基于LabVIEW的温控报警系统设计

基于LabVIEW的温控报警系统设计

胡锦欣 胡小波 刘浩源

（江汉大学 人工智能学院 湖北 武汉 430056）

摘要：本文以 LabVIEW 程序为开发环境，利用 STM32 单片机设计开发了温度采集与监控系统。该系统LabVIEW作为开发平台，温度传感器将温度的变化转变为数字信号并通过单总线通信协议与STM32进行通信，对采集到的温度数据进行实时显示，存储和报警。该系统为工业自动化、环境监测、医疗设备和冷链物流等领域提供了高效、精确的温度监测解决方案。

关键词：LabVIEW，温度传感器，温度采集，STM32单片机。

1.引言

在工业环境中，温度数据的实时监控对于确保生产过程的稳定运行至关重要。本系统采用DS18B20温度传感器和STM32单片机作为核心硬件组件。DS18B20温度传感器以其高精度、单总线通信和强抗干扰能力脱颖而出，与STM32单片机的强大性能和丰富的通信接口相结合，为实时温度监控系统提供了稳定可靠的数据采集和处理能力。此外，LabVIEW是一种程序开发环境，具有性能优、扩展性强、开发周期短等优点，被广泛应用于测试测量、控制工程、仿真及快速开发等领域，尤其在测试测量领域，经过多年的发展，大多数主流的数据采集设备都配有专门的LabVIEW驱动程序，使用LabVIEW可以非常便捷地控制这些硬件设备[1]，具有直观易用的特点，可以帮助工程师快速搭建温度监测系统的用户界面，并实现数据采集、分析和可视化等功能。

2系统总体方案

本系统由上位机和下位机两部分组成，系统的结构示意图如图1所示，上位机采用LabVIEW程序，为用户提供图形化界面。上位机与下位机之间通过串口通信进行连接，使用UART通信协议，实现数据的传输和命令的交互。下位机部分由STM32单片机和DS18B20温度传感器组成，STM32单片机作为主控制器，负责控制和管理系统硬件，接收DS18B20传感器采集的温度数据。DS18B20传感器通过单总线通信协议将温度数据传输给STM32单片机，通过单一的数据线进行通信，简化了硬件设计，并减少了引脚的占用。STM32单片机将采集到的温度数据进行处理和存储，并根据预设的阈值进行温度报警的触发。

图1 系统结构示意图

2.1下位机设计

下位机系统的设计目标是实现对温度传感器的稳定控制和数据采集，确保温度数据的准确性和及时性。主要分为两个部分，DS18B20数字温度传感器和STM32f103单片机。

DS18B20 数字温度计提供9位温度读数，DS18B20测温管理单元系统采用了高频晶振转换方式来进行测量输入温度的作业，无论温度高低，晶振的振荡频率不会随输入温度发生变化[2]。指示器件的温度信息经过单线接口送入 DS18B20 或从 DS18B20 送出，因此从中央处理器到 DS18B20 仅需连接一条线。 读、写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。

DS18B20温度传感器通过单总线通信协议连接到STM32单片机的GPIO引脚上，使用软件控制实现传感器的初始化、数据读取和通信。STM32单片机与DS18B20传感器之间根据DS18B20的通信协议进行数据交互，包括发送指令、接收响应和解析温度数据。

当与DS18B20温度传感器进行通信时，通常需要考虑初始化、读时序和写时序三个方面的工作时序[3]。

本项目选用STM32F103单片机作为主控制器，其硬件设计方案充分利用了该单片机的高性能、丰富的外设资源以及低功耗设计特点。STM32F103单片机拥有ARM Cortex-M3内核，运行速度快且稳定可靠，适用于实时温度监控系统的需求。其丰富的外设资源包括通用输入/输出端口、串行通信接口、定时器等，为与DS18B20传感器的连接和数据交换提供了灵活性和便利性。同时，STM32F103单片机的低功耗设计能够有效降低系统功耗，延长系统工作时间，提高系统的可靠性和稳定性。将温度传感器的输出口连接单片机的PB12口，并给温度传感器加上电源，部分连接电路图如图2所示。

图2 DS18B20和STM32连接部分电路图

2.2上位机设计

LabVIEW是将C语言的功能代码封装成特殊功能的函数或者控件，是一种实现快速开发的图形化编程语言。LabVIEW系统由很多的VI、自定义控件等组成。一个VI主要由前面板、程序框图两部分构成[4]。

在LabVIEW中，通过程序框图部分的设计（如图3所示），我们可以实现温度监控系统的串口通信、温度数据读取、报警比较、报警灯控制、温度波形显示和数据存储等功能。先配置串口通信模块建立与下位机的连接，然后实时读取温度数据并进行处理，接着与设置的报警温度进行比较，触发报警时控制报警灯状态。通过图形绘制模块在前面板中显示温度波形图，方便用户观察温度变化趋势。最后，设计数据存储模块将温度数据保存到文件或数据库中，以便后续分析和查询。

图3  LabVIEW程序框图

在前面板设计中，本系统包含了以下关键元素：设定了串口连接的设置，使用户可以配置与下位机的通信参数。添加了温度波形显示和实时温度数字显示，通过这两个控件用户可以直观地了解温度的变化情况。用户可以通过调节上限温度的值来设定报警阈值，当温度超过上限值时，报警灯会亮红点，提醒用户温度异常。最后还添加了一个保存数据的按钮，方便用户手动保存采集到的温度数据，以备后续分析和查询。通过这样的前面板设计，用户可以方便地监控温度数据的变化，及时响应异常情况，并进行必要的操作和记录。软件效果图如图4所示。

图4 软件效果图

 3总结

通过整个项目的设计，成功地利用了STM32单片机、DS18B20温度传感器以及LabVIEW软件，搭建了一个功能完善的温度监控系统。选择DS18B20温度传感器作为温度采集的硬件组件，其高精度、单总线通信和抗干扰能力为系统的稳定运行提供了保障。选用STM32单片机作为主控制器，其强大的性能和丰富的通信接口使得系统具有良好的数据处理和通信能力。最后，通过LabVIEW软件设计了直观友好的上位机界面，实现了温度数据的实时监测、报警功能、数据显示和保存等功能。整个项目的成功实现，为工业环境中温度监控提供了一种有效可行的解决方案，具有重要的实际意义和应用价值。

参考文献

[1]孙毅刚，何进.基于LabVIEW的高精度多通道温度测量系统[J].仪表技术与传感器，2017(1):96-100.

[2]何健.基于DS18B20传感器测温系统的设计与实现[J].湖南农机，2020(3):2-3.

[3]王宜朋.基于物联网的智能孵化设备设计[J].电子制作,2022,30(05):19-21+94.DOI:10.16589/j.cnki.cn11-3571/tn.2022.05.013.

[4]何颖, 陈晓范, 王振铎. 基于LabVIEW与Protues的温度控制系统研究与设计[J]. 微型电脑应用, 2023, 39 (07): 10-12.

作者简介：胡锦欣（1998- ），女，湖北武汉人，现就读于江汉大学人工智能学院，研究方向：人工智能。

通信作者：胡小波（1970- ），男，湖北武汉人，高级实验师，江汉大学人工智能学院，研究方向：电工电子技术。

作者简介:刘浩源（1999--)，男，广东海丰人，现就读于江汉大学人工智能学院，研究方向:人工智能。