基于Matlab的一種小型溫度檢測系統的設計

1 前言

　　溫度是表征環境的一個重要的參數。在工程領域，尤其像工程熱力學等，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。

　　在控制系統中，上位機與下位機之間實現通信的方法和應用平臺很多。目前，以VB和VC開發的通信軟件較多，然而，這類軟件雖然功能完善，但是數據采集到計算機后要進行各種處理（例如濾波，系統辨識，曲線擬合等）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、自動控制等領域[1]。它編程語言簡單易學，利用簡單的命令就可以代替復雜的代碼，極大地提高了開發效率。

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

　　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MAX232電平轉換芯片相連，構成一個主從式通信系統。系統工作時，單片機對串口和DS18B20初始化，在讀取溫度的同時等待中斷。PC機通過調用Matlab設備控制工具箱中的serial類及相關函數來創建串口設備對象，并以讀寫文件的方式實現對PC機串行口的訪問，PC機通過Matlab向串行口發送特殊指令從而觸發單片機中斷系統，單片機調用中斷服務例程，讀取即使溫度并將采集的數據通過串行口回送給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，并通過串行通信實時地將數據傳送到上位機進行處理，PC機與MUC串口通信技術相對而言已經比較成熟。

　　3.1串行通信協議

　　串口通信協議SPCP（Serial Port Communication Protocol）設計思想是基于幀傳輸方式,在本實驗中,設定字符格式為1個起始位，8個數據位和一個停止位，無奇偶校驗，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,在傳送數據前通過握手建立連接,軟件握手協議規定如下：

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

　　3.2溫度數據采集（DS18B20）

　　本系統中采用DALLAS生產的“一線總線”可編程數字化溫度傳感器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，設計可用數據線供電，簡化系統的硬件，同時支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在惟一的三線上，實現多點測溫，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，由于采用單總線數據出數方式，DS18B20的數據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格。

　　根據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提供的內部函數_nop_()來實現，一個nop()函數相當于一條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的整數倍，一次可以使用nop()函數編寫一個延時15us的函數delay15（n）。

　2，基本操作：DS18B20的一線工作協議流程是：初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數據傳輸。對DS18B20 進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

　　{DQ = 1;??? //DQ復位

　　?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

　　{

　　?unsigned char i="0";//定義循環變量

　　?for (i=0; i<8; i++)

　　?{

　　? DQ = 0; //復位

　　? DQ = dat&0x01;//取數據的第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

　　{

　　unsigned char i="0";

　　unsigned char dat = 0;

　　for (i=8;i>0;i--)

　　?{

　　? DQ = 0; // 復位

　　? 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送命令實現對下位機的控制，并實時地接受下位機傳送過來的數據，對其分析處理，將結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，但是支持面向對象技術，通過調用Instrument Control Toolbox中的serial類函數來創建串口對象，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行其他處理工作，因而能大大提高計算機執行效率。Matlab用多線程技術實現這種異步操作，通過異步讀寫設置，計算機在執行讀寫串口函數時能立即返回不必等待串口把數據傳輸完畢， 當指定的數據傳輸結束時就觸發事件，執行事件回調函數，可以在事件回調函數中編程，進行數據處理，這樣就不會造成因等待串口傳輸數據引起的時間浪費。

　　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等多個協議 ,具有同步和異步讀寫功能以及事件處理和回調操作功能,可讀寫和記錄二進制和ASCII文本數據。與串口有關的主要函數如下[3]：

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

　　（2）打開串口設備對象：fopen（obj）

　　（3） 串口讀寫操作：當matlab通信數據采用二進制格式時，讀寫串口設備的命令為fread()和fwrite()；當通行數據采用文本（ASCII）格式時，讀寫串口設備的命令為fscanf（）和fprintf（）。

　　（4）關閉并清除設備對象：

　　Fclose（obj）；%關閉串口設備對象

　　Delete（obj）；%刪除內存中的串口設備對象

　　基于本系統串口通信協議，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）；%向串口發送握手信號0xff

　　TMP=fread（obj，3，’unit8’）；%從串口讀取3字節數據，后2個即是16bit溫度數據

　　If TMP（1）= =256?? %判斷第一個字節受否是握手信號

　　? For i = 1：3

　　Dat（i）=TMP（i+1）；%剔除第一個握手信號字節

　　End

　　End

　　Fclose（obj）；%關閉串口設備對象

　　Delete（obj）；%刪除內存中的串口設備對象

　　4.2 Matlab數據分析

　　單片機一般能處理簡單的8位無符號數的四則運算，而DS18B20可以程序設定9~12位的分辨率，精度可達±0.5℃，溫度以16bit帶符號位擴展的二進制補碼形式讀出，如果使用單片機進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，系統資源也比較緊張。因而可以將讀取的16bit溫度數據直接送往PC機，由上位機來完成。Matlab強大的計算能力和繪圖功能給數據分析帶來了極大的方便，這不僅可以合理利用系統資源，也使得系統的通信過程更流暢。

　　圖2所示的是用DS18B20測得的連續10個溫度數據的變化曲線圖。使用max（）和min（）函數可以求出溫度的極大極小值，調用polyfit（）函數還可以進行最小二乘回歸分析與曲線擬合，進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解析式為：F（T）= 0.0125*T2 - 0.0145T+27.3083.

　　5 結語

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

　　本文作者創新觀點：使用DS18B20傳感器簡化了硬件結構，采用Matlab編程，充分利用其數據分析能力，合理利用系統資源，提高了開發效率，擴展了Matlab的使用范圍。