基于單片機(jī)與PC機(jī)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)和PC機(jī)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，溫度傳感器采用DS18B20。下位機(jī)采用AT89S52單片機(jī)，可以顯示溫度和超限報(bào)警。PC機(jī)作為上住機(jī)設(shè)定上下限報(bào)警溫度，接收單片機(jī)的溫度數(shù)據(jù)，處理后實(shí)時(shí)顯示溫度和繪制溫度曲線(xiàn)，還實(shí)現(xiàn)了超限報(bào)警和保存數(shù)據(jù)功能。上位機(jī)利用Matlab強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算、圖形顯示和串口操作功能，具有友好人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了溫度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；PC機(jī)；溫度監(jiān)測(cè)；Matlab；串口

    溫度是一個(gè)重要的物理量，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，經(jīng)常需要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，溫度傳感器采用DS18B20，下位機(jī)采用AT89S52單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量、顯示、超限報(bào)警等功能，上位機(jī)采用PC機(jī)，利用Matlab設(shè)計(jì)了友好人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)溫度的采集、顯示、繪圖、報(bào)警、保存數(shù)據(jù)等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)作為下位機(jī)，PC機(jī)作為上位機(jī)，二者通過(guò)串口發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的測(cè)量、顯示、超限報(bào)警、測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)保存等功能。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

    單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)工作所必需的復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和電源電路。溫度傳感器采用DS18B20芯片，測(cè)量溫度范圍為-55～+125 ℃，該芯片不需要外接電源，可編程的分辨率為9～12位，測(cè)溫分辨率最高可達(dá)0．062 5℃，數(shù)據(jù)傳送只需要一條通信線(xiàn)，接單片機(jī)的P2．0口。溫度顯示部分使用4個(gè)八段LED共陽(yáng)極數(shù)碼管，采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)方式，數(shù)碼管的a，b，c，d，e，f，g，DP八段由單片機(jī)P0．0—P0．7口控制，單片機(jī)的P1．0—P1．3口控制4個(gè)數(shù)碼管輪流動(dòng)態(tài)顯示。超限溫度報(bào)警采用蜂鳴器，由單片機(jī)的P2．1口控制發(fā)聲。
    PC機(jī)的串行口采用的是標(biāo)準(zhǔn)的RS 232接口，而單片機(jī)的串行口電平是TTL電平，與RS 232的電氣特性不匹配，所以系統(tǒng)采用常用芯片MAX 232來(lái)完成電平的轉(zhuǎn)換，使單片機(jī)的串行口能與RS 232接口通信。上位機(jī)動(dòng)態(tài)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用Matlab軟件設(shè)計(jì)友好人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的設(shè)置、采集、計(jì)算、顯示與保存等功能。

2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)
    單片機(jī)作為下位機(jī)，其主要任務(wù)是：
    1)通過(guò)DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集和處理，并在LED數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度，保留小數(shù)點(diǎn)后1位；
    2)通過(guò)串口接收上位機(jī)設(shè)定的上下限報(bào)警溫度，并在LED數(shù)碼臂上顯示；
    3)通過(guò)串口接收要求發(fā)送溫度數(shù)據(jù)的命令，向上位機(jī)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)；
    4)判斷當(dāng)前溫度，如果超限啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，設(shè)定不同頻率的方波驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出不同聲音，用來(lái)區(qū)分超上限還是超下限。

    單片機(jī)采用Keil C51編寫(xiě)程序，DS18B20分辨率設(shè)為12位，其主程序流程圖如圖2所示。主程序主要完成系統(tǒng)的初始化，主要包括DS18B20和串口的初始化；4個(gè)LED數(shù)碼管顯示“0000”，等待上位機(jī)發(fā)送上限溫度數(shù)據(jù)；接收數(shù)據(jù)后顯示，等待上位機(jī)發(fā)送下限溫度數(shù)據(jù)；接收數(shù)據(jù)，顯示下限溫度并延遲約2秒后開(kāi)始測(cè)濕。讀DS18B20溫度值，將讀取的低8位字節(jié)和高8位字節(jié)組成16位無(wú)符號(hào)整型溫度數(shù)據(jù)(其中低4位為沮度的小數(shù)部分，中間8位為溫度的整數(shù)部分)，處理沮度數(shù)據(jù)并在數(shù)碼臂上顯示溫度值；判斷溫度，超限報(bào)警；接收到上位機(jī)發(fā)送的命令字“255”就向上位機(jī)發(fā)送由DS18B20讀出的16位溫度數(shù)據(jù)，先發(fā)送低8位字節(jié)，后發(fā)送高8位字節(jié)；返回讀DS18B20溫度值。

3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)
    PC機(jī)作為上位機(jī)，主要任務(wù)包括：
    1)設(shè)定上下限報(bào)警溫度，通過(guò)串口發(fā)送給下位機(jī)；
    2)通過(guò)串口發(fā)送要求單片機(jī)傳送溫度數(shù)據(jù)的命令，命令數(shù)據(jù)為“255”；
    3)通過(guò)串口接收下位機(jī)的溫度數(shù)據(jù)，做各種運(yùn)算后顯示溫度值，并繪圖；
    4)判斷當(dāng)前溫度，如果超限啟動(dòng)報(bào)警指示和發(fā)聲報(bào)警；
    5)保存測(cè)溫時(shí)間及數(shù)據(jù)，以備查詢(xún)。
    上位機(jī)采用Matlab編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)與下位機(jī)通信及溫度監(jiān)測(cè)。Matlab是MathWorks公司開(kāi)發(fā)的科學(xué)計(jì)算軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算和圖形顯示功能，利用Matlab，用戶(hù)還可以操作計(jì)算機(jī)的串口與外部設(shè)備進(jìn)行通信，并且支持BS-232、RS422和RS485接口標(biāo)準(zhǔn)。Matlab內(nèi)置了GUI(Gr aphie UserInterface)模塊，具有界面設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)功能。本文利用MatlabGUI設(shè)計(jì)了上位機(jī)系統(tǒng)界面，采用M文件編程設(shè)計(jì)的方式，比GUIDE(Graphical User Interface Development Environment)輔助設(shè)計(jì)的方式功能更強(qiáng)，且代碼易于修改。系統(tǒng)測(cè)溫的界面如圖3所示。

    測(cè)溫界面保留了MATLAB窗體框架窗口的菜單，利用菜單設(shè)計(jì)函數(shù)uimenu()設(shè)計(jì)了一級(jí)菜單About和二級(jí)菜單Operation steps和Contact us，可以彈出窗口顯示系統(tǒng)的操作步驟和作者的聯(lián)系方式。
    利用函數(shù)uicontrol()的Style屬性的text類(lèi)型在窗口左下角建立設(shè)定上下限溫度的顯示、超限報(bào)警指示、測(cè)溫開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間顯示，在窗口右上角建立當(dāng)前、最大、最小和平均溫度顯示。利用函數(shù)axes()建立1個(gè)位于窗口中心坐標(biāo)軸，用于繪制動(dòng)態(tài)溫度曲線(xiàn)。利用函數(shù)uicontrol()的Style屬性的pushbutton類(lèi)型在窗口右下角建立5個(gè)按鈕。對(duì)各控件編輯Callback回調(diào)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)完整的上位機(jī)溫度監(jiān)測(cè)功能。
    “打開(kāi)串口”按鈕操作主要完成串口初始化，其中利用了obi=serial(‘coml’，‘baudrate’，9600，‘parity’，‘none’，‘databits’，8，‘stopbits’，1)語(yǔ)句設(shè)定串口對(duì)象obj連接到串口com1，設(shè)定波特率為9600，不做奇偶校驗(yàn)，設(shè)定傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)目為8位，字節(jié)終止位數(shù)為1位。再利用fopen(obj)打開(kāi)串口對(duì)象。
    “關(guān)閉串口”按鈕操作主要利用fclose(obj)和delete(obj)語(yǔ)句完成串口的釋放。
    “開(kāi)始測(cè)溫”按鈕操作是系統(tǒng)軟件的核心，利用了fwrite(obj，255)語(yǔ)句發(fā)送命令字“255”，要求下位機(jī)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)；利用fread(obj，2)語(yǔ)句接收2字節(jié)的16位溫度數(shù)據(jù)，先接收低8位字節(jié)，后接收高8位字節(jié)，16位數(shù)據(jù)中低12位為溫度數(shù)據(jù)，首先判斷溫度正負(fù)，再計(jì)算當(dāng)前溫度，累計(jì)測(cè)量溫度的最大值、最小值和平均值，小數(shù)點(diǎn)后保留1位顯示在界面的右上角數(shù)據(jù)顯示區(qū)；根據(jù)當(dāng)前溫度利用plot()函數(shù)實(shí)時(shí)
繪制溫度曲線(xiàn)；判斷溫度是否超限，如果超限進(jìn)行報(bào)警指示，當(dāng)前溫度顯示紅色，并利用sound()函數(shù)發(fā)聲報(bào)警。當(dāng)溫度超限時(shí)的報(bào)警界面如圖4所示。

    “保存數(shù)據(jù)”按鈕操作打開(kāi)文件保存對(duì)話(huà)框，選擇路徑、保存測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)及測(cè)溫時(shí)間，其中調(diào)用了Matlab保存文件對(duì)話(huà)框函數(shù)uiputfile()，用save函數(shù)保存．mat格式的數(shù)據(jù)。
    上位機(jī)操作步驟為鼠標(biāo)單擊“打開(kāi)串口”按鈕，用戶(hù)先后輸入報(bào)警上限和下限溫度；單擊“開(kāi)始測(cè)溫”按鈕開(kāi)始測(cè)溫。測(cè)溫結(jié)束時(shí)單擊“關(guān)閉串口”按鈕；再單擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕，選擇保存路徑，輸入文件名保存測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)及測(cè)溫時(shí)間；最后單擊“退出”按鈕關(guān)閉窗口退出系統(tǒng)。

4 結(jié)論
    設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)和PC機(jī)的動(dòng)態(tài)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別在上位機(jī)和下位機(jī)實(shí)現(xiàn)了溫度顯示和報(bào)警功能，上位機(jī)還實(shí)現(xiàn)了繪制動(dòng)態(tài)溫度曲線(xiàn)，保存數(shù)據(jù)以備查詢(xún)。系統(tǒng)利用了Matlab強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算、圖形顯示和申口操作功能，具有友好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了溫度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。