程，采集器和終端管理PC機采用的是串行接口進行連接，最終達到在LabVIEW上準確的顯示出光照溫度濕度等環(huán)境因素的實時采集數(shù)值。2. 2 系統(tǒng)總設(shè)計方案本課題通過傳感器對果園進行生態(tài)環(huán)境參數(shù)的采集，將所采集到的模擬數(shù)據(jù)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后傳送到單片機，并通過單片機進行實時處理，接著經(jīng)過串行接口把分析處理過的數(shù)據(jù)送給計算機，計算機終端使用LabVIEW設(shè)計出顯示窗口，能夠及時的顯示出串行接口發(fā)送來的數(shù)據(jù)。所以本課題是基于虛擬儀器技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機技術(shù)這三大技術(shù)，主要以計算機作為核心對于果園生態(tài)環(huán)境中溫度、濕度、光照這些因素實行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，從而來達到對于果園生態(tài)環(huán)境的智能化

16、管理和監(jiān)測。如圖2.1所示為系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。調(diào)理電路前端采集裝置串行通信虛擬儀器顯示PC終端果 園 環(huán) 境單片機C51A/D轉(zhuǎn)換光照傳感器濕度傳感器溫度傳感器圖2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖3 前端采集裝置設(shè)計本課題中硬件電路的設(shè)計要求是要用AT89C51單片機為主要設(shè)計芯片，采集數(shù)據(jù)主要利用傳感器完成。傳感器包括溫度、濕度、光照傳感器等，能夠?qū)崟r采集溫濕度、光照等信號，并轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號3。對影響果園果樹生長的環(huán)境因素采集范圍的要求：溫度的范圍是：50150，根據(jù)此要求選用DS18B20溫度傳感器；濕度的范圍是：0100%，因此選用濕度傳感器HS1101；光照的范圍：0200KLax，本設(shè)計

17、中選擇光敏電阻進行設(shè)計。3. 1 前端采集裝置各部分設(shè)計思想對于整個系統(tǒng)來說，硬件設(shè)計是基礎(chǔ)，因此需要考慮到很多方面的要求，用以達到實現(xiàn)這個設(shè)計的基本功能。具體主要需要考慮的因素有如下幾個：系統(tǒng)的穩(wěn)定程度；器件本身的通用性；軟件編程是否容易實現(xiàn)；系統(tǒng)在其他方面的功能和性能指標。由此可以看出，硬件電路設(shè)計用于對影響果樹生長的光照溫度濕度因素的數(shù)據(jù)采集，對于整個課題的順利實現(xiàn)有著至關(guān)重要的作用，下面就開始從每個功能模塊的設(shè)計和實現(xiàn)上來逐個的對其進行細致的分析和探討。3. 2 溫度采集電路設(shè)計在對于溫度的采集電路中，本文主要采用DS18B20單總線數(shù)字式溫度計進行設(shè)計，單總線指的就是將地址線控制線和

18、數(shù)據(jù)線合成為一根信號線，在這根信號線上可以連接多個器件，在適當?shù)臅r間任何一個器件都可以驅(qū)動該根總線。DS18B20是一種新型數(shù)字式集成溫度傳感器，它只有唯一的一個數(shù)據(jù)輸入/輸出口，使用起來非常方便，也正因為這個原因被廣泛的應(yīng)用于測量溫度。本課題選擇DS18B20是因為它符合該選題中溫度的采集范圍從-55到+125且精度+0.5這個要求，因為任何一個DS18B20都有唯一的一個64位序列碼，這就使它允許任何數(shù)量的DS18B20同時連接在同一個單線總線上，也可在一根總線上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。此外，DS18B20不需要外部電源，可以直接從數(shù)據(jù)線上獲取供電。如圖3.1所示為DS18B20引腳圖，表3.

19、1為DS18B20引腳功能表。圖3.1 DS18B20引腳圖表3.1 DS18B20引腳功能8引腳SOIC封裝TO-9封裝符號說明51GND接地42DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。對于單線操作：漏極開路。當工作在寄生電源模式的時候用來提供電源。33VDD可選的VDD引腳。工作于寄生電源模式時，VDD必須接地。注釋：所有上表未提及的連接都無連接電路中采用DS18B20測量溫度，輸出的為全數(shù)字化信號。這種全數(shù)字化信號可以免去使用傳統(tǒng)測量溫度方法時的很多外圍電路，因此更便于單片機對輸入的信號進行處理和控制。該芯片最大的優(yōu)點就是用單總線進行數(shù)據(jù)的傳輸，所以它能直接與計算機連接，并且可以直接輸出溫度。本系統(tǒng)是利

20、用AT89C51單片機對其進行溫度數(shù)據(jù)的實時采集，再與LCD一起實現(xiàn)對溫度的顯示，從而實現(xiàn)了溫度的快速采集顯示需求。圖3.2為DS18B20溫度采集電路。圖3.2 DS18B20溫度采集電路3. 3 濕度采集電路設(shè)計濕度的采集電路選用濕度傳感器HS1101進行電路的設(shè)計。HS1101傳感器在設(shè)計電路中的作用相當于一個電容器件，該電容器件的數(shù)值隨著濕度的增大而增大。它符合所需要的濕度范圍：0100%的要求，具有快速的反映時間，HS1101濕度受溫度影響變化非常的小，具有長時間的穩(wěn)定和高度的可靠性，在標準環(huán)境下不需要進行任何校正，長時間的飽和情況下能快速的脫濕，因此對于選擇它進行電路設(shè)計非常合適。

21、如圖3.3為HS1101實物圖，表3.2為HS1101常用參數(shù)表。圖3.3 HS1101實物圖表3.2 HS1101常用參數(shù)表參數(shù)符號參數(shù)值單位工作溫度Ta40100°C儲存溫度Tstg40125°C供電電壓Vs10Vac濕度范圍RH0100%RH焊接時間t10S濕度采集電路設(shè)計的主導思想是將HS1101放在555振蕩電路中，微波處理器直接采集電路中的電容值變換，并將其轉(zhuǎn)換為電壓的頻率信號。芯片555電路中，連接的R4R5與HS1101一起，共同組成一個充電回路。放電回路則由芯片內(nèi)部的晶體管通過引腳7和地端相連短路來實現(xiàn)。引腳2和引腳6相連，引入到片內(nèi)，和片內(nèi)比較器一起組成

22、一個多諧波的振蕩器，引腳3引出后連接的電阻R7是保護電阻，目的在于防止短路，之后連接到AT89C51的P34輸入端。電路中R5相對于R4來說一定要非常小，但是不能太小以至于不能起到該電阻在電路中的作用。HS1101濕度傳感器在整個電路中的作用類似于一個可以變化的電容器，與引腳2和引腳6連接在一起。HS1101的等效電容，在R4和R5的作用下充電達到上限電壓（此時的時間記作T1），達到上限電壓時555芯片引腳3的電壓由高電平轉(zhuǎn)換為低電平，接著利用R4進行放電，因為引腳7由于R5內(nèi)部短路接地，因此開始放電并放電到觸發(fā)界線（此時時間記作T2）就停止，這個時候芯片555的引腳3電壓又變?yōu)楦唠娖?。利用?/p>

23、原理，通過兩個不同的電阻對傳感器進行不停的充放過程，并輸出產(chǎn)生的方波波形。圖3.4為濕度采集電路。圖3.4 濕度采集電路對于充電放電的時間，以及最終輸出方波要通過什么樣的方法轉(zhuǎn)換為濕度，這都需要涉及一些計算函數(shù)，通過這些函數(shù)的計算之后，才能轉(zhuǎn)換為我們讀取的濕度數(shù)值。充電放電的時間計算公式分別為：輸出波形的頻率和占空比的計算公式如下：通過上面的公式進行分析可以看出，空氣濕度相對于芯片555的輸出頻率大小之間存在著一定的線性關(guān)系，表格3.3中給出了典型的濕度和頻率之間的關(guān)系，通過采集到555芯片的頻率，然后按照下面的表格進行對照，這樣就能夠通過查表得出其相對濕度的數(shù)值。表3.3為典型頻率濕度關(guān)系表

24、。表3.3 典型頻率濕度關(guān)系RH0102030405060708090100Frequency685267346618650363886271615260295901576656233. 4 光照采集電路設(shè)計光照對于果樹的成長和發(fā)育起著至關(guān)重要的作用。果樹的整個生命周期中，都必須在一定的光照下才能進行生長發(fā)育。對于光照采集的電路設(shè)計中，選用的主要元件為對于光照強度變化具有非常靈敏的感應(yīng)能力的光敏電阻，光敏電阻是一種隨著光照強度的變化，其自身的阻值也會發(fā)生相應(yīng)的變化的電阻器件。本電路設(shè)計中采用的為GL3516光敏電阻，因為它的暗電阻往往超過1M，而亮電阻則在5K10K，因此R6阻值選擇為10K，

25、當其為暗電阻時，電路中光敏電阻遠遠大于R6阻值，采集到的電壓值基本為0可與光照強度0KLax對應(yīng)，當其為亮電阻時，電阻值與R6大小基本相同，此時采集到電壓與200KLax相對應(yīng)。這部分所設(shè)計的電路就是充分利用了光敏電阻的這種特性，當光照強度發(fā)生改變時，阻值隨著光照而變化，從而電路中光敏電阻兩端的電壓也隨之發(fā)生變化，這樣就能通過對于電壓變化的檢測，將電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對于果園中光照強度的采集。本電路的設(shè)計目的在于完成對于果園光照強度的采集，而實際情況中采集到的是電壓值的變化，因此電路中還需要再設(shè)計一個A/D轉(zhuǎn)換電路，選用的A/D轉(zhuǎn)換器就是芯片ADC0832。ADC0832是一種8位分辨

26、率雙通道的A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨率可達到256級，可以實現(xiàn)一般適量的模擬量轉(zhuǎn)換要求，作為單通道模擬信號輸入的時候，ADC0832的輸入電壓為0V到5V，由于本設(shè)計電路預(yù)想情況下輸出的應(yīng)該是檢測到的光照強度，而實現(xiàn)的途徑是通過電阻值的變化引起電壓值發(fā)生變化，并對電壓值進行記錄，因此這個輸出電壓必須通過A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換作用，將輸入的電壓信號最終轉(zhuǎn)換為本課題中要求的光照強度進行輸出。如圖3.5為光照強度的采集電路。圖3.5光照強度的采集電路3. 5 AT89C51單片機AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機4。它是一種低功耗高

27、性能的CMOS 8位微控制器，具有32個可編程的I/O口，2個16位定時/計數(shù)器以及256KB RAM單元，因此它可以不需要額外的擴展EEPROM或者靜態(tài)RAM就可以實現(xiàn)所要求的功能8。從眾多單片機中選用AT89C51作為核心芯片的原因，也是因為它能夠簡化電路提高整個系統(tǒng)的可靠性。AT89C51單片機是整個硬件系統(tǒng)設(shè)計的核心，它除了是協(xié)調(diào)整個電路的控制器之外，還是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理器。 AT89C51芯片中P0口是一個8位的漏極開路的雙向I/O口，它可以用作輸出口，如果它訪問的是外部程序或者數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也可以用作低8位的地址/數(shù)據(jù)復用。P1口是一個8位的內(nèi)部有上拉電阻的雙向I/O口，P

28、1口輸出的緩存器可以用來驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。P2口P3口和P1口的功能基本相同，P3口也具有一些特殊的功能也可稱作其第二功能。表3.4為P3口的特殊功能表。表3.4 P3口的特殊功能端口引腳第二功能P3.0RXD串行輸入端P3.1TXD串行輸出端P3.2INT0外部中斷0P3.3INT1外部中斷1P3.4T0 計時器0P3.5T1 計時器1P3.6WR 外部數(shù)據(jù)存儲寫選通P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲讀選通由于AT89C51內(nèi)部有一個有個高增益反相放大器，引腳XTAL1為該放大器的輸入端，XTAL2為該放大器的輸出端，這個反相放大器和作為反饋元件的石英晶體諧振器，可以構(gòu)成一個自激振蕩器，如圖3

29、.6為單片機C51電路。圖3.6單片機C51電路3. 6 MAX232在單片機中，只要談到串行通信，必然要想到MAX232。MAX232芯片是一個使用+5V單電源供電的標準串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，是常用的一種電平轉(zhuǎn)換芯片，一般被使用在串行通信中。單片機輸出的是TTL或者CMOS電平，而TTL電平或者CMOS電平中規(guī)定的邏輯0電平為0V，邏輯1的電平為+5V，在單片機與計算機的串行通信過程中，輸出電壓的數(shù)值往往高達12V，如果這樣直接與單片機連接的話，非常容易造成芯片的燒毀，所以需要MAX232芯片進行電平的轉(zhuǎn)換。從MAX232的原理上來看，可以將其分為3部分。第一部分是電荷泵，它的主要作

30、用是可以將直流的5V電源轉(zhuǎn)換為±10V的電源，用來滿足TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成所需要的電平。第二部分是將TTL或者CMOS電平轉(zhuǎn)換成RS232電平，在本電路中，將引腳12與AT89C51單片機的串行發(fā)送的端TXD相連，將引腳7與RS232相連接，通過這種方式，實現(xiàn)了從單片機中輸出TTL/CMOS電平，將這個輸出的電平在MAX232內(nèi)進行轉(zhuǎn)換，從而成為所需要的電平。第三部分就是把±10V的RS232電平轉(zhuǎn)換為TTL/CMOS電平。通過上述方法，來完成整個實驗過程中對于電平轉(zhuǎn)換的需求。圖3.7為RS232引腳圖。圖3.7 RS232引腳圖根據(jù)上述的介紹， AT89C51輸出的

31、信號通過MAX232的電平轉(zhuǎn)換作用以達到最終本選題所需要的與計算機連接目的。圖3.8為MAX232電平轉(zhuǎn)換電路。圖3.8 MAX232電平轉(zhuǎn)換電路3. 7 LCD顯示電路對于前面電路中采集到的溫度濕度光照這些數(shù)據(jù)，可以通過在電路中加入一個LCD來實現(xiàn)對于采集數(shù)據(jù)的顯示功能。在本電路的設(shè)計中選用的LCD是LCD1602，之所以沒有選擇傳統(tǒng)的數(shù)碼管，而是選用選擇液晶顯示器的原因就是它的體積非常的小，采用數(shù)字式的接口，功耗很低，能夠顯示的內(nèi)容非常的豐富顯示質(zhì)量也很高，而且非常的輕巧。在現(xiàn)在的日常生活中，其實對于液晶顯示器并不陌生，在許多電子產(chǎn)品中，液晶顯示模塊頻繁的被使用，如計算機電視機電子表等非常

32、多的家用電器中也可以時?？吹剑@些液晶顯示器主要是顯示圖形數(shù)字專用符號等。LCD1602液晶顯示模塊，它的顯示原理是通過電壓對它的顯示區(qū)域進行控制，有電壓就可以顯示出波形或者數(shù)字字符，LCD1602是字符型液晶顯示器的代表。在本電路中LCD1602液晶顯示模塊是可以直接的和單片機AT89C51直接連接在一起，對于輸入AT89C51的數(shù)據(jù)，經(jīng)過編程執(zhí)行，便可以在LCD1602上進行顯示。LCD1602液晶顯示模塊的內(nèi)部控制器中一共有11條控制的指令，它本身也是一個慢顯示的器件，因此在執(zhí)行任何一條指令之前，都必須要確定模塊忙的標志是低電平，即為不忙的狀態(tài)，否則該條指令就無效。要顯示字符必須要編程

33、輸入顯示字符的地址，這樣才能準確的顯示出所需要的數(shù)據(jù)。 LCD1602液晶顯示模塊在于AT89C51連接時，需要一個上拉電阻，上拉電阻的作用是用于增加LCD顯示的亮度，來實現(xiàn)對于ATC89C51輸出信號的顯示功能。圖3.9為LCD1602液晶顯示電路。圖3.9 LCD1602液晶顯示電路3. 8 前端采集裝置設(shè)計總電路系統(tǒng)的硬件設(shè)計最核心的部分就是AT89C51單片機，對于溫度的采集，采用的是傳感器DS18B20，對于濕度的采集，選用的是HS1101濕度傳感器加上一個555組成振蕩電路；最后利用的是光敏電阻然后通過一個A/D轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)對于光照的采集。圖3.10為前端采集裝置總框圖。DS18B

34、20HS1101光敏電阻濕度頻率轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換器單片機AT89C51LCD顯示MAX232圖3.10 前端采集裝置總框圖3.8.1 前端采集的總電路圖將上述介紹的各部分電路連接在一起，便形成前端采集裝置的總電路圖。圖3.11為硬件電路總設(shè)計圖。圖3.11 硬件電路總設(shè)計圖4 前端采集裝置的軟件部分4.1 前端采集裝置電路設(shè)計的仿真軟件介紹本課題中對于硬件電路的設(shè)計部分采用的是Proteus進行電路設(shè)計和仿真，Proteus是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。Proteus軟件主要由四大功能模塊構(gòu)成：智能原理圖設(shè)計(ISIS),其中包括豐富的器件庫，有超過2700種的元器件，智能的器件搜

35、索功能可以通過模糊搜索快速找到所需要的元器件，智能化的連線功能使得作圖的時間大大縮短；完善的電路仿真功能（Prospice），因為其具有大量的仿真器件，豐富的虛擬儀器生動化的仿真顯示，是的電路仿真簡便快捷；獨特的單片機協(xié)同仿真功能（VSM），這個功能支持通用的外設(shè)模型和大部分的主流CPU，能夠?qū)嵭芯幾g調(diào)試和實時仿真；使用的PCB平臺，支持多種輸出格式，更便于滿足不同用戶在不同情況下的需求。除此之外它具有其他EDA工具軟件的功能，例如：原理布圖PCB自動或人工布線SPICE電路仿真等功能，而對于其他工具軟件，它所具有的革命性特點有：可以實現(xiàn)互助的電路仿真；仿真處理器及其外圍電路5。在Proteu

36、s繪制好原理圖后，調(diào)入已經(jīng)編寫好的程序文件夾，就可以在Proteus的原理圖中看到模擬的實物運行狀態(tài)。要看到運行狀態(tài)，就必須調(diào)入編寫好的語言程序文件夾，而針對本課題中使用的核心單片機為AT89C51，編寫程序便可采用KEIL軟件完成。在單片機的開發(fā)和使用上，除了必不可少的硬件之外，軟件也是十分必要的。匯編語言程序成為CPU可以執(zhí)行的機器碼有兩種方法，手工匯編是一種非常古老的匯編方式，這種方法耗時費力，因此現(xiàn)在極少使用，目前主要采用的就是機器匯編。KEIL C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，且其生成的目標代碼頻率非常高，易于理解學習起來也比較簡單方便6。程序編寫完成后通過K

37、EIL對于各個部分的檢測也很容易發(fā)現(xiàn)語言編程時產(chǎn)生的錯誤，以便于及時進行修改改正。在本課題中，對于單片機AT89C51處理和控制的溫度，濕度等因素進行語言編程，使其能在Proteus仿真時進行程序文件夾的調(diào)用， KEIL軟件是個非常有益的選擇。4.2 前端采集裝置總流程圖對于由溫度傳感器DS18B20濕度傳感器HS1101光敏電阻構(gòu)成的對于溫度濕度光照因素進行采集的前端采集裝置電路，經(jīng)過單片機AT89C51的處理和分析，準確的采集到上述環(huán)境因素的實時數(shù)據(jù)，把采集到的數(shù)據(jù)進行適當轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)輸出到PC終端進行顯示。圖4.1為前端采集裝置總流程圖。開始溫度濕度光照的循環(huán)采集數(shù)據(jù)處理顯示檢測結(jié)果串

38、行發(fā)送檢測結(jié)果系統(tǒng)初始化圖4.1 前端采集裝置總流程圖4.3 DS18B20軟件編程對于DS18B20組成的溫度采集電路在AT89C51的控制下，最終能在LCD顯示溫度，必須進行溫度采集語言的編寫，用C語言編寫的程序輸入KEIL軟件，在KEIL軟件中進行運行檢測，并最終生成正確的調(diào)用程序，將生成的正確程序建立文件夾，然后在用Proteus軟件仿真時，單片機AT89C51進行程序的調(diào)用。編寫的程序的主要功能在于對于DS18B20所采集到的實時溫度進行適當?shù)霓D(zhuǎn)換處理和讀取，并顯示出采集到的實時溫度的數(shù)值。如圖4.2為DS18B20采集溫度的流程圖。向總線發(fā)復位脈沖發(fā)讀ROM命令讀入8字節(jié)序列號并保

39、存發(fā)送跳過ROM指令發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令復位DS18B20發(fā)送跳過ROM指令發(fā)送暫存器指令讀溫度值初始化DS18B20轉(zhuǎn)換完畢？開始返回YESNO圖4.2 DS18B20采集溫度流程圖用芯片DS18B20進行溫度采集的讀入和寫出，以及對于它的初始化用匯編語言進行編程的程序如下。void delay_18B20(unsigned int i)/延時1微秒   while(i-);void ds1820rst()/ds1820復位 unsigned char x=0;DQ = 1;        

40、60; /DQ復位delay_18B20(4); /延時DQ = 0;          /DQ拉低delay_18B20(100); /精確延時大于480usDQ = 1;          /拉高delay_18B20(40);       uchar ds1820rd()/讀數(shù)據(jù) unsigned char i=0;unsigned char dat = 0;for (i

41、=8;i>0;i-)   DQ = 0; /給脈    dat>>=1;沖信號    DQ = 1; /給脈沖信號    if(DQ)    dat|=0x80;    delay_18B20(10);   return(dat);void ds1820wr(uchar wdata)/寫數(shù)據(jù)unsigned char i=0;    for (i=8; i&g

42、t;0; i-)   DQ = 0;     DQ = wdata&0x01;     delay_18B20(10);     DQ = 1;     wdata>>=1;   read_temp()/讀取溫度值并轉(zhuǎn)換uchar a,b;ds1820rst();    ds1820wr(0xcc); /跳過讀序列號ds1820wr(0x44);/

43、啟動溫度轉(zhuǎn)換ds1820rst();    ds1820wr(0xcc);/跳過讀序列號ds1820wr(0xbe);/讀取溫度a=ds1820rd();b=ds1820rd();tvalue=b;tvalue<<=8;tvalue=tvalue|a;    if(tvalue<0x0fff)   tflag=0;    else   tvalue=tvalue+1;tflag=1;   tvalue=tvalue*(0.625

44、);/溫度值擴大10倍，精確到1位小數(shù)return(tvalue);4.4 LCD1602軟件編程對于AT89C51采集到的光照濕度溫度等環(huán)境因素的數(shù)據(jù)，想要在LCD1602液晶顯示模塊上進行顯示的話，需要通過KEIL進行編程，圖4.3為LCD1602顯示流程圖。初始化LCD延時設(shè)置第一行顯示位置顯示第一行內(nèi)容設(shè)置第二行顯示位置顯示第二行內(nèi)容開始返回圖4.3LCD1602顯示流程圖LCD1602要將DS18B20中的溫度數(shù)據(jù)進行顯示，必須要對LCD1602進行芯片的初始化和溫度顯示符號數(shù)位等進行編程，其程序分別如下面所示。首先是對于LCD1602進行初始化的程序。void delay1ms(u

45、nsigned int ms)/延時1毫秒（不夠精確的）unsigned int i,j;   for(i=0;i<ms;i+)    for(j=0;j<100;j+);void wr_com(unsigned char com)/寫指令/ delay1ms(1);   RS=0;   RW=0;   EN=0;   P0=com;   delay1ms(1);   EN=1;   delay

46、1ms(1);   EN=0;void wr_dat(unsigned char dat)/寫數(shù)據(jù)/ delay1ms(1);   RS=1;   RW=0;   EN=0;   P0=dat;   delay1ms(1);   EN=1;   delay1ms(1);   EN=0;void lcd_init()/初始化設(shè)置/delay1ms(15);wr_com(0x38);delay1ms(5); &

47、#160; wr_com(0x08);delay1ms(5);    wr_com(0x01);delay1ms(5);     wr_com(0x06);delay1ms(5);      wr_com(0x0c);delay1ms(5);void display(unsigned char *p)/顯示/while(*p!='0')wr_dat(*p);p+;delay1ms(1);init_play()/初始化顯示 lcd_init();wr_com(0

48、x80);display(str1);wr_com(0xc0);display(str2);  下面是對于LCD1602顯示溫度數(shù)值的編程。void ds1820disp()/溫度值顯示 uchar flagdat;   disdata0=tvalue/1000+0x30;/百位數(shù)     disdata1=tvalue%1000/100+0x30;/十位數(shù)     disdata2=tvalue%100/10+0x30;/個位數(shù)     dis

49、data3=tvalue%10+0x30;/小數(shù)位         if(tflag=0)     flagdat=0x20;/正溫度不顯示符號     else       flagdat=0x2d;/負溫度顯示負號:-     if(disdata0=0x30)    disdata0=0x20;/如果百位為0，不

50、顯示   if(disdata1=0x30)    disdata1=0x20;/如果百位為0，十位為0也不顯示       wr_com(0xc0);   wr_dat(flagdat);/顯示符號位    wr_com(0xc1);    wr_dat(disdata0);/顯示百位    wr_com(0xc2);    wr_dat(disdata1

51、);/顯示十位     wr_com(0xc3);    wr_dat(disdata2);/顯示個位     wr_com(0xc4);    wr_dat(0x2e);/顯示小數(shù)點     wr_com(0xc5);    wr_dat(disdata3);/顯示小數(shù)位 5 PC終端的軟件設(shè)計PC終端對前端采集裝置采集到的數(shù)據(jù)進行顯示的設(shè)計，主要是基于虛擬儀器來實現(xiàn)。具體方法是經(jīng)過單片機進行對數(shù)據(jù)的實時處理，并通

52、過串行接口將數(shù)據(jù)傳送給PC機，PC機利用虛擬儀器技術(shù)，以LabVIEW為開發(fā)平臺，來設(shè)計一個將采集數(shù)據(jù)進行顯示的程序。5.1 虛擬儀器技術(shù)虛擬儀器是利用計算機顯示器的顯示功能模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達輸出檢測結(jié)果，利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算分析處理，有I/O接口完成信號的采集測量和調(diào)理7。虛擬儀器具有數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果輸出顯示三大基本功能，而數(shù)據(jù)的實時自動采集是最基本的功能。由于虛擬儀器可有根據(jù)用戶自己的需求進行自定義設(shè)計其測試功能，所以構(gòu)建非常簡單靈活，廣泛的應(yīng)用于各個行業(yè)。虛擬儀器作為一種新型的儀器，充分的利用計算機技術(shù)，用以實現(xiàn)和擴展完成傳統(tǒng)儀器的功能，

53、因為方便簡單，且耗能較低，所以近幾年在我國快速的發(fā)展。5.1.1 虛擬儀器的組成虛擬儀器的組成有硬件和軟件兩部分組成。核心部件還是計算機，其中硬件模塊是用來采集數(shù)據(jù)或者傳遞信號，例如各種傳感器插入式的數(shù)據(jù)采集卡信號調(diào)理器等。通過通用的接口總線如GPIB通用接口總線USB通用串行總線RS232串行總線VXI總線和PXI總線，可以將虛擬儀器與這些總線接口相連成為一個虛擬儀器的自動測試系統(tǒng)。軟件部分主要也有3部分組成：VISA庫（即為I/O接口軟件）儀器驅(qū)動程序以及應(yīng)用軟件的開發(fā)環(huán)境。VISA庫應(yīng)用于儀器編程的標準I/O函數(shù)庫以及相關(guān)規(guī)范的總稱，一般稱這個I/O函數(shù)庫為VISA庫。VISA庫駐留在計

54、算機之中，作為計算機和儀器之間的軟件層連接，用以實現(xiàn)對儀器的遠程控制。儀器驅(qū)動程序則主要用于完成儀器硬件的通信以及控制功能，是虛擬儀器實現(xiàn)對真實物理信號采集的基礎(chǔ)。虛擬儀器的應(yīng)用程序也有常用的開發(fā)環(huán)境，最主要的兩種方式：一種是基于傳統(tǒng)文本語言的軟件開發(fā)環(huán)境，例如LabWindows/CVI,VB,VC+等：另外一種是基于圖形化語言的軟件開發(fā)環(huán)境，例如LabVIEWDASPHP-VEE8。LabVIEW在這三個平臺中屬于影響力較大且在國內(nèi)外都有大量用戶的一個虛擬儀器開發(fā)平臺，能夠滿足各種客戶的需求。DASP則是一個直接面向最終的客戶的虛擬儀器庫，不需要再進行多余的編程，可以直接使用，因此使用起來

55、非常方便，精度也很高，但是對于用戶的需要有一定的局限性，不能滿足各種用戶的要求。對于本次課題中軟件的平臺選用LabVIEW進行設(shè)計，因為它是一個非常理想的程序設(shè)計和虛擬儀器的開發(fā)平臺，它具有的對于信號的采集數(shù)據(jù)的分析和顯示功能與我所需要的相符合，也能在一定程度上簡化對于程序的設(shè)計。如圖4.4為虛擬儀器的開發(fā)框圖。圖4.4 虛擬儀器的開發(fā)框圖5.1.2 虛擬儀器的優(yōu)點虛擬儀器并非普通物理意義上的儀器，它是一種功能意義上的儀器，通過硬件接口和儀器的驅(qū)動設(shè)備將信號采集分析和處理結(jié)合成一體，來實現(xiàn)和測量設(shè)備的硬件通信，將信號的分析顯示存儲打印和其他管理交給計算機來處理。綜上所述，在程序的智能化處理能力

56、性價比可操作性和實用性等方面相對于傳統(tǒng)儀器都具有明顯的優(yōu)勢。軟件作為虛擬儀器的核心，由軟件代替了傳統(tǒng)儀器中的硬件，以此來完成硬件功能，同時可以根據(jù)每個用戶的不同需求和不同方面的應(yīng)用，自己去定義各種功能，設(shè)計出不同的顯示界面，而且具有圖形化的用戶界面，操作起來非常簡單。這種通過計算機進行軟件處理，使得儀器的操作變得更加直觀方便容易理解，測試的結(jié)果可以直接輸入數(shù)據(jù)庫，也可以通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，完成之后還可以進行顯示，可操作性得到了大大的提升。因為虛擬儀器的軟件開發(fā)中，其設(shè)計思想是盡可能的模塊化，并且存在有大量的庫函數(shù)動態(tài)鏈接庫和類庫，因此代碼也具有良好的可重復性。在現(xiàn)實意義上，虛擬儀器縮短了開發(fā)的周

57、期，因為核心技術(shù)在于計算機上進行操作，維護也很方便，而且相較于傳統(tǒng)意義上的硬件器件，在很大程度上節(jié)約了成本，對于科研中的創(chuàng)新理論或者計算方法，更易于在虛擬儀器上進行應(yīng)用，可以更加便捷的來驗證這些理論的正確性。表4.1為虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較表。表4.1虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較虛擬儀器傳統(tǒng)儀器儀器功能用戶能夠自己設(shè)計并且定義儀器的功能，非常靈活只有廠商能夠定義一起的功能，因此儀器的功能較單一結(jié)構(gòu)的開放性開放式的結(jié)構(gòu)，有非常多廠家支持，可以和計算機保持同步封閉固定兼容性差操作界面圖形化的界面，操作十分簡單顯示功能單一，操作不方便互聯(lián)性能可以和網(wǎng)絡(luò)及其他設(shè)備方便互聯(lián)互聯(lián)有限的獨立設(shè)備技術(shù)更新周期短長

58、成本平均成本低，資源可重復利用價格昂貴，一般無法重復使用開發(fā)維護費用低高系統(tǒng)升級只要是軟件升級，方便快捷只要是硬件，升級成本高5.1.3 虛擬儀器的用途及發(fā)展趨勢虛擬儀器作為計算機的一個非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域，在許多高尖端的科學技術(shù)中都有應(yīng)用，相較傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器的出現(xiàn)大大的縮短了新型儀器的開發(fā)周期，節(jié)約了大量成本，也正因為如此對于它的研發(fā)有著重大深遠的意義。圖4.5為測量儀器的發(fā)展圖。模擬儀器電子儀器數(shù)字儀器智能儀器虛擬儀器19世紀五十年代20世紀七十年代九十年代圖4.5 測量儀器的發(fā)展圖許多發(fā)達國家，虛擬儀器起步的比較早，在設(shè)計和生產(chǎn)以及使用方面十分普及。美國的農(nóng)民，很早之前就利用虛擬儀器開

59、發(fā)出一套自動灌溉技術(shù)，用以監(jiān)控灌溉的用水量，有效的降低所消耗的費用；挪威研發(fā)的基于LabVIEW平臺對海洋石油，大氣層變化和水流進行測試的系統(tǒng)也已經(jīng)投入使用，這對于本課題的研究都是很好的樣本。我國虛擬儀器的發(fā)展起步比較晚，但是隨著人們意識到它的實用性能之后，它應(yīng)用于航空航天汽車醫(yī)療教育科技等領(lǐng)域的增長速度越來越快。隨著我國計算機技術(shù)水平網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和儀器技術(shù)的不斷完善，相信在不久的將來，虛擬儀器技術(shù)會有更廣闊的應(yīng)用前景。5.2 LabVIEW平臺LabVIEW是NI公司推出的具有革命性的圖形化虛擬儀器設(shè)計平臺，它的內(nèi)置信號采集測量分析以及數(shù)據(jù)顯示功能，摒棄了傳統(tǒng)的開發(fā)工具的復雜性，不僅提供了強大的測控功能，還能保持系統(tǒng)靈活性，也正因為有如此多的優(yōu)點，使其成為許多科學家們進行儀器開發(fā)和測控的首選應(yīng)用工具。5.2.1 Lab