电场强度传输监控系统的设计

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1、本科生毕业论文(设计) 题 目 电场强度传输监控系统的设计 学生姓名 学 号 学 院 专 业 指导教师 二 年 月 日目录摘要1Abstract21 绪论31.1 本课题的研究背景31.2 本课题的研究目的和意义31.3 本课题的研究内容32系统方案设计42.1 系统总设计方案42.2 系统硬件选择方案4 单片机的选择与论证4 电平转换方案的选择与论证5 串口转USB模块转换芯片的选择与论证52.3 系统软件选择方案6 上位机软件开发环境的选择与论证63硬件设计73.1 硬件总设计方案73.2 电场强度传感器模块功能概述73.3 MC96F8316单片机功能概述83.4 USB转串口模块功能概

2、述9 CH340芯片功能概述9 USB转TTL串口模块工作原理114软件设计114.1 单片机程序设计12 单片机程序开发工具的选择12 主函数的设计13 A/D采样及转换程序设计13 定时中断程序设计14 串口配置程序设计144.2 上位机软件设计16 上位机软件开发环境概述16 软件前面板设计164.2.3 程序框图设计175 系统调试及运行225.1 硬件调试225.2 软件调试236 毕业设计总结25参考文献27致谢28电场强度传输监控系统的研究与设计摘要：本文介绍了一个电场强度传输监控系统。该设计通过电场强度传感器测量出被测设备的电场强度,再利用单片机进行信号采集、A/D转换并将数据

3、输出，然后通过USB转串口模块将数据发送到上位机。接着在以LabVIEW为平台开发的上位机软件上生成实时数据与波形图，从而有助于数据的监控分析与处理。该系统采用MC96F8316单片机作为控制核心，主要组成部分有电场强度传感器、以CH340芯片为核心的USB-TTL串口模块、LabVIEW制作的上位机软件等，并对其硬件和软件部分进行了全方位的设计。经过调试与测试，此电场强度传输监控系统，结构简单，易于使用。同时软件图像清楚简洁，达到了可视化效果，便于进行数据处理，有较高的实用价值。 关键词：电场强度、MC96F8316、USB-TTL串口模块、LabVIEW、数据处理1 绪论1.1 本课题的研

4、究背景无论是在日常生活还是工业生产中，我们的生活都离不开各种物理量的测量。其中，电场强度的测量也在许多地方有重要的应用。在大型交流输变电设备周围，存在着看不见摸不着的电场，一般被称作工频电场。工频电场通常产生频率较低的长波，长期工作在该环境中，人体会受到较大危害，神经衰弱几率大幅增加。国家规定在这样环境中工作的人都必须签订一份“职业病危害告知通知单”，可见危险性之高。随时监控该环境的电场强度和其他一些参数是保障安全的必要措施。另外在许多地点，干扰电场也不可忽视。许多时候，仅仅是自然环境就能形成多种干扰，如自然电场干扰和大地噪声干扰等。在电台和电视发射塔等设施附近，这些看似微小的干扰有时候也会造

5、成非常严重的后果。同样的，在这些地方也需要对电场强度等各类参数进行24小时的监控与数据分析处理，以防意外发生影响设施的正常运行。1.2 本课题的研究目的和意义目前在大型设施中多采用工业级电场强度测试仪，可以对整个系统及周围环境的各类参数进行全方面检测。除了工业生产和大型设施附近需要监控实时电场强度，在个人级的环境中，如实验与民用设备，电场强度的测量通常由电场强度测试仪完成，这种设备通常是手持并自带一个LCD屏幕，在屏幕上显示实时数据并按频率刷新。它的原理是传感器接收模块在空间某点处感应电信号的大小，以表征该点的电场强度。许多身体特殊人群购买的“电磁辐射仪”有时候也是用了这个原理去测量被测电子设

6、备在相应的距离上对人的电场强度的大小，来提醒使用者（如孕妇）注意使用电子设备的频率和次数以保护健康。但是，无论是实验室的测试仪抑或是民用产品，都只能按照仪器的频率参数测试出实时电场强度大小，在实际测量中，该值通常波动较大并且受距离长短影响较大。仅仅使用电场强度测试仪在很多时候都有着较大的局限性，使用者无法对波动的数据进行有效的数据分析与处理。为了更好的实验效果和数据结果，设计一个电场强度数据传输监控系统是非常必要的。这个系统可以将测得的数据进行整理分析，自动产生波形图以便于后续进一步的数据处理。远程监控系统的连接方式可分为无线连接和有线连接两大类。无线方式主要利用GPS技术，虽然有着传输距离远

7、的优点，但是成本较高，且连接易受干扰造成误差，不适合在实验室和日常使用设备中。所以本设计采用TTL通信协议通过USB与上位机相连，将电场强度数据传输至计算机中进行数据分析处理。总线技术成本较低，结构简单，是该设计中最理想的数据通信技术。1.3 本课题的研究内容本课题研究并设计了一个电场强度数据传输监控系统，可以通过手持传感器模块来靠近被测设备测出电场强度，然后经过下位机的数据采样A/D转换与传输，通过USB接口将数据传入上位机并在上位机软件中以动态折线图的形式直观地显示并为使用者之利用1。该系统可以让测试出的电场强度数据可视化与图像化，得到的结果不再是单纯的点数据，而是能形成一段时间内电场强度

8、的波形图并可以保存，让使用者对数据的监控以及分析处理更加方便与有效率。该设计的测量过程与生成图像均由软件控制完成，节约人工成本。同时，该设计还有结构简单，成本较低，易于携带等优点。2 系统方案设计2.1 系统总设计方案本课题研究的是电场强度（单位：V/m）检测系统，该系统总共分为四部分。第一部分是电场强度传感器部分，本课题采用某款电场强度测试仪的集成模块，使用内置的电场强度传感器来采集电场强度并将信号输出到单片机。第二部分是单片机部分，本设计采用MC96F8316微控制器对从第一部分接收的数据进行信号采集，A/D转换以及数据输出。第三部分是USB转串口接口部分，通过CH340芯片为主控制器的U

9、SB-TTL信号转换模块进行电平转换，将TTL电平的单片机信号转化为计算机可以接收处理的USB信号，然后通过USB接口将数据传输到上位机软件中。最后的第四部分是在LabVIEW为平台制作的上位机软件上会产生实时电场强度的连续波形图，从而让使用者可以直观地观察测得的电场强度数据，做到了对测量数据的可视化与图形化，从而方便使用者进一步的数据处理。图2-1为本系统的总设计框图。图2-1 系统总设计框图2.2 系统硬件选择方案 单片机的选择与论证在大学单片机的入门学习和实验中，通常会选用C51单片机作为微控制器，显然它有着众所周知的优点：首先其制作的成本低；其次，出现年代早，有大量易得到的资料可供我们

10、参考，适合初学者入门。C51单片机自出现以来，衍生出非常多的系列产品，由此侧面彰显了51单片机的高性价比以及易于入门等各种优点。MC96F8316单片机是具体8051内核的8位单片机，而且自带12位A/D传感器，可以不虚外接直接完成模数转换的功能2-6。同时它具有两个独立的地址存储空间存储内容被合理分配的程序存储器和允许8位存储的数据存储器,两者相辅相成，使得8位CPU进入数据存储器更为迅速。随着单片机行业迅猛发展，C51单片机简单的构造越来越不足以完成中大型项目，同时比它更容易实现各种功能的单片机型号也越来越多，所以目前51单片机多用于初学者入门教学和实验中。相对的，MC96F8316具备片

11、内16k字节ISP类型的可读写FLASH存储，能够反复编写与擦除，有较强的可编辑性，方便使用者擦除或修改。综上所述，该方案选用MC96F8316单片机作为主控芯片。 电平转换方案的选择与论证随着笔记本电脑与USB接口的越加普及，RS232的9针接口已经逐渐淡出人们的视野，日常使用的频率也越来越低。该课题设计了一款民用电场强度检测系统，所以必须将单片机信号通过USB接口发送到上位机中。几乎所有单片机都是TTL电平信号，所以得万变不离其宗得将其它各种信号转成TTL电平，这样才能完成单片机与各种接口的数据交换。TTL作为个人计算机的标准通讯接口之一，其和RS232的最大的区别在于电平标准完全相反。T

12、TL的逻辑电平0是用0V表示，1则表示5V。而RS232电平的逻辑电平0是用+3V到+15V表示，1则是用-3V到-15V表示。为了完成单片机与个人计算机的数据交换，目前市场上有两种主要的转换方案，第一种是将单片机的TTL信号通过诸如MAX232电平转换芯片来转换成RS232信号，这时候电脑如有RS232的9针接口，那么可以无需下载驱动直接与计算机进行数据交换。如果想使用USB接口，此时则需要通过诸如CH340和PL2303的USB转串口芯片来制作一个USB转串口模块单元，实现数据交换。第二种是通过USB转串口芯片将TTL电平信号直接转换为计算机可以处理的USB信号，一步到位。很显然，方案二通

13、过一个USB2.0接口就可以一步完成转换，减少了所占开发板的面积和数量，从而节省成本并且方便快捷。第一种方案也有着自己的优点，那就是RS232信号可传输的距离可达到十几米，而TTL电平信号传输距离则相对较短，一般不超过5米，甚至3米以上就会出现信号传输的不稳定。综合设计要求和成本等多方面考虑，该设计主要目标对象是实验室用和家用电子设备的测量，显然不需要很强的传输能力，所以该设计选择方案二即直接通过USB转串口芯片来进行单片机到上位机的信号传输。目前市场上常用的串口转USB芯片有CH340系列和PL2303系列，接下来就开始论证选择哪种芯片作为转换芯片。 串口转USB模块转换芯片的选择与论证CH

14、340系列是南京沁恒公司生产的RS232-USB接口转换芯片，可以实现USB与串口的双向通信。在Windows操作系统环境下，CH340的驱动程序能够仿真标准串口7，所以与绝大部分的串口应用程序完全兼容，给使用者提供非常大的便利。同时，该系列芯片接收信号允许的波特率误差一般小于1%，低于国际2%的标准。同时，该芯片同时支持3V和5V电源电压，各自具有一套不同的操作逻辑。在使用空闲时，NOS引脚会自动挂起并将设备切断以自动节能。CH340还提供了多种分装来满足客服需求，并兼容了自家较新的CH341芯片，是一款质量过硬的国产芯片。PL2303是Prolific 公司的一款工艺成熟市场占有率较高的U

15、SB串口接口转换芯片。PL2303内置了许多功能单元，如USB收发器、UARTUSB、振荡器等等。因为内置丰富，所以实现RS232信号与USB信号的相互转换理论上只需要外接几只电容即可。此外，它的成本是此种转换芯片中是最低的几个之一，便于节省成本或量产。同时，作为双向接口，PL2303既可以从计算机接收USB 数据后将之转换为RS232 信息流格式发送给外设；另又可以从单片机接受TTL电平数据并将之转换为USB 数据流格式传送回计算机。以上工作器件都可以自动完成，开发者无需考虑固件问题，是较早进入中国并被广泛应用的一种转换芯片。以上两种接口转换芯片被大量人选择使用并投入生产，都经受住了市场的考

16、验。在该课题中，两者在功能的实现上几乎无明显的区别，主要差异就在于使用者对其稳定性的口碑以及成本问题。PL2303芯片的主要优点在于批发成本较低，但在评价上许多使用者认为其稳定性较之CH340差了不少，经常会无故断连。所以该设计选择CH340芯片完成串口转USB模块的设计。2.3 系统软件选择方案2.3.1 上位机软件开发环境的选择与论证在仪器界面的开发中，通常使用MFC和LabVIEW作为开发环境。MFC是微软基础类库的简称，是微软开发的一个C+类库，在内部封装了大部分的Windows API函数、 MFC作为一个类库，可以方便的用C+构建出Windows平台下的图形界面程序8。但是，近年来

17、微软并不重视MFC, 而且它并不是跨平台的GUI库, 并且库的设计也相对比较糟糕。LabVIEW是一种程序开发环境，其中许多控件和实验室中的传统仪表颇为相似。与C或者C+不同的是，它使用了图形化的程序语言，即使是初学者，也能方便地创建一个美观的用户界面。在使用LabVIEW编程的过程中，除非刻意为之对某些部分进行微调，否则几乎看不到程序代码取而代之的是用各种颜色标注的流程图和框图。因此，LabVIEW并不是一个面向对象的编程软件，甚至可以说南辕北辙。它的优势在于便捷以及非常直观地可视化操作界面，缺点则是维护成本和难度都很高。因此，在实现非仪器仪表系统的编程中使用的不多。LabVIEW面向的并非

18、传统意义上的程序员。他的所有功能都可以通过某些组件来完成，程序的流程控制（如循环）也是通过和画图一样的操作来实现的。程序功能几乎都可以通过鼠标来构造出来。显然，它的优点是做一个能运行的程序非常简单，所以被广泛应用在工控系统程序的设计制作中9。MFC所编软件在美观上欠佳，并且操作和使用较为麻烦，可选用的库函数也不多。相对的，LabVIEW平台编写效率更高，节省成本。而且编写的上位机软件简洁美观，运行方便。而且显而易见，在设计目标为类仪器界面时，毫无疑问应该选择在工控系统中广泛应用的LabVIEW平台。3 硬件设计3.1 硬件总设计方案本系统的硬件部分采用杜邦线连接或焊接而成，具体组成部分有电场强

19、度传感器模块、MC96F8316单片机与测试座（方便杜邦线直接连接）、发光二极管以及USB、转串口模块。硬件系统通过单片机对系统各个部分实现自动控制，电场强度传感器输出的模拟信号由单片机进行数据采集、算法控制等处理，再经由USB接口将场强数据传给上位机软件，完成后续数据采集与处理8。首先是传感器模块用以测量电场强度，然后从中引出一条信号线与一条信号地线分别连接单片机的VSS脚与SS脚，进行信号采集、模数转换与数据处理，接着将单片机RXD口接到USB-TTL串口转换模块接口的TXD口，再将单片机TXD口接到USB-TTL模块接口的RXD口，最后通过USB接口将数据传输至上位机。硬件连接图如图3-

20、1所示。图3-1 硬件连接图3.2 电场强度传感器模块功能概述市面上有许多可用的电场强度测试仪，在该系统中使用了某电场强度测试仪自带的电场强度传感器模块。该模块参数如表3-1所示，这也是该电场强度传输监控系统的设计参数。 表3-1 传感器模块参数单位V/m精度1V/m量程1V/m-1999V/m测试频宽5Hz-3500MHz取样时间约0.4s工作电压9V该模块的电路结构如图3-2所示。图3-2 电场强度传感器电路图模块功能实现原理：电感在电场中产生微弱的感应电动势，该电动势比较小，所以经过同相跟随器来匹配输入输出电阻防止后端电路对感应电动势产生影响，然后再经过一级运算放大电路将信号放大到单片机

21、可测量的电压范围内，经过一级同向放大电路来匹配输入输出电阻防止后端电路对其影响。最后引出一条信号地线与一条信号输出线连接到单片机进行下一步的数据处理。3.3 MC96F8316单片机功能概述MC96F8316是一款具有8051内核的自带12位A/D转换器的8位单片机。在存储功能方面，MC96F8316具有两个独立的地址存储空间程序存储器和数据存储器9。合理分配的程序存储器和允许8位存储的数据存储器,这就使得8位CPU进入数据存储器更加迅速。不过，16位数据存储地址同样可以通过DPTR寄存器进行存储10-11。同时，该单片机具备片内16k字节ISP类型的可读可写 FLASH存储，节省了编写者大量

22、时间成本。对于单片机来讲，开发过程当然也被列入成本之内，优秀的仿真接口和可读可写的特性能很大得加快研发进程，从而减少研发开销。具体操作过程是先将程序输入进Flash内，后在元件内经过软件操控程序的执行，通过JTAG接口获取单片机内信息为开发者提供调试开发。此次设计中微控制器选择MC96F8316系列中常被使用的一种，即MC96F8316M。在这一系列中，这款单片机采用28脚的SOP封装12。它拥有MC96F8316系列的全部优点，包括兼容51内核程序与自带的12位A/D转换器。它提供了较低的研发成本、相对便捷的研发环境和非常完善的官方支持，很大程度上减少了全部系统的功率消耗和时间成本，分析该系

23、统设计所要求的目标功能，该芯片是最优的选择。MC96F8316M的引脚分配和引脚功能（部分）分别由图3-3以及表3-1所示。图3-3 MC96F8316M引脚分配表3-2 MC96F8316M引脚功能（部分）引脚引脚说明共用引脚VSS接地脚-VDD电源脚-RXDUART数据输入P31TXDUART数据输出P30SS从动输入选择P17/AN14/EC2AN14A/D转换模拟量输入通道P17/EC2/SSEC2定时器2EC输入P17/AN14/SS3.4 USB转串口模块功能概述3.4.1 CH340芯片功能概述CH340系列芯片是南京沁恒公司生产的RS232-USB接口转换芯片，可以实现USB与

24、串口的双向通信。CH340的驱动程序能够仿真标准串口，可以升级原来串口的外围设备，或者通过USB接口来增加额外串口，给使用者提供非常大的便利。同时，该芯片完全兼容Windows操作系统内的串口应用程序，无需为程序编写特殊的代码，兼容性很强。CH340还内置了缓冲区，支持通讯波特率 50bps2Mbps，而且接收信号允许的波特率误差小于0.3%，远低于国际允许的2%的标准。同时，该芯片同时支持3V和5V电源电压，各自具有一套不同的操作逻辑，方便使用者完成自己的需求13。该芯片提供了SOP-16和SSOP-20以及MSOP-10这三种无铅封装方式，是一款质量过硬的国产芯片。CH340的工作原理由图

25、3-4表示。图3-4CH340工作原理方框图CH340系列芯片有三种不同封装的六种芯片版本，分别是SOP封装的16引脚芯片CH340G、CH340C、CH340B；MSOP封装的10引脚芯片CH340E以及SOP封装的20引脚芯片CH340T和CH340R。为了方便焊接与制作，首选引脚间距较宽的SOP封装芯片。其次，在该设计中，不需要用到CH340B和CH340E的专业定制功能，所以综合成本考虑选择该设计的USB-TTL模块采用CH340G作为微处理器。CH340G的引脚分配和引脚功能分别由图3-5以及表3-3所示。图3-5CH340G引脚分配表3-3CH340G引脚功能编号符号引脚说明1GN

26、D公共端接地，直接连到USB总线的地线2TXD串行数据输出3RXD串行数据输入，内置可控的上拉和下拉电阻4V3在5V电源电压时外接0.1F的退耦电容5UD+直接连到USB总线的D+数据线6UD-直接连到USB总线的D-数据线7XI晶体震荡的输入端，需外接晶体与电容8XO晶体震荡的输出端，需外接晶体与电容续表3-39CTS#MODEM联络输入信号，清除发送，低电平有效10DSR#MODEM联络输入信号，数据装置就绪，低电平有效11RI#MODEM联络输入信号，振铃指示，低电平有效12DCD#MODEM联络输入信号，载波检测，低电平有效13DTR#MODEM联络输入信号，数据终端发送，低电平有效1

27、4RTS#MODEM联络输入信号，请求发送，低电平有效15RS232辅助RS232使能，高电平有效，低电平下拉16VCC正电源输入端，需要外接0.1F退耦电容3.4.2 USB转TTL串口模块工作原理USB接口的输出输入端口分别与CH340G对应端口连接，同时CH340G的XO与XI接口外接晶振与电容。在VCC、TXD和RXD接口分别串联三个发光二极管以观察模块的运行情况14。该USB-TTL串口模块可同时实现5V数据交换，接口转换芯片使用CH340G，外接震荡晶体和电容。串口的6个接口中VCC长期空接以防止外部电源对其产生影响。模块原理图如图3-6所示。图3-6 USB转TTL串口模块原理图

28、4 软件设计本系统的软件部分分为单片机控制部分与上位机程序部分。单片机系统主要完成对数字信号的采集分析，然后通过单片机进行A/D转换并将数字信号输出到上位机。上位机程序部分主要功能是将接收到的信号在上位机软件界面上依次显示出来并自动计数，然后将数据按时频绘制折线图。用这种方法将采集到的信号数据图像化与可视化，达成检测电场强度的目标。4.1 单片机程序设计 单片机程序开发工具的选择该课题中单片机软件部分的开发环境采用Keil uVision。据不完全统计，国内80%的工程师使用这款强大的C语言软件开发系统。该环境出现的时间较其他平台早，功能相对齐全，具有很强的灵活性，适用于非常多的处理器。该平台

29、具有较好的人性化的管理，亦非常便利，与其他开发平台相比，该平台具有人机交互界面，其全部窗口都能按照使用者的要求，放于随意的位置，并且具有支持多个窗口的功能，而且该功能非常完善。一款优秀的开发平台的界面设计能够很在程度上使研发速度、效率以及软件的利用率大幅提高。同时，操作的简化程度既能方便新手更快入门，又可以给熟练的程序员节省许多不必要的操作，一定程度上也提高了效率。在这方面，Keil uVision走在了前面。他的界面非常清晰且有调理，对初学者来说也是一目了然。同时，不必要的功能也几乎没有加入进界面，所以整体给人感觉这是个清爽高效对新手较为友好的研发环境。Keil uVision生成的目标代码

30、的效率鹤立鸡群，大多数语句生成的汇编代码也很紧凑，不是那么难以解。这种优势在小型软件上不很突出，但是需要一旦开发大型软件，它的高效就会被衬托出来，也因此成为了最主流的C语言软件开发环境之一。Keil C51编译器经过优化编译之后生成，大大提高了执行速度。同时，该编码器支持多家公司的8051为内核产品上的双数据指针，几乎所有的 8051 系列单片机都能够使用，包括本设计使用的控制芯片MC96F831615。同时它的错误提示功能也非常完善，能够对一切使用到的工具进行警告信息以及错误信息的提示，由此用户能够方便的寻找程序的问题。因为它的代码是进行分组调试的，编写的程序代码不会受到空间的限制。再入功能

31、和寄存器区的独立代码的支持功能，更加方便了中断服务程序和多任务应用程序的执行16。Keil uVision5开发界面如图4-1所示。图4-1 Keil uVision5开发界面在该设计中， MC96F8316单片机的程序是整个系统能够成功实现功能的核心。因此，在成功实现功能的前提下，程序代码应尽量做到简单易读，尽量不创建不需要的功能，并且易于维护。在该设计中利用四个源文件实现它们各自的功能，分别是主函数、A/D采样寄存函数、串口配置函数和定时中断函数。4.1.2 主函数的设计main函数主要完成设备端口、定时器和串口等的初始化，并进行串口数据发送。main(void) / 设备初始化（芯片某些

32、模块初始化） init_device(); OSCCR = 0x18; / 使用内部时钟 BITCR = 0x4E; / 中断时间SCCR = 0x00; / 不使用外部时钟 使用内部时钟 LVRCR = 0x0A; / /WTCR = 0x8C; / /WTDR = 0x80+119; / WDTDR=0x0F;/ 设置看门狗时钟 WDTCR=0xE0; Port_Initial(); / 端口初始化 Timer1_init(); / 定时器初始化 Uart_Ini();/ 串口初始化while (1) Clear_WDT;/ 清除看门狗 EI;/ 使能中断 Uart_Transmit(AD

33、C_CH_data1);/ 串口程序 发送数据4.1.3 A/D采样及转换程序设计A/D采样寄存器配置程序的主要功能是配置单片机的A/D端口号、时钟频率、采样速率、和参考电压等。同时，它还可以设置采样转换后结果的数据位数，本程序采用10位。具体实现方法是先配置模数转化初始化，再配置模数转换子程序。模数转换程序Get_ADC如下：Word Get_ADC (Byte ADC_CH) Word jj; ADCCRL = STBY+ADC_CH; ADCCRH = ALIGN; ADCCRL |= ADST; for(jj=0;jj=42) ADC_CH_data1 = vol21/3;else i

34、f(ii+ 50) ii = 0; ADC_CH_data1 = vol21/3;4.1.5 串口配置程序设计串口配置程序的主要功能是配置串口通道号及其对应的管脚号并配置信号传输的波特率。因为TTL电平信号传输距离较短，所以不宜配置过高的波特率，该设计采用9600波特率。串口数据处理程序如下：void Uart_Transmit(Byte a) Byte k,m;Byte x8,y,z;Byte xx,yy,zz,uu,vv,aa,bb;int ww;if( buf_UartSentCnt 500)return;aa = bb;bb = vv; vv = uu;uu = zz;zz = yy;

35、 yy = xx;xx =a;ww = (a+xx+yy+zz+uu+vv+bb+aa)/3; /再次标定系数3/8buf_UartSentCnt=0; led_Flash();y = ww;x0 = y/1000+48;if(x0 = 0)x0 =0x20;y = y%1000;x1 = y/100+48;if(x1 = 0)x1 =0x20;y = y%100;x2 = y/10+48;x3 = y%10+48;x4 = 0x56;x5 = 0x2F;x6 = 0x6D;x7 = 0x0D; for(k=0;k8;k+) UART_write(xk); 4.2 上位机软件设计4.2.1 上

36、位机软件开发环境概述LabVIEW是一种不同于老式开发思想的程序开发环境，它的开发环境与C语言相似，但是在编程的方法和过程上有明显的差别。不同于之前大家对程序文本里满篇代码的印象，LabVIEW不仅最后能编成图形化界面，甚至在编程过程中都始终贯彻了图形化的理念，程序框图就是一个个框图相互连接并产生逻辑交互。正因如此，在开发仪器平台相关软件时，Labview都是最理想的选择之一。LabVIEW作为图形化编程语言，虽然和传统的编程语言在思路上有很大不同，但是依然要遵循许多约定俗称的原则，这样能让编程人员养成良好的编程习惯，使得设计出来的图形化程序前后面板都简洁美观并有高度的可读性，以此可以提高工作

37、效率。而且程序会随着编写的过程，开发者会有新功能的想法。在这个时候，整齐的框图和模块化线性化的图形程序就会大大降低修改或者新增的难度。想反，如果一开始就不注意面板的整洁和线条的明确，那么在修改的过程中会觉得阻力重重，有时甚至得推倒重来。因此，如果从一开始就按照图形化程序的编程规范来做，那么可读性和维护性就会不可同日而语，从而大大我们的效率。这些原则包括前面板和程序框图中控件的对齐、线条表示出信息流的走向以及勤于善于添加注释等等。4.2.2 软件前面板设计LabVIEW程序的前面板就是编写出的上位机软件的前面板，是面向使用者设计的程序。所以在前面板的设计中，达成设计目标并实现功能的基础上，应将应

38、用程序界面的简洁美观放在第一位，并且要让每个部分都能够实现各自的功能，尽量不要出现冗余程序。此外，所有控件的对齐调校与间距控制也至关重要，这直接影响了该程序的可用性。该设计的程序前面板如图4-2所示。图4-2上位机软件前面板面板分为两大部分，数据显示部分和控制部分。上方的两块都是数据显示面板。左侧面板按照时序将测得的数据依次刷新显示，并根据数据在右侧面板会出折线图。下方的部分从左至右依次为数据发送面板（含换行功能）、计数面板（记录发送和接收的数据数量）、串口配置面板（配置串口和波特率）和用户操作面板（完成仪器开关、清空显示面板和保存实时图像的操作）。4.2.3 程序框图设计在设计LabVIEW

39、程序框图时，应注意高度的模块化与线性化。在多重嵌套的情况下，有一个明确的设计思路与嵌套逻辑是程序顺利运行的关键。在该设计中框图被分成两大部分，数据显示部分与数据接收部分。前者数据显示部分负责软件的整体运行。在打开COM口后，先确认接收数据的端口与上位机端口是否一致。之后，把端口接收到的数据以20Hz的频率在左侧面板中排列显示出来同时自动计数，并在右侧数据显示部分采样数据然后绘出折线图。同时，还能向单片机发送数据并自动完成计数功能。数据显示部分的程序框图如图4-3所示。图4-3 数据显示部分程序框图 数据接收部分负责构成最基本的面板单元，以及响应用户的各种操作。在默认状态下，数据接收部分程序框图

40、如图4-4所示。图4-4 数据接收部分的程序框图（默认）当开始工作后，为了响应前面板的操作，本程序准备了一共九个事件结构，以完成“打开端口”、“改变端口号与波特率”、“发送数据”、“清空计数”、“清空接收区”、“清空波形区”、“保存数据”、“菜单选择”和“关闭软件”一共九种操作指令，所有这些达成数据处理的要求与目标，所有的事件如图4-5所示。图4-5 数据显示部分的九种事件响应打开端口的程序框图中，左上模块确认端口号，然后确认波特率与一些参数。若串口错误，则输出“串口不存在或已打开”。响应打开端口的程序框图如图4-6所示图4-6 响应打开端口程序框图在响应改变端口的程序框图中，只有确认程序打开

41、的COM口与连接的COM口一致时方可打开仪器。在响应端口改变程序框图如图4-7所示。图4-7 响应改变端口程序框图响应发送数据的程序框图如图4-8所示图4-8 响应发送数据程序框图响应清空计数程序框图如图4-9所示。图4-9 响应清空计数程序框图响应空接收区程序框图如图4-10所示图4-10 响应清空接收区程序框图响应清空波形区程序框图如图4-11所示。图4-11 响应清空波形区程序框图响应保存数据程序框图如图4-12所示。图4-12 响应保存数据程序框图响应响应保存数据程序框图如图4-13所示。图4-13 响应保存数据程序框图响应关闭软件程序框图如图4-14所示。图4-14 响应关闭软件程序

42、框图5 系统调试及运行5.1 硬件调试该电场强度传输监控系统器件已全部连接完或焊完，通过调试与检测，该系统可以正常运行检测出电场强度并在上位机上产生图像。如果使用者手持传感器将之靠近正在工作的电子设备，那么测得的电场强度数值会有明显升高。若是将传感器远离，则图像折线有显著下降趋势。该系统实现了对周围电子设备以及环境电场强度测量监控和数据采集分析，整机工作效果如图5-1、图5-2所示。图5-1 整机工作效果图一图5-2 整机工作效果图二5.2 软件调试首先打开安装程序安装上位机软件。安装完成后，将USB转换接口模块插进电脑的USB端口，查看设备管理器,检查是否有“端口（COM和LPT）”选项。若

43、没有，会在“use-serial”上面出现黄色感叹号并提示需要安装驱动，选中“use-serial”点击右键，选择自动安装驱动（需联网）；若有，则表示驱动已经安装。安装完成后，查看该USB接口对应的端口COM号（如图5-3）。图5-3查看当前端口COM号 打开上位机软件，选择目前连接的COM口并打开，此时软件开始运行。将传感器模块靠近或远离正在工作的被测电子设备，即可得到实时电场强度，会发现上位机上电场强度曲线在一直变化（如图5-4）。此时可以选择保存图像、清空数据区或者清空波形图等操作进行数据分析处理。图5-4 上位机软件运行截图此时可以点击“Save”以保存实时电场强度波形图像，如图5-5

44、所示。图5-5 上位机软件保存的图像这是软件运行一分钟后点击保存的图像，可以通过对保存的图片进行数据分析与处理，了解被测电场强度的实时变化；也可以通过图像对不同被测的场强大小进行深入分析对比，以此完成对当前环境下实时电场强度的检测与数据分析处理。6 毕业设计总结本文设计的电场强度传输监控系统利用了大学所学的许多软硬件知识，实现了对电场强度实时测量数据的传输、显示与保存。本系统设计的目的是帮助实验室或日常使用中需要对电场强度进行测量并进行数据分析处理的使用者，有一定的实用价值。本设计所做的工作主要有以下几个方面：搜集和阅读了国内外许多关于电场强度检测系统方面的文献,了解了电场强度的定义以及目前国

45、内外先进的测量方法和多种数据传输方式，然后参考学习并自己设计了整个系统，包括系统的整体结构、硬件部分和软件部分等。本电场强度检测系统分为硬件和软件两个系统并对这两个系统分别进行了详细设计。硬件系统主要为器件的选用和连接，USB-TTL模块的设计和焊接；软件系统主要为单片机控制系统与上位机显示界面。对LabVIEW平台进行深入了解，学习高阶的Labview编程技巧，进一步掌握并熟练运用图形化编程语言。结合实际需求，严格分析设计，认真编写调试，最终完成了兼具美观与实用的多种功能适合本设计的应用程序。对电场强度检测系统进行调试，调试结果表明该系统可以达到检测并传输电场强度数据并在上位机进行数据分析处

46、理的功能。本系统在电场强度检测上只是初步使用一种方法达成了传输数据并在上位机显示与分析处理数据这一硬件设计，在各个元器件的精度上并未做太多的标定调试，更别提整个系统的美观度。但是该设计已经可以应用在简单测量分析电场强度的场合里。本设计还存在着许多需要改进和完善的地方。随着我的深入学习与勤奋实践，一定可以在未来做出更加多功能、美观度高的实用产品。在这几个月的毕业设计中，我遇到了许许多多的问题，甚至最后的设计成品实物功能也相对简单。尽管在大学已经学习过单片机、LabVIEW以及串口的知识，但在实际的操作中，我所掌握的知识还是远远不够。因此在单片机程序编写时，我从基础开始学起，一步一步完成编程。在面

47、对一款从未接触过的芯片时，我感到手足无措，在大量的自学和请教之后，终于熟练掌握了该类自带A/D转换器的芯片。另外在这次的设计中，第一次拆解了民用的简单电子产品（电场强度测试仪），对它的设计和构成有了初步的理解。在四年的学习中使用过许多测量各种参数的电子测试仪器，也学习过它们中某些的原理，但纸上的知识与实际的产品差别很大，这些都是书本上学不到的。LabVIEW上位机软件编程时也一样，尽管在当时的学习过程中编写过许多简单的仪器程序，但在实际的设计中，需要完成更多的功能，考虑更多的情况时，会产生许多意想不到的难以解决的问题，这些困难都需要大量的实际编程经验才能游刃有余的攻克。这次设计使我的专业技能与

48、动手能力有了长足的进步，并且培养了独立思考和创新实践的能力。参考文献 1 朱芳基于单片机的数据采集系统设计J 重庆科技学院学报，2009(1)：56-582 缑新科，王能才，李冬冬基于蓝牙传输的智能车信号检测系统研究J微型机与应用，2014(1)：63-663 刘振海单片机原理及应用技术M北京高等教育出版社，20034 杨文龙单片机原理及应用M西安：西安电子科技大学出版社，20055 李华军单片机程序设计及应用M北京：电子工业出版社，20066 R. Jedermann. C. Behrens, D. Westphal, W. Lang, Applying autonomous sensor

49、systems in logistics-combining sensor networks, RFIDs and software agentsJ. Sensors and Actuators A:Physical 132(2006) 370375.7 韦兴平，车畅，宋春华，等USB串口通信在数显转矩扳手中的应用J西华大学学报：自然科学版，2014，33(6)：20-238 张领会基于MBF200和USB的数据采集设计方法的研究D西北工业大学，2006：101-1029 J.R. Smith, A.P. Sample, P.S. Powledge, S. Roy, A. Mamishev,

50、A wirelesslypowered platform for sensing and computationJ, in: Ubicomp 2006:Ubiquitous Computing, Proceedings, vol. 4206, 2006, pp. 495506.10 王东锋单片机C语言应用100例M北京：电子工业出版社,200911 黄惟公单片机原理与技术应用M西安：西安电子科技大学出版社，200712 朱芳基于单片机的数据采集系统设计J重庆科技学院学报，200913 张毅刚，彭喜元单片机原理与应用设计M北京：电子工业出版社，200814 R. Jedermann, C. Be

51、hrens, D. Westphal, W. Lang, Applying autonomous sensor systems in logisticscombining sensor networksJ, RFIDs and software agents,Sensors and Actuators A: Physical 132 (2006) 370375.15 J.R. Smith, A.P. Sample, P.S. Powledge, S. Roy, A. Mamishev, A wirelesslypowered platform for sensing and computationJ, in: Ubicomp 2006:Ubiquitous Computing, Proceedings, vol. 4206, 2006, pp. 495506.16 E. Salasmaa, P. Kostamo, New thin film humidity sensorJ, in: Proceedings of the Third Symposium on Meteorological Observations and Instrumentation,Washington, D.C, 1975.