摘　要:以AT89S52 單片機(jī)和單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20 及步進(jìn)電機(jī)為主要器件制作測(cè)控電路。上位機(jī)以溫度為主要參數(shù),通過(guò)串口控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和加速、減速。C51 程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)采集和與上位機(jī)的串行通信,LabVIEW實(shí)現(xiàn)測(cè)溫波形動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、越限報(bào)警和電機(jī)控制。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行,系統(tǒng)能夠較好地控制步進(jìn)電機(jī),可用于需要及時(shí)檢測(cè)溫度并進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)控制的場(chǎng)合。 關(guān)鍵詞:單片機(jī) LabVIEW DS18B20 步進(jìn)電機(jī) 1 　引　言 LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instrument）開(kāi)發(fā)的一種虛擬儀器平臺(tái)。他是一種圖形化編程語(yǔ)言,具有強(qiáng)大功能,提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析和存儲(chǔ)庫(kù)函數(shù),比傳統(tǒng)的文本式語(yǔ)言更具有優(yōu)勢(shì)。但用LabVIEW開(kāi)發(fā)的虛擬儀器通常需要價(jià)格昂貴的數(shù)據(jù)采集硬件,而以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)雖然硬件成本較低,但開(kāi)發(fā)過(guò)程較為復(fù)雜,編程工作量較大。如果將以單片機(jī)為核心的小系統(tǒng)作為前端的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),通過(guò)LabVIEW提供的串口子VI 將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī),在LabVIEW環(huán)境下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析,并進(jìn)行相關(guān)控制,既可充分利用LabVIEW的強(qiáng)大功能,又可降低系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本,成為擴(kuò)展LabVIEW應(yīng)用范圍的一個(gè)途徑。 本系統(tǒng)以AT89S52 單片機(jī)和單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20 組成前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),以同一單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成后端控制系統(tǒng)。單片機(jī)通過(guò)串行通信電路,將采集的溫度數(shù)據(jù)傳給上位機(jī),上位機(jī)程序采用Lab2VIEW編寫(xiě),可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示測(cè)溫波形、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)定報(bào)警溫度等功能,并可根據(jù)不同的報(bào)警溫度通過(guò)串口控制單片機(jī),驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)和加減速,也可直接手動(dòng)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)可用于需要及時(shí)檢測(cè)溫度并進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)控制的場(chǎng)合,也可擴(kuò)展為以上位機(jī)為控制中心,由多個(gè)前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫,并由不同的后端控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同的控制功能。 2 　系統(tǒng)組成 系統(tǒng)由單片機(jī)、溫度采集電路、步進(jìn)電機(jī)控制電路和RS 232 接口電路為主,在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展了時(shí)鐘電路、鍵盤(pán)輸入及LCD 顯示電路、聲光報(bào)警電路和I[sup]2[/sup]C 總線E[sup]2[/sup] PROM 存儲(chǔ)器等部分。單片機(jī)采用Atmel 公司的AT89S52 ,具有ISP在線編程功能和8 kB 的FLASH。由于其程序存儲(chǔ)器空間較大,故不須外接存儲(chǔ)單元就可以完成LCD 字庫(kù)的存儲(chǔ)等功能。晶體振蕩頻率為11. 059 2 MHz ,可實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)間的精確通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。 3 　硬件電路設(shè)計(jì) 3. 1 　溫度采集電路的設(shè)計(jì) 溫度傳感器采用由DALLAS 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的1 -wire 數(shù)字溫度傳感器DS18B20 ,其性能特點(diǎn)如下: （1） 采用單總線專用技術(shù),既可通過(guò)串行口線,也可通過(guò)其他I/ O 口線與微機(jī)接口,無(wú)須經(jīng)過(guò)其他變換電路,直接輸出被測(cè)溫度值（9 位二進(jìn)制數(shù),含符號(hào)位）; （2） 測(cè)溫范圍為- 55 ～ + 125 ℃, 測(cè)量分辨率為0. 062 5 ℃[1 ] ; （3） 內(nèi)含64 位經(jīng)過(guò)激光修正的只讀存儲(chǔ)器ROM; （4） 適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)機(jī); （5） 用戶可分別設(shè)定各路溫度的上、下限; （6） 內(nèi)含寄生電源。 [align=center] 圖1 　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[/align] DS18B20 與單片機(jī)的接口簡(jiǎn)單,只需將DS18B20 的信號(hào)線與單片機(jī)的一位雙向端口相連即可[sup][1 ][/sup] 。其供電方式分寄生電源方式:VDD 和GND 端均接地;外接電源方式:VDD 端用3～5. 5 V 電源供電。本系統(tǒng)中DS18B20 采用外接電源方式。 CPU 對(duì)DS18B20 的訪問(wèn)流程是:先對(duì)DS18B20 初始化,再進(jìn)行ROM 操作命令,最后才能對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。DS18B20 每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時(shí)序和通信協(xié)議。如主機(jī)控制DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換這一過(guò)程,根據(jù)DS18B20 的通訊協(xié)議,須經(jīng)3 個(gè)步驟:每一次讀寫(xiě)之前都要對(duì)DS18B20 進(jìn)行復(fù)位, 復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM 指令,最后發(fā)送RAM 指令,這樣才能對(duì)DS18B20 進(jìn)行預(yù)定的操作。 3. 2 　時(shí)鐘電路DS1302 DS1302 是美國(guó)DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路,他可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí),具有閏年補(bǔ)償功能,工作電壓為2. 5～5. 5 V。采用三線接口與CPU 進(jìn)行同步通信,并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM 數(shù)據(jù)。DS1302 內(nèi)部有一個(gè)31 ×8 的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM 寄存器。 DS1302 與單片機(jī)的連接需要3 條線,即SCL K, I/ O ,RST。DS1302 增加了主電源/ 后備電源雙電源引腳,同時(shí)提供了對(duì)后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。備用電源可以用電池或者超級(jí)電容器（0. 1 F 以上） 。本系統(tǒng)對(duì)時(shí)間沒(méi)有特殊要求,故采用漏電較小的普通電解電容器作為備用電源,100μF 就可以保證1 h 的正常走時(shí)。 3. 3 　步進(jìn)電機(jī)控制電路 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu),通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的,由于其沒(méi)有積累誤差的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。本系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)采用兩相雙極性電機(jī), 步距角為3. 75°。驅(qū)動(dòng)部分采用達(dá)林頓管TIP122 和TIP127 組成雙極性橋式驅(qū)動(dòng)電路,由于兩相的驅(qū)動(dòng)方式完全相同,因此圖2只給出其中一相的驅(qū)動(dòng)方式。單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路之間采用光電耦合器4N25 進(jìn)行電氣隔離,增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。 [align=center] 圖2 　步進(jìn)電機(jī)其中一相的驅(qū)動(dòng)電路[/align] 3. 4 　鍵盤(pán)、LCD 顯示和聲光報(bào)警電路 系統(tǒng)的鍵盤(pán)有3 個(gè),分別是加鍵、減鍵和確定鍵,可以設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間和DS18B20 的報(bào)警溫度。LCD 采用的是12864 型,共有128 行,64 列。顯示的主要內(nèi)容有: （1） 當(dāng)前時(shí)間,格式為:年/ 月/ 日/ 星期/ 時(shí)/ 分/ 秒; （2） 采樣的實(shí)時(shí)溫度值; （3） 系統(tǒng)時(shí)間設(shè)定、鬧鐘時(shí)間設(shè)定和溫度設(shè)定界面。 聲光報(bào)警電路主要由發(fā)光二級(jí)管和小喇叭組成,當(dāng)采樣溫度超過(guò)報(bào)警溫度時(shí)自動(dòng)報(bào)警。 3. 5 　I[sup]2[/sup] C 總線E[sup]2[/sup] PROM I2C（ Inter - Integrated Circuit） 總線是一種由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的兩線式串行總線,用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。兩根信號(hào)線一是雙向的數(shù)據(jù)線SDA ,另一是時(shí)鐘線SCL 。I[sup]2[/sup]C 總線支持主/ 從雙向通訊,主器件和從器件都可工作于接收和發(fā)送狀態(tài)。最高傳送速率為100 kb/ s[sup][2 ][/sup] 。 系統(tǒng)中采用AT24C01 串行E[sup]2[/sup] PROM,具有I[sup]2[/sup]C 總線接口功能,功耗小、寬電源電壓（根據(jù)不同型號(hào)2. 5～6. 0 V） ,工作電流約為3 mA ,靜態(tài)電流隨電源電壓改變,界于30～110μA 之間。具有128 B 存儲(chǔ)空間,可在系統(tǒng)掉電后保存設(shè)置好的DS18B20 的報(bào)警溫度。 系統(tǒng)中主器件為單片機(jī), 由單片機(jī)產(chǎn)生串行時(shí)鐘（SCL） ,控制總線的傳輸方向,并產(chǎn)生起始和停止條件。SDA 線上的數(shù)據(jù)狀態(tài)僅在SCL 為低電平期間才能改變,SCL 為高電平期間,SDA 狀態(tài)的改變被用來(lái)表示起始和停止條件。 3. 6 　RS 232 接口電路 通過(guò)RS 232 接口電路,系統(tǒng)能夠與上位機(jī)進(jìn)行通信,將采樣溫度傳給上位機(jī),并接受上位機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制指令。另外, 也可以通過(guò)上位機(jī)調(diào)整系統(tǒng)的時(shí)間和報(bào)警溫度。 4 　上位機(jī)程序 上位機(jī)程序采用美國(guó)NI 公司的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW 8. 2 編寫(xiě)[sup][3 ][/sup] 。按照功能模塊劃分為: 串口通信模塊、數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)模塊、參數(shù)設(shè)定模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊等。部分操作界面如圖3 所示。 [align=center] 圖3 　LabVIEW部分操作界面[/align] 4. 1 　串口通信模塊 串口通信模塊包括Visa Configure Serail Port VI ,Vi2sa Write VI , Visa Read VI 以及Visa Close VI[sup][4 ] [/sup]。其功能是: （1） 實(shí)現(xiàn)串口的基本參數(shù)設(shè)定,如波特率、緩存區(qū)大小、奇偶校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位數(shù)和是否包含結(jié)束位等; （2） 實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。程序中,波特率選用9 600 ,8 位數(shù)據(jù)位,不進(jìn)行奇偶校驗(yàn),1 位停止位,每次通信的間隔為1 min 。 4. 2 　數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)模塊、參數(shù)設(shè)定模塊 數(shù)據(jù)顯示模塊能夠直觀地顯示當(dāng)前時(shí)間、串口讀寫(xiě)狀態(tài)、實(shí)時(shí)溫度波形和設(shè)置的報(bào)警溫度波形。也可以將測(cè)量得到的溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為Excel 格式的文檔。參數(shù)設(shè)定模塊能夠設(shè)定一級(jí)低溫報(bào)警溫度和兩級(jí)高溫報(bào)警溫度。 4. 3 　步進(jìn)電機(jī)控制模塊 步進(jìn)電機(jī)控制分手動(dòng)控制與自動(dòng)控制。當(dāng)設(shè)為手動(dòng)控制時(shí),可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)和加減速的功能。其實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)串口發(fā)送控制字符,由單片機(jī)進(jìn)行解析, 并選擇相應(yīng)功能。控制字符與步進(jìn)電機(jī)功能對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。例如:發(fā)送字符“z”表示正轉(zhuǎn),“t”表示停止。當(dāng)設(shè)為自動(dòng)時(shí),若檢測(cè)溫度值低于低溫報(bào)警溫度,則電機(jī)反轉(zhuǎn);若高于一級(jí)高溫報(bào)警溫度,則按設(shè)定的較低速度正轉(zhuǎn);若高于二級(jí)高溫報(bào)警溫度,則按設(shè)定的較高速度正轉(zhuǎn)。當(dāng)檢測(cè)溫度處于正常溫度范圍時(shí),電機(jī)停止運(yùn)行。電機(jī)控制模塊可靈活應(yīng)用,根據(jù)不同的控制需求改變控制策略。 5 　結(jié)　語(yǔ) 本文介紹了一種基于LabVIEW 和單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,主要有以下特點(diǎn): （1） 以單片機(jī)和DS18B20 組成前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),經(jīng)串行通信將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)進(jìn)行分析和處理。以同一單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)控制電路組成后端控制系統(tǒng),以溫度為主要控制參數(shù),由上位機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作。 （2） 上位機(jī)程序采用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW 編寫(xiě),實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的處理和對(duì)電機(jī)的控制,人機(jī)交互界面友好,操控簡(jiǎn)單。 （3） 系統(tǒng)可加以擴(kuò)展,靈活應(yīng)用于多種場(chǎng)合。如利用可組網(wǎng)式傳感器DS18B20 實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫,以不同的后端控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同的控制功能。