基于虚拟仪器的温湿度采集系统的设计

刘 刚 王立香 任鲁涌

（山东理工大学计算机科学与技术学院，山东 淄博 255000）

0 引言

温度和湿度的监控在冷库、图书馆、博物馆、医药、电子等领域具有重要的应用。温湿度的测量一般通过传统的仪器来测量，这些仪器与外部设备连接不方便，界面设计不够灵活，扩展性不好。随着智能仪器、虚拟仪器的发展和应用，数据的测量变得越来越方便和灵活。本文以AT89C51单片机为下位机控制核心，利用温湿度传感器SHT10完成温湿度的数据采集。单片机将采集的温湿度数据通过串行通信接口上传到上位机，上位机应用软件采用虚拟仪器开发软件LabVIEW 2017进行开发设计。上位机的功能是采用数字和量表的形式实时显示采集的温、湿度数据；根据设置的温、湿度范围，当采集的数据超出设置范围时，报警提示用户。系统具有良好的人机交互特点，灵活性强，采集数据易于观测，具有一定的应用价值和推广价值。

1 系统硬件设计

系统设计原理框图如图1所示，其下位机硬件系统设计框图如图1中虚线框内部分所示。系统硬件主要由温、湿度传感器、AT89C51单片机、串行通信电平转换接口、电源模块等电路构成。

图1 系统原理框图

为了方便采集温度和湿数据，满足系统为了方便采集温度和湿数据，满足系统需求。要选择合适温、湿度传感器需求。要选择合适温、湿度传感器需求。要选择合适温、湿度传感器需求。要选择合适温、湿度传感器需求。要选择合适温、湿度传感器的作用是将环境温、湿度转换成的作用是将环境温、湿度转换成便于分析处理的电信号。为了简化。为了简化系设计，本文采用瑞士，本文采用瑞士Sensirion公司生产的单片式温、湿度传感器温、湿度传感器 SHT10，该传感器，该传感器将温、湿度变换器，将温、湿度变换器，放大电路，A/D变换等电路在一个芯片中[1]，具有较高的稳定性和可靠。同时，芯同时，芯片内部集成了两线制的串行通信接口，与外围系统连电路设计简单制的串行通信接口，与外围系统连电路设计简单。SHT10的湿度测量范围为0～100%RH，分辨率典型值为0.05%RH。在25℃下，湿度范围为20～80%RH范围内，湿度的测量精为范围内，湿度的测量精为±4.5%RH。该传感器的温度测量范围为.40～123.8℃，分辨率的典型值为，分辨率的典型值为0.01℃，其测量精，其测量精度在25℃时达到±0.5℃[2]。SHT10有 4个引脚，分别是电源正和地串行数据个引脚，分别是电源正和地串行数据个引脚，分别是电源正和地串行数据（DATA）和串行时钟引脚（DATA）和串行时钟引脚（SCK）和串行时钟引脚 （SCK），芯片施加的电压必须在2.4～5.5V之间。SHT10与单片机的连接较为简单，如图2所示。

为了得到真实的温度和湿度信息，需要将采集的数据转换为实际的物理量，在实际应用中，可以设置不同的温度和湿度分辨率。本系统中，设置湿度的分辨率为，温度的分辨率为。为了使得到的温度和湿度更加精确，需要对从传感器读取的数值进行补偿，温度补偿方法如下：

式中，T 为待测温度值，d1=-40.1，d2=0.04，SQT为从传感器读出的温度值。

图2 传感器与51单片机连接

湿度补偿方法如下：

式中，RH为待测环境的相对湿度，SORH为从传感器读出的湿度值，t1=0.01，t2=0.00128，c1=-2.0468，c2=0.05872，c3=-0.00041。

系统MCU采用AT89C51单片机，为了将传感器采集的数据上传到上位机进行分析，本文采用了串行通行的方式进行数据的上传，为此，需要在单片机外部加电平转换芯片，电路如图3所示：

图3 单片机串行通信接口电路

本文采用异步串行通信（UART）方式，将采集温度和湿度信息通过串口实时上传到计算机，由上位机软件对采集的温度和湿度信息进行显示和分析等操作。

除了传感器电路和串口电平转换电路，单片机外围电路和还包括复位电路、电源供电电路、时钟电路等电路。

2 上位机LabVIEW程序设计

上位机软件采用虚拟仪器开发软件LabVIEW 2017进行开发,LabVIEW采用图形化的设计语言，支持多种硬件接口，具有编程方便，任务开发周期短等特点[3]。上位机应用软件的主要任务是分别用波形图和数字及仪表的形式，对采集的温度和湿度进行显示，并设有报警提示。用户通过应用软件设计温度和湿度的上限和下限，当温度和湿度不在设置的范围内时，报警提示用户。

本文利用LabVIEW的VISA串口通信模块，通过计算机的串口和下位机连接，本系统采用异步串行通信模式、通信波特率为 9600bps、8位数据位数，无校验、1位停止位的方式进行通信。在实际应用中，上位机可以根据下位机设置的UART通信模式对通信速率等串行通信参数进行设置。

为了保证上位机与下位机的可靠通信，采用生产者/消费者模式进行应用软件的程序设计。对从计算机串口接收的数据通过队列数据结构进行接收和读取。为了对采集的温度和湿度数据正确区分，下位机对传送温度和湿度信息加帧头（0×AA0×55）处理。因此，上位机软件需要对帧头进行对准处理。对接收到的数据流，判断帧头位置，从而正确的读取温度和湿度的数值。

系统的运行界面如图4所示，从图中可以看出，采集的温度低于设置的低温报警阈值，因此，用户程序中，低温报警灯被点亮；同样，采集的湿度值高于设置的高湿度报警阈值，高湿度报警灯也被点亮。

图4 系统运行界面

3 结论

本文设计了一个基于AT89C51和虚拟仪器开发软件LabVIEW 2017的温、湿度检测系统。上位机和下位机之间通过串口进行通信，上位机软件设计采用生产者/消费者模式。上位机通过串行通信接收单片机上传的数据并以不同方式进行显示，通过应用界面设置温度和湿度的正常范围，当超出范围时，会进行高/低温或高/低湿度报警。系统性能稳定，具有较好的实用价值和推广价值。