基于Matlab的一种小型温度检测系统的设计

1 前言

温度是表征环境的一个重要的参数。在工程领域，尤其像工程热力学等，温度检测非常普遍，对温度精确测量以便实时控制也显得尤为重要。

在控制系统中，上位机与下位机之间实现通信的方法和应用平台很多。目前，以VB和VC开发的通信软件较多，然而，这类软件虽然功能完善，但是数据采集到计算机后要进行各种处理（例如滤波，系统辨识，曲线拟合等）就显得不方便，编程比较复杂。Matlab具有强大的数据处理能力及功能丰富的工具箱，被广泛的应用于信号处理、自动控制等领域。它编程语言简单易学，利用简单的命令就可以代替复杂的代码，极大地提高了开发效率。

本实验基于Matlab环境下设计了一个小型温度检测系统，下位机使用AT89S51单片机和DS18B20完成温度数据采集，上位机在Matlab环境下，调用设备控制箱serial类操作ＲＳ－232串口，用串行通信方式交换数据，进而借助Matlab对数据进行分析和处理，得到了温度随时间变化的函数解析式，同时介绍了基于Matlab环境下PC机与单片机串行通信的实时数据处理的实现方法。

2 系统总体设计

图1 系统结构图

温度检测系统的整体结构如图1所示。PC机串口与单片机USART口通过MAX232电平转换芯片相连，构成一个主从式通信系统。系统工作时，单片机对串口和DS18B20初始化，在读取温度的同时等待中断。PC机通过调用Matlab设备控制工具箱中的serial类及相关函数来创建串口设备对象，并以读写文件的方式实现对PC机串行口的访问，PC机通过Matlab向串行口发送特殊指令从而触发单片机中断系统，单片机调用中断服务例程，读取即使温度并将采集的数据通过串行口回送给PC机。此时，Matlab通过查询的方式，实时接收单片机发送的数据，并完成对数据的分析处理及图形显示。

3 下位机部分

下位机部分由AT89S51单片机和DS18B20温度传感器构成，主要负责温度数据的采集工作，并通过串行通信实时地将数据传送到上位机进行处理，PC机与MUC串口通信技术相对而言已经比较成熟。

3.1串行通信协议

串口通信协议SPCP（Serial Port Communication Protocol）设计思想是基于帧传输方式,在本实验中,设定字符格式为1个起始位，8个数据位和一个停止位，无奇偶校验，中间8位即为有效数据，波特率设置为9600，为保证数据可靠传输,在传送数据前通过握手建立连接,软件握手协议规定如下：

上位机发送握手信号0xff给下位机，下位机如果接受到上位机的信号为握手信号，则回送数据包给上位机，其中第一个数据为握手信号，以二个数据为温度传感器采集到的温度数据，此时，上位机如果接受到的第一个数据不是握手信号，则丢弃该数据包，若是，则表示握手成功，直接存储第二个数据。

3.2温度数据采集（DS18B20）

本系统中采用DALLAS生产的“一线总线”可编程数字化温度传感器DS18B20，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯，在使用中不需要任何外围元件，设计可用数据线供电，简化系统的硬件，同时支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温，使用起来非常方便。尽管如此，DS18B20是以牺牲软件资源换取硬件资源的，由于采用单总线数据出数方式，DS18B20的数据I/O均由同一根线完成，因此，对读写的操作时序要求非常严格。

根据DTASHEET，对DS18B20的编程主要注意以下几个方面：

1）、精确延时问题：为了保证DS18B20的严格时序，可以将延时分为2种：10us以下的短延时和10us以上的长延时。短延时可以使用C51提供的内部函数_nop_()来实现，一个nop()函数相当于一条DJNZ汇编指令，约2us；长延时主要有15us，90us，270us，540us等，这些延时均为15us的整数倍，一次可以使用nop()函数编写一个延时15us的函数delay15（n）。

2）、基本操作：DS18B20的一线工作协议流程是：初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输。对DS18B20 进行所有的读写操作都是从初始化开始的，主要分为初始化操作，读操作和写操作。

基于以上分析，对DS18B20的编程源码如下：

Init_DS18B20(void) //初始化函数

{DQ = 1; //DQ复位  

Delay15(1); //稍做延时

DQ = 0; //单片机将DQ拉低

Delay15(32); //精确延时 大于 480us

DQ = 1; //拉高总线

Delay15(6); //延时90us

x=DQ; //读存在脉冲

delay15(20); //延时约270us

}

Write_DS18B20(unsigned char dat)//写一个字节

{

unsigned char i="0";//定义循环变量

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

{

DQ = 0; //复位

DQ = dat&0x01;//取数据的第i位并送出

Delay15(1);//延时

DQ = 1; //停止

dat>>=1;//右移

}

}

Read_DS18B20(void)//读一个字节

{

unsigned char i="0";

unsigned char dat = 0;

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

{

DQ = 0; // 复位

dat>>=1;

DQ = 1; // 给脉冲信号

if(DQ)

dat|=0x80;//取位脉冲并存入dat

delay15(1);//延时

}

return(dat);

}