基于Matlab的一種小型溫度檢測系統

　　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。