基于Matlab的一種小型溫度檢測系統(tǒng)的設計

　　1 前言

　　溫度是表征環(huán)境的一個重要的參數(shù)。在工程領域，尤其像工程熱力學等，溫度檢測非常普遍，對溫度精確測量以便實時控制也顯得尤為重要。

　　在控制系統(tǒng)中，上位機與下位機之間實現(xiàn)通信的方法和應用平臺很多。目前，以VB和VC開發(fā)的通信軟件較多，然而，這類軟件雖然功能完善，但是數(shù)據(jù)采集到計算機后要進行各種處理（例如濾波，系統(tǒng)辨識，曲線擬合等）就顯得不方便，編程比較復雜。Matlab具有強大的數(shù)據(jù)處理能力及功能豐富的工具箱，被廣泛的應用于信號處理、自動控制等領域[1]。它編程語言簡單易學，利用簡單的命令就可以代替復雜的代碼，極大地提高了開發(fā)效率。

　　本實驗基于Matlab環(huán)境下設計了一個小型溫度檢測系統(tǒng)，下位機使用AT89S51單片機和DS18B20完成溫度數(shù)據(jù)采集，上位機在Matlab環(huán)境下，調(diào)用設備控制箱serial類操作ＲＳ－232串口，用串行通信方式交換數(shù)據(jù)，進而借助Matlab對數(shù)據(jù)進行分析和處理，得到了溫度隨時間變化的函數(shù)解析式，同時介紹了基于Matlab環(huán)境下PC機與單片機串行通信的實時數(shù)據(jù)處理的實現(xiàn)方法。

　　2 系統(tǒng)總體設計

　　
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　溫度檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。PC機串口與單片機USART口通過MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片相連，構(gòu)成一個主從式通信系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時，單片機對串口和DS18B20初始化，在讀取溫度的同時等待中斷。PC機通過調(diào)用Matlab設備控制工具箱中的serial類及相關函數(shù)來創(chuàng)建串口設備對象，并以讀寫文件的方式實現(xiàn)對PC機串行口的訪問，PC機通過Matlab向串行口發(fā)送特殊指令從而觸發(fā)單片機中斷系統(tǒng)，單片機調(diào)用中斷服務例程，讀取即使溫度并將采集的數(shù)據(jù)通過串行口回送給PC機。此時，Matlab通過查詢的方式，實時接收單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)，并完成對數(shù)據(jù)的分析處理及圖形顯示。

　　3 下位機部分

　　下位機部分由AT89S51單片機和DS18B20溫度傳感器構(gòu)成，主要負責溫度數(shù)據(jù)的采集工作，并通過串行通信實時地將數(shù)據(jù)傳送到上位機進行處理，PC機與MUC串口通信技術相對而言已經(jīng)比較成熟。

　　3.1串行通信協(xié)議

　　串口通信協(xié)議SPCP（Serial Port Communication Protocol）設計思想是基于幀傳輸方式,在本實驗中,設定字符格式為1個起始位，8個數(shù)據(jù)位和一個停止位，無奇偶校驗，中間8位即為有效數(shù)據(jù)，波特率設置為9600，為保證數(shù)據(jù)可靠傳輸,在傳送數(shù)據(jù)前通過握手建立連接,軟件握手協(xié)議規(guī)定如下：

　　上位機發(fā)送握手信號0xff給下位機，下位機如果接受到上位機的信號為握手信號，則回送數(shù)據(jù)包給上位機，其中第一個數(shù)據(jù)為握手信號，以二個數(shù)據(jù)為溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)，此時，上位機如果接受到的第一個數(shù)據(jù)不是握手信號，則丟棄該數(shù)據(jù)包，若是，則表示握手成功，直接存儲第二個數(shù)據(jù)。

　　3.2溫度數(shù)據(jù)采集（DS18B20）

　　本系統(tǒng)中采用DALLAS生產(chǎn)的“一線總線”可編程數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊，在使用中不需要任何外圍元件，設計可用數(shù)據(jù)線供電，簡化系統(tǒng)的硬件，同時支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點測溫，使用起來非常方便。盡管如此，DS18B20是以犧牲軟件資源換取硬件資源的，由于采用單總線數(shù)據(jù)出數(shù)方式，DS18B20的數(shù)據(jù)I/O均由同一根線完成，因此，對讀寫的操作時序要求非常嚴格。

　　根據(jù)DTASHEET，對DS18B20的編程主要注意以下幾個方面：

　　1，精確延時問題[2]：為了保證DS18B20的嚴格時序，可以將延時分為2種：10us以下的短延時和10us以上的長延時。短延時可以使用C51提供的內(nèi)部函數(shù)_nop_()來實現(xiàn)，一個nop()函數(shù)相當于一條DJNZ匯編指令，約2us；長延時主要有15us，90us，270us，540us等，這些延時均為15us的整數(shù)倍，一次可以使用nop()函數(shù)編寫一個延時15us的函數(shù)delay15（n）。