基于單片機與PC機的溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

摘要：設(shè)計了基于單片機和PC機的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，溫度傳感器采用DS18B20。下位機采用AT89S52單片機，可以顯示溫度和超限報警。PC機作為上住機設(shè)定上下限報警溫度，接收單片機的溫度數(shù)據(jù)，處理后實時顯示溫度和繪制溫度曲線，還實現(xiàn)了超限報警和保存數(shù)據(jù)功能。上位機利用Matlab強大的數(shù)值計算、圖形顯示和串口操作功能，具有友好人機交互界面，實現(xiàn)了溫度動態(tài)監(jiān)測。
關(guān)鍵詞：單片機；PC機；溫度監(jiān)測；Matlab；串口

    溫度是一個重要的物理量，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，經(jīng)常需要對環(huán)境溫度進行監(jiān)測。本文設(shè)計了一個溫度監(jiān)測系統(tǒng)，溫度傳感器采用DS18B20，下位機采用AT89S52單片機，實現(xiàn)溫度測量、顯示、超限報警等功能，上位機采用PC機，利用Matlab設(shè)計了友好人機交互界面，實現(xiàn)溫度的采集、顯示、繪圖、報警、保存數(shù)據(jù)等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    系統(tǒng)采用AT89S52單片機作為下位機，PC機作為上位機，二者通過串口發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)環(huán)境溫度的測量、顯示、超限報警、測溫數(shù)據(jù)保存等功能。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

    單片機最小系統(tǒng)包括單片機工作所必需的復(fù)位電路、時鐘電路和電源電路。溫度傳感器采用DS18B20芯片，測量溫度范圍為-55～+125 ℃，該芯片不需要外接電源，可編程的分辨率為9～12位，測溫分辨率最高可達0．062 5℃，數(shù)據(jù)傳送只需要一條通信線，接單片機的P2．0口。溫度顯示部分使用4個八段LED共陽極數(shù)碼管，采用動態(tài)驅(qū)動方式，數(shù)碼管的a，b，c，d，e，f，g，DP八段由單片機P0．0—P0．7口控制，單片機的P1．0—P1．3口控制4個數(shù)碼管輪流動態(tài)顯示。超限溫度報警采用蜂鳴器，由單片機的P2．1口控制發(fā)聲。
    PC機的串行口采用的是標準的RS 232接口，而單片機的串行口電平是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來完成電平的轉(zhuǎn)換，使單片機的串行口能與RS 232接口通信。上位機動態(tài)溫度監(jiān)測系統(tǒng)利用Matlab軟件設(shè)計友好人機交互界面，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的設(shè)置、采集、計算、顯示與保存等功能。

2 下位機程序設(shè)計
    單片機作為下位機，其主要任務(wù)是：
    1)通過DS18B20實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集和處理，并在LED數(shù)碼管上實時顯示當(dāng)前溫度，保留小數(shù)點后1位；
    2)通過串口接收上位機設(shè)定的上下限報警溫度，并在LED數(shù)碼臂上顯示；
    3)通過串口接收要求發(fā)送溫度數(shù)據(jù)的命令，向上位機發(fā)送溫度數(shù)據(jù)；
    4)判斷當(dāng)前溫度，如果超限啟動蜂鳴器報警，設(shè)定不同頻率的方波驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出不同聲音，用來區(qū)分超上限還是超下限。

    單片機采用Keil C51編寫程序，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LED數(shù)碼管顯示“0000”，等待上位機發(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秒后開始測濕。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位無符號整型溫度數(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，超限報警；接收到上位機發(fā)送的命令字“255”就向上位機發(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 上位機程序設(shè)計
    PC機作為上位機，主要任務(wù)包括：
    1)設(shè)定上下限報警溫度，通過串口發(fā)送給下位機；
    2)通過串口發(fā)送要求單片機傳送溫度數(shù)據(jù)的命令，命令數(shù)據(jù)為“255”；
    3)通過串口接收下位機的溫度數(shù)據(jù)，做各種運算后顯示溫度值，并繪圖；
    4)判斷當(dāng)前溫度，如果超限啟動報警指示和發(fā)聲報警；
    5)保存測溫時間及數(shù)據(jù)，以備查詢。
    上位機采用Matlab編寫程序?qū)崿F(xiàn)與下位機通信及溫度監(jiān)測。Matlab是MathWorks公司開發(fā)的科學(xué)計算軟件，具有強大的數(shù)值計算和圖形顯示功能，利用Matlab，用戶還可以操作計算機的串口與外部設(shè)備進行通信，并且支持BS-232、RS422和RS485接口標準。Matlab內(nèi)置了GUI(Gr aphie UserInterface)模塊，具有界面設(shè)計開發(fā)功能。本文利用MatlabGUI設(shè)計了上位機系統(tǒng)界面，采用M文件編程設(shè)計的方式，比GUIDE(Graphical User Interface Development Environment)輔助設(shè)計的方式功能更強，且代碼易于修改。系統(tǒng)測溫的界面如圖3所示。

    測溫界面保留了MATLAB窗體框架窗口的菜單，利用菜單設(shè)計函數(shù)uimenu()設(shè)計了一級菜單About和二級菜單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類型在窗口左下角建立設(shè)定上下限溫度的顯示、超限報警指示、測溫開始和結(jié)束時間顯示，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個位于窗口中心坐標軸，用于繪制動態(tài)溫度曲線。利用函數(shù)uicontrol()的Style屬性的pushbutton類型在窗口右下角建立5個按鈕。對各控件編輯Callback回調(diào)函數(shù)，實現(xiàn)完整的上位機溫度監(jiān)測功能。
    “打開串口”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)語句設(shè)定串口對象obj連接到串口com1，設(shè)定波特率為9600，不做奇偶校驗，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)打開串口對象。
    “關(guān)閉串口”按鈕操作主要利用fclose(obj)和delete(obj)語句完成串口的釋放。
    “開始測溫”按鈕操作是系統(tǒng)軟件的核心，利用了fwrite(obj，255)語句發(fā)送命令字“255”，要求下位機發(fā)送溫度數(shù)據(jù)；利用fread(obj，2)語句接收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，再計算當(dāng)前溫度，累計測量溫度的最大值、最小值和平均值，小數(shù)點后保留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)實時
繪制溫度曲線；判斷溫度是否超限，如果超限進行報警指示，當(dāng)前溫度顯示紅色，并利用sound()函數(shù)發(fā)聲報警。當(dāng)溫度超限時的報警界面如圖4所示。

    “保存數(shù)據(jù)”按鈕操作打開文件保存對話框，選擇路徑、保存測溫數(shù)據(jù)及測溫時間，其中調(diào)用了Matlab保存文件對話框函數(shù)uiputfile()，用save函數(shù)保存．mat格式的數(shù)據(jù)。
    上位機操作步驟為鼠標單擊“打開串口”按鈕，用戶先后輸入報警上限和下限溫度；單擊“開始測溫”按鈕開始測溫。測溫結(jié)束時單擊“關(guān)閉串口”按鈕；再單擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕，選擇保存路徑，輸入文件名保存測溫數(shù)據(jù)及測溫時間；最后單擊“退出”按鈕關(guān)閉窗口退出系統(tǒng)。

4 結(jié)論
    設(shè)計的基于單片機和PC機的動態(tài)溫度監(jiān)測系統(tǒng)分別在上位機和下位機實現(xiàn)了溫度顯示和報警功能，上位機還實現(xiàn)了繪制動態(tài)溫度曲線，保存數(shù)據(jù)以備查詢。系統(tǒng)利用了Matlab強大的數(shù)值計算、圖形顯示和申口操作功能，具有友好的人機交互界面，實現(xiàn)了溫度的動態(tài)監(jiān)測。