基于Matlab的一種小型溫度檢測系統(tǒng)

1 前言

溫度是表征環(huán)境的一個重要的參數(shù)。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(yīng)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(jìn)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(fù)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(yīng)用于信號處理、自動控制等領(lǐng)域[1]。它編程語言簡單易學(xué)，利用簡單的命令就可以代替復(fù)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(shè)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(shè)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(jìn)而借助Matlab對數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)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(shè)備控制工具箱中的serial類及相關(guān)函數(shù)來創(chuàng)建串口設(shè)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(wù)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(fù)責(zé)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(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(shè)計思想是基于幀傳輸方式,在本實驗中,設(shè)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(shè)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(shè)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(yán)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(yán)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(dāng)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)。

2，基本操作：DS18B20的一線工作協(xié)議流程是：初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸。對DS18B20 進(jìn)行所有的讀寫操作都是從初始化開始的，主要分為初始化操作，讀操作和寫操作。

基于以上分析，對DS18B20的編程源碼如下：

Init_DS18B20(void) //初始化函數(shù)

{DQ = 1; //DQ復(fù)位

Delay15(1); //稍做延時

DQ = 0; //單片機將DQ拉低

Delay15(32); //精確延時 大于 480us

DQ = 1; //拉高總線

Delay15(6); //延時90us

x=DQ; //讀存在脈沖

delay15(20); //延時約270us

}

Write_DS18B20(unsigned char dat)//寫一個字節(jié)

{

unsigned char i="0";//定義循環(huán)變量

for (i=0; i<8; i++)

{

DQ = 0; //復(fù)位

DQ = dat&0x01;//取數(shù)據(jù)的第i位并送出

Delay15(1);//延時

DQ = 1; //停止

dat>>=1;//右移

}

}

Read_DS18B20(void)//讀一個字節(jié)

{

unsigned char i="0";

unsigned char dat = 0;

for (i=8;i>0;i--)

{

DQ = 0; // 復(fù)位

dat>>=1;

DQ = 1; // 給脈沖信號

if(DQ)

dat|=0x80;//取位脈沖并存入dat

delay15(1);//延時

}

return(dat);

}

4 上位機部分(PC)

上位機通過串口向下位機發(fā)送命令實現(xiàn)對下位機的控制，并實時地接受下位機傳送過來的數(shù)據(jù)，對其分析處理，將結(jié)果用圖形顯示并存儲，完成人機交互過程。

Matlab并不具備直接訪問硬件的能力，但是支持面向?qū)ο蠹夹g(shù)，通過調(diào)用Instrument Control Toolbox中的serial類函數(shù)來創(chuàng)建串口對象，對串口對象操作就是對串口操作，使用起非常方便。同時，Matlab封裝的串口對象支持對串口的異步讀寫操作，使得計算機在讀寫串口時能同時進(jìn)行其他處理工作，因而能大大提高計算機執(zhí)行效率。Matlab用多線程技術(shù)實現(xiàn)這種異步操作，通過異步讀寫設(shè)置，計算機在執(zhí)行讀寫串口函數(shù)時能立即返回不必等待串口把數(shù)據(jù)傳輸完畢， 當(dāng)指定的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時就觸發(fā)事件，執(zhí)行事件回調(diào)函數(shù)，可以在事件回調(diào)函數(shù)中編程，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這樣就不會造成因等待串口傳輸數(shù)據(jù)引起的時間浪費。

4.1 Matlab下串口編程

MATLAB的Instrument Control Toolbox提供了 MATLAB與儀器儀表通信的功能 ,它支持 GPIB 通用接口總線 、VISA、TCP/ IP、UDP、RS2232等多個協(xié)議 ,具有同步和異步讀寫功能以及事件處理和回調(diào)操作功能,可讀寫和記錄二進(jìn)制和ASCII文本數(shù)據(jù)。與串口有關(guān)的主要函數(shù)如下[3]：

(1)建立串口對象函數(shù)：obj=seril(’port’,’property name’,propertyvalue……)，其中主要的屬性有：baudrate(波特率)，databits(數(shù)據(jù)位)，parity(校驗方式)，stopbits(終止位)等，可以在初始化時進(jìn)行賦值或者使用set函數(shù)。

(2)打開串口設(shè)備對象：fopen(obj)

(3) 串口讀寫操作：當(dāng)matlab通信數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制格式時，讀寫串口設(shè)備的命令為fread()和fwrite();當(dāng)通行數(shù)據(jù)采用文本(ASCII)格式時，讀寫串口設(shè)備的命令為fscanf()和fprintf()。

(4)關(guān)閉并清除設(shè)備對象：

Fclose(obj);%關(guān)閉串口設(shè)備對象

Delete(obj);%刪除內(nèi)存中的串口設(shè)備對象

基于本系統(tǒng)串口通信協(xié)議，對串口對象的讀寫部分程序如下：

Obj=serial(’com1’，’baudrate’,9600,’parity’,’none’,’databits’,8,’stopbits’,1);%初始化串口

Fopen(obj);%打開串口對象

Fwrite(obj，256);%向串口發(fā)送握手信號0xff

TMP=fread(obj，3，’unit8’);%從串口讀取3字節(jié)數(shù)據(jù)，后2個即是16bit溫度數(shù)據(jù)

If TMP(1)= =256 %判斷第一個字節(jié)受否是握手信號

For i = 1：3

Dat(i)=TMP(i+1);%剔除第一個握手信號字節(jié)

End

End

Fclose(obj);%關(guān)閉串口設(shè)備對象

Delete(obj);%刪除內(nèi)存中的串口設(shè)備對象

4.2 Matlab數(shù)據(jù)分析

單片機一般能處理簡單的8位無符號數(shù)的四則運算，而DS18B20可以程序設(shè)定9~12位的分辨率，精度可達(dá)±0.5℃，溫度以16bit帶符號位擴展的二進(jìn)制補碼形式讀出，如果使用單片機進(jìn)行快速的實時處理則比較費力，同時單片機還要與DS18B20及上位機通信，系統(tǒng)資源也比較緊張。因而可以將讀取的16bit溫度數(shù)據(jù)直接送往PC機，由上位機來完成。Matlab強大的計算能力和繪圖功能給數(shù)據(jù)分析帶來了極大的方便，這不僅可以合理利用系統(tǒng)資源，也使得系統(tǒng)的通信過程更流暢。

圖2所示的是用DS18B20測得的連續(xù)10個溫度數(shù)據(jù)的變化曲線圖。使用max()和min()函數(shù)可以求出溫度的極大極小值，調(diào)用polyfit()函數(shù)還可以進(jìn)行最小二乘回歸分析與曲線擬合，進(jìn)而求出溫度變化的解析式，本實驗中使用二階擬合后，得到的溫度隨時間變化的函數(shù)解析式為：F(T)= 0.0125*T2 - 0.0145T+27.3083.

5 結(jié)語

Matlab是一款在控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的軟件，本實驗基于Matlab環(huán)境下PC機與單片機實時通信及數(shù)據(jù)處理的方法，設(shè)計了一個小型溫度檢測系統(tǒng)，串口通信使用Matlab編程，極大的提高了開發(fā)效率，充分利用了Matlab的強大的數(shù)據(jù)分析能力，得到了溫度隨時間變化的函數(shù)解析式，取得了較好的效果，擴展了Matlab的使用范圍，具有一定實用性。

本文作者創(chuàng)新觀點：使用DS18B20傳感器簡化了硬件結(jié)構(gòu)，采用Matlab編程，充分利用其數(shù)據(jù)分析能力，合理利用系統(tǒng)資源，提高了開發(fā)效率，擴展了Matlab的使用范圍。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 顧振宇.劉魯源,杜振輝.DS18B20接口的C語言程序設(shè)計.[J] 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用.2005 .12(6):22~24

[3] 向先波,徐國華. Matlab環(huán)境下PC機與單片機的串行通信及數(shù)據(jù)處理.[J] 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用.2004 .12:27~31

[4] 李群芳, 張士軍,黃建. 單片微型計算機與接口技術(shù)(第二版). [M].電子工業(yè)出版社.2005