基于Matlab的一種小型溫度檢測系統的設計

　　1 前言

　　溫度是表征環(huán)境的一個(gè)重要的參數。在工程領(lǐng)域，尤其像工程熱力學(xué)等，溫度檢測非常普遍，對溫度精確測量以便實(shí)時(shí)控制也顯得尤為重要。

　　在控制系統中，上位機與下位機之間實(shí)現通信的方法和應用平臺很多。目前，以VB和VC開(kāi)發(fā)的通信軟件較多，然而，這類(lèi)軟件雖然功能完善，但是數據采集到計算機后要進(jìn)行各種處理（例如濾波，系統辨識，曲線(xiàn)擬合等）就顯得不方便，編程比較復雜。Matlab具有強大的數據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(dòng)控制等領(lǐng)域[1]。它編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單易學(xué)，利用簡(jiǎn)單的命令就可以代替復雜的代碼，極大地提高了開(kāi)發(fā)效率。

　　本實(shí)驗基于Matlab環(huán)境下設計了一個(gè)小型溫度檢測系統，下位機使用AT89S51單片機和DS18B20完成溫度數據采集，上位機在Matlab環(huán)境下，調用設備控制箱serial類(lèi)操作ＲＳ－232串口，用串行通信方式交換數據，進(jìn)而借助Matlab對數據進(jìn)行分析和處理，得到了溫度隨時(shí)間變化的函數解析式，同時(shí)介紹了基于Matlab環(huán)境下PC機與單片機串行通信的實(shí)時(shí)數據處理的實(shí)現方法。

　　2 系統總體設計

　　
圖1 系統結構圖

　　溫度檢測系統的整體結構如圖1所示。PC機串口與單片機USART口通過(guò)MAX232電平轉換芯片相連，構成一個(gè)主從式通信系統。系統工作時(shí)，單片機對串口和DS18B20初始化，在讀取溫度的同時(shí)等待中斷。PC機通過(guò)調用Matlab設備控制工具箱中的serial類(lèi)及相關(guān)函數來(lái)創(chuàng )建串口設備對象，并以讀寫(xiě)文件的方式實(shí)現對PC機串行口的訪(fǎng)問(wèn)，PC機通過(guò)Matlab向串行口發(fā)送特殊指令從而觸發(fā)單片機中斷系統，單片機調用中斷服務(wù)例程，讀取即使溫度并將采集的數據通過(guò)串行口回送給PC機。此時(shí)，Matlab通過(guò)查詢(xún)的方式，實(shí)時(shí)接收單片機發(fā)送的數據，并完成對數據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溫度傳感器構成，主要負責溫度數據的采集工作，并通過(guò)串行通信實(shí)時(shí)地將數據傳送到上位機進(jìn)行處理，PC機與MUC串口通信技術(shù)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(shí)驗中,設定字符格式為1個(gè)起始位，8個(gè)數據位和一個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗，中間8位即為有效數據，波特率設置為9600，為保證數據可靠傳輸,在傳送數據前通過(guò)握手建立連接,軟件握手協(xié)議規定如下：

　　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，則回送數據包給上位機，其中第一個(gè)數據為握手信號，以二個(gè)數據為溫度傳感器采集到的溫度數據，此時(shí)，上位機如果接受到的第一個(gè)數據不是握手信號，則丟棄該數據包，若是，則表示握手成功，直接存儲第二個(gè)數據。

　　3.2溫度數據采集（DS18B20）

　　本系統中采用DALLAS生產(chǎn)的“一線(xiàn)總線(xiàn)”可編程數字化溫度傳感器DS18B20，與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線(xiàn)即可實(shí)現微處理器與DS18B20的雙向通訊，在使用中不需要任何外圍元件，設計可用數據線(xiàn)供電，簡(jiǎn)化系統的硬件，同時(shí)支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線(xiàn)上，實(shí)現多點(diǎn)測溫，使用起來(lái)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(xiàn)數據出數方式，DS18B20的數據I/O均由同一根線(xiàn)完成，因此，對讀寫(xiě)的操作時(shí)序要求非常嚴格。

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

　　1，精確延時(shí)問(wèn)題[2]：為了保證DS18B20的嚴格時(shí)序，可以將延時(shí)分為2種：10us以下的短延時(shí)和10us以上的長(cháng)延時(shí)。短延時(shí)可以使用C51提供的內部函數_nop_()來(lái)實(shí)現，一個(gè)nop()函數相當于一條DJNZ匯編指令，約2us；長(cháng)延時(shí)主要有15us，90us，270us，540us等，這些延時(shí)均為15us的整數倍，一次可以使用nop()函數編寫(xiě)一個(gè)延時(shí)15us的函數delay15（n）。