虚拟温湿度监测系统的设计

谢 檬，张安莉

（西安交通大学 城市学院，陕西 西安 710018）

传统方法测量温湿度多以热电阻和热电偶等温度敏感元件，但都存在可靠性差，准确度和精度低的缺点[1]。本设计采用VI界面，在单片机平台上完成对温度和湿度的实时测量。在系统的硬件方案设计中，采用带有A/D转换功能的DHT11温湿度传感器直接输出的数字信号，通过单总线方式与下位机单片机通信，最后通过RS232串行接口将湿度及温度的数据送至上位机由LabVIEW处理分析和显示报警等[2]。软件设计中，在LabVIEW软件平台上采用G语言编写运行程序，模块化的编程使得程序具有可读性强、易于维护和方便升级的特点[3]。该系统包含温湿度仿真模式、温湿度实时设置与显示模式、历史数据记录及历史数据回读模式等功能块，可实现温湿度设定值的实时设置、温湿度超标的实时报警、温湿度曲线的实时监测、系统工作状态的实时监测、历史测控数据记录及回读等。

图1 温湿度监测系统结构图Fig.1 Temperature and humiditymonitoring system structure diagram

1 虚拟仪器测试系统的总体设计

基于LabVIEW的温湿度控制系统设计包含以下部分：控制对象建模、数据采集、数据传输、数据处理、信号输出接口电路设计及其他附属功能的设计。本设计采用虚拟仪器技术搭建基于LabVIEW软件开发平台设计的温湿度监测系统结构图如图1所示。

各环节功能说明如下：

传感器DHT11：采集待测的温湿度信号并将其直接转换为数字信号。

数据传输：将传感器输出的数字信号通过单总线方式传入单片机。

89C51单片机：对信号进行分析处理，并将其传入上位机。

LabVIEW虚拟仪器：对数字信号进行转换，显示结果，超限报警等。

该系统数控部分采用89C51系列单片机控制，89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。

2 温湿度监测系统的硬件电路设计

2.1 系统硬件设计结构框图

基于LabVIEW的温湿度监测系统硬件设计结构框图如图2所示。它主要由传感器DHT11，单片机AT89C51最小系统，通信总线部分组成。

图2 温湿度监测系统硬件设计结构框图Fig.2 Temperature and humidity monitoring system structure diagram of hardware design

多路温湿度采集采用单总线温湿度采集系统，单片机的I/O口线作为总线挂接多个数字温湿度传感器DHT11，总线处高电平时，为DHT1提供电源。单片机通过巡回检测，获取各测温点温度，存储在数据存储卡上，通过通信接口送上位机，同时可送LabVIEW软件界面显示，温湿度超限时驱动报警。

2.2 温湿度传感器DHT11采集流程图

对多个DHT11进行操作就能实现对温湿度的采集，DHT11的操作主要有以下几个步骤：初始化，搜索DHT11，匹配DHT11，发送温湿度转换指令，读取温湿度值，如图3所示。

图3 温湿度传感器DHT11采集流程图Fig.3 Temperature and humidity sensor DHT11 acquisition process

2.3 DHT11传感器与下位机的通信过程

DHT11传感器是通过单总线协议和下位机进行数据通信。DHT11传感器需要严格的读写协议来确保数据的完整性。整个读写分为，上位机发送起始信号，上位机接收下位机发来的握手响应信号，读“0”，和读“1”4个步骤。所有的信号除主机启动复位信号外，全部都由DHT11产生。通过单总线访问DHT11顺序归纳如下：

1）主机发开始信号；2）主机等待接收DHT11响应信号；3）主机连续接收40Bit的数据和校验和；4）数据处理。

传感器数据输出的是未编码的二进制数据。数据（湿度、温度、整数、小数）之间应该分开处理。如果某次从传感器中读取如下5Byte数据，如表1所示。

表1 读取的数据Tab.1 Read data

由以上数据就可得到湿度和温度的值，计算方法：

humi（湿度）=byte4.byte3=45.0 （%RH）

temp（温度）=byte2.byte1=28.0 （℃）

jiaoyan（校验）=byte4+byte3+byte2+byte1=73

3 温湿度监测系统的软件设计

3.1 系统软件前面板设计

如图4所示，前面板主要包括波形显示窗口、当前时间窗口、4个温度报警上下限窗口、4个湿度报警上下限窗口、8个报警指示灯、1个温度仿真数据输入窗口、1个湿度仿真数据输入窗口、1个模式选择窗口以及退出按扭。

图4 系统软件前面板Fig.4 System software front panel

软件主要实现波形实时显示，采集模式、仿真模式、回放模式的切换，采集参数设置，仿真参数设置，报警界线设置等。在采集模式下可以实现数据的采集、显示和同步保存。仿真模式下可以根据设置的仿真参数仿真出相应波形。回放模式可以回放历史实验数据。

3.2 程序主要模块

3.2.1 数据回放子程序

数据回放子程序程序的作用是对仿真模式和采集模式所产生的数据进行查看，以及对其处理。回放模式主要实现历史数据的显示和分析，显示主要分为波形显示和表格显示两种方式，可以查询指定时间段内的记录，并分别计算出这些记录的平均值等信息。数据回放模式程序框图完成读取xls数据文件然后按列进行处理计算出各列的平均值。

3.2.2 数据采集子程序

数据采集子程序是利用LabVIEW中的VISA串口采集由下位机传入的数据，数据采集模式主要是通过VISA串口获得由下位机通过温湿度传感器传入的数据，然后经过数据记录与分析等等。

3.2.3 温湿度报警子程序

温度报警子程序模块实时判断各个通道当前采集的数据是否在设定的范围之内，当超出范围时报警灯会亮起。同时case结构执行条件满足，执行case内的控件，完成当前超范围数据的保存。

4 系统的调试与测试

4.1 数据仿真模式的测试

在仿真模式下可以设定八个通道的温湿度报警上下限，然后分别输入温湿度仿真数据的幅值，点击运行，如果输入的数值超过所设8个通道的温湿度报警上下限，则报警指示灯会闪烁，如图5所示。

图5 数据仿真模式前面板Fig.5 Simulationmode of the front panel data

仿真模式主要实现根据设定的仿真参数，模拟出相应的波形并显示在波形图显示窗口，同时自动把对应的仿真数据实时保存在指定的数据文件。

如图所示，设定温度1、2、3、4的报警上下限分别是40与 0，设定湿度 1、2、3、4的报警上下限分别是 80与 0，然后设置温度仿真数据幅值为40，湿度仿真数据幅值为100，然后点击运行，产生的随机数中就会包含0-100的随机数，当产生的随机数超过所设的报警上下限时，报警灯就会闪烁。

4.2 数据回放模式的测试

数据回放模式主要是对仿真模式和采集模式所产生的数据进行查看，如图6所示，可以设定时间A和时间B，然后点击查询，即可看到之前产生的数据以表格形式展现出来。

图6 数据回放模式前面板Fig.6 Front panel data playback mode

数据回放模式可以方便地查看历史实验数据，并作简单的统计分析。同时，可以按时间段查询历史记录，并以表格或者波形图的形式显示出来。此外，还可以计算出各参数在查询的时间段内的平均值。

4.3 数据采集模式的测试

数据采集模式主要是对传感器通过单片机传入的数据进行波形显示，如图7所示，若被监测的数据超过预设的报警值，报警灯则会闪烁报警。其中，上面的曲线为湿度，下面的曲线为温度。

图7 数据采集模式前面板Fig.7 Front panel of data acquisitionmode

5 结束语

文中设计的基于LabVIEW的温湿度监测系统包含温湿度仿真模式、温湿度实时设置与显示模式、历史数据记录及历史数据回读模式等功能块，可实现温湿度设定值的实时设置、温湿度超标的实时报警、温湿度曲线的实时监测、系统工作状态的实时监测、历史测控数据记录及回读等。该系统操作简单、可视性好，运行稳定，可靠，能满足技术更新的要求。

[1]曹玲芝.现代测试技术及虚拟仪器[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[2]戎舟.基于LabVIEW的虚拟示波器及远程测控[J].微计算机信息，2004，20（5）：66-67.RONG Zhuo.The virtualoscilloscope based on LabVIEW and remote control technology[J].Micro Computer Information，2004，20（5）:66-67.

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[5]申忠如，郭福田，丁晖.现代测试技术与系统设计[M].西安：西安交通大学出版社，2006.

[6]蔡建安，陈洁华.基于LabVIEW的工程软件应用[M].重庆：重庆大学出版社，2006.