基于Matlab的一種小型溫度檢測(cè)系統(tǒng)

　　1 前言

　　溫度是表征環(huán)境的一個(gè)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(cè)非常普遍，對(duì)溫度精確測(cè)量以便實(shí)時(shí)控制也顯得尤為重要。

　　在控制系統(tǒng)中，上位機(jī)與下位機(jī)之間實(shí)現(xiàn)通信的方法和應(yīng)用平臺(tái)很多。目前，以VB和VC開(kāi)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(jì)算機(jī)后要進(jìn)行各種處理（例如濾波，系統(tǒng)辨識(shí)，曲線擬合等）就顯得不方便，編程比較復(fù)雜。Matlab具有強(qiáng)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(hào)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(fù)雜的代碼，極大地提高了開(kāi)發(fā)效率。

　　本實(shí)驗(yàn)基于Matlab環(huán)境下設(shè)計(jì)了一個(gè)小型溫度檢測(cè)系統(tǒng)，下位機(jī)使用AT89S51單片機(jī)和DS18B20完成溫度數(shù)據(jù)采集，上位機(jī)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得到了溫度隨時(shí)間變化的函數(shù)解析式，同時(shí)介紹了基于Matlab環(huán)境下PC機(jī)與單片機(jī)串行通信的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的實(shí)現(xiàn)方法。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　溫度檢測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。PC機(jī)串口與單片機(jī)USART口通過(guò)MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片相連，構(gòu)成一個(gè)主從式通信系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)對(duì)串口和DS18B20初始化，在讀取溫度的同時(shí)等待中斷。PC機(jī)通過(guò)調(diào)用Matlab設(shè)備控制工具箱中的serial類及相關(guān)函數(shù)來(lái)創(chuàng)建串口設(shè)備對(duì)象，并以讀寫文件的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)PC機(jī)串行口的訪問(wèn)，PC機(jī)通過(guò)Matlab向串行口發(fā)送特殊指令從而觸發(fā)單片機(jī)中斷系統(tǒng)，單片機(jī)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(guò)串行口回送給PC機(jī)。此時(shí)，Matlab通過(guò)查詢的方式，實(shí)時(shí)接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理及圖形顯示。                   

　　3 下位機(jī)部分

　　下位機(jī)部分由AT89S51單片機(jī)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(guò)串行通信實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理，PC機(jī)與MUC串口通信技術(shù)相對(duì)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(jì)思想是基于幀傳輸方式,在本實(shí)驗(yàn)中,設(shè)定字符格式為1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，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(guò)握手建立連接,軟件握手協(xié)議規(guī)定如下：

　　上位機(jī)發(fā)送握手信號(hào)0xff給下位機(jī)，下位機(jī)如果接受到上位機(jī)的信號(hào)為握手信號(hào)，則回送數(shù)據(jù)包給上位機(jī)，其中第一個(gè)數(shù)據(jù)為握手信號(hào)，以二個(gè)數(shù)據(jù)為溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)，此時(shí)，上位機(jī)如果接受到的第一個(gè)數(shù)據(jù)不是握手信號(hào)，則丟棄該數(shù)據(jù)包，若是，則表示握手成功，直接存儲(chǔ)第二個(gè)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(shí)僅需要一條口線即可實(shí)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(jì)可用數(shù)據(jù)線供電，簡(jiǎn)化系統(tǒng)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)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)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(duì)讀寫的操作時(shí)序要求非常嚴(yán)格。

　　根據(jù)DTASHEET，對(duì)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(yán)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(zhǎng)延時(shí)。短延時(shí)可以使用C51提供的內(nèi)部函數(shù)_nop_()來(lái)實(shí)現(xiàn)，一個(gè)nop()函數(shù)相當(dāng)于一條DJNZ匯編指令，約2us；長(zhǎng)延時(shí)主要有15us，90us，270us，540us等，這些延時(shí)均為15us的整數(shù)倍，一次可以使用nop()函數(shù)編寫一個(gè)延時(shí)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(chǔ)器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)DS18B20 進(jìn)行所有的讀寫操作都是從初始化開(kāi)始的，主要分為初始化操作，讀操作和寫操作。