基于单片机与PC机的温度监测系统设计

摘要：设计了基于单片机和PC机的温度监测系统，温度传感器采用DS18B20。下位机采用AT89S52单片机，可以显示温度和超限报警。PC机作为上住机设定上下限报警温度，接收单片机的温度数据，处理后实时显示温度和绘制温度曲线，还实现了超限报警和保存数据功能。上位机利用Matlab强大的数值计算、图形显示和串口操作功能，具有友好人机交互界面，实现了温度动态监测。
关键词：单片机；PC机；温度监测；Matlab；串口

温度是一个重要的物理量，在工农业生产和日常生活中，经常需要对环境温度进行监测。本文设计了一个温度监测系统，温度传感器采用DS18B20，下位机采用AT89S52单片机，实现温度测量、显示、超限报警等功能，上位机采用PC机，利用Matlab设计了友好人机交互界面，实现温度的采集、显示、绘图、报警、保存数据等功能。

1 系统总体设计
系统采用AT89S52单片机作为下位机，PC机作为上位机，二者通过串口发送或接收数据，实现环境温度的测量、显示、超限报警、测温数据保存等功能。系统总体设计框图如图1所示。

单片机最小系统包括单片机工作所必需的复位电路、时钟电路和电源电路。温度传感器采用DS18B20芯片，测量温度范围为-55～+125 ℃，该芯片不需要外接电源，可编程的分辨率为9～12位，测温分辨率最高可达0．062 5℃，数据传送只需要一条通信线，接单片机的P2．0口。温度显示部分使用4个八段LED共阳极数码管，采用动态驱动方式，数码管的a，b，c，d，e，f，g，DP八段由单片机P0．0—P0．7口控制，单片机的P1．0—P1．3口控制4个数码管轮流动态显示。超限温度报警采用蜂鸣器，由单片机的P2．1口控制发声。
PC机的串行口采用的是标准的RS 232接口，而单片机的串行口电平是TTL电平，与RS 232的电气特性不匹配，所以系统采用常用芯片MAX 232来完成电平的转换，使单片机的串行口能与RS 232接口通信。上位机动态温度监测系统利用Matlab软件设计友好人机交互界面，实现温度数据的设置、采集、计算、显示与保存等功能。

2 下位机程序设计
单片机作为下位机，其主要任务是：
1)通过DS18B20实现温度数据的采集和处理，并在LED数码管上实时显示当前温度，保留小数点后1位；
2)通过串口接收上位机设定的上下限报警温度，并在LED数码臂上显示；
3)通过串口接收要求发送温度数据的命令，向上位机发送温度数据；
4)判断当前温度，如果超限启动蜂鸣器报警，设定不同频率的方波驱动蜂鸣器发出不同声音，用来区分超上限还是超下限。

单片机采用Keil C51编写程序，DS18B20分辨率设为12位，其主程序流程图如图2所示。主程序主要完成系统的初始化，主要包括DS18B20和串口的初始化；4个LED数码管显示“0000”，等待上位机发送上限温度数据；接收数据后显示，等待上位机发送下限温度数据；接收数据，显示下限温度并延迟约2秒后开始测湿。读DS18B20温度值，将读取的低8位字节和高8位字节组成16位无符号整型温度数据(其中低4位为沮度的小数部分，中间8位为温度的整数部分)，处理沮度数据并在数码臂上显示温度值；判断温度，超限报警；接收到上位机发送的命令字“255”就向上位机发送由DS18B20读出的16位温度数据，先发送低8位字节，后发送高8位字节；返回读DS18B20温度值。

3 上位机程序设计
PC机作为上位机，主要任务包括：
1)设定上下限报警温度，通过串口发送给下位机；
2)通过串口发送要求单片机传送温度数据的命令，命令数据为“255”；
3)通过串口接收下位机的温度数据，做各种运算后显示温度值，并绘图；
4)判断当前温度，如果超限启动报警指示和发声报警；
5)保存测温时间及数据，以备查询。
上位机采用Matlab编写程序实现与下位机通信及温度监测。Matlab是MathWorks公司开发的科学计算软件，具有强大的数值计算和图形显示功能，利用Matlab，用户还可以操作计算机的串口与外部设备进行通信，并且支持BS-232、RS422和RS485接口标准。Matlab内置了GUI(Gr aphie UserInterface)模块，具有界面设计开发功能。本文利用MatlabGUI设计了上位机系统界面，采用M文件编程设计的方式，比GUIDE(Graphical User Interface Development Environment)辅助设计的方式功能更强，且代码易于修改。系统测温的界面如图3所示。

测温界面保留了MATLAB窗体框架窗口的菜单，利用菜单设计函数uimenu()设计了一级菜单About和二级菜单Operation steps和Contact us，可以弹出窗口显示系统的操作步骤和作者的联系方式。
利用函数uicontrol()的Style属性的text类型在窗口左下角建立设定上下限温度的显示、超限报警指示、测温开始和结束时间显示，在窗口右上角建立当前、最大、最小和平均温度显示。利用函数axes()建立1个位于窗口中心坐标轴，用于绘制动态温度曲线。利用函数uicontrol()的Style属性的pushbutton类型在窗口右下角建立5个按钮。对各控件编辑Callback回调函数，实现完整的上位机温度监测功能。
“打开串口”按钮操作主要完成串口初始化，其中利用了obi=serial(‘coml’，‘baudrate’，9600，‘parity’，‘none’，‘databits’，8，‘stopbits’，1)语句设定串口对象obj连接到串口com1，设定波特率为9600，不做奇偶校验，设定传输的数据位数目为8位，字节终止位数为1位。再利用fopen(obj)打开串口对象。
“关闭串口”按钮操作主要利用fclose(obj)和delete(obj)语句完成串口的释放。
“开始测温”按钮操作是系统软件的核心，利用了fwrite(obj，255)语句发送命令字“255”，要求下位机发送温度数据；利用fread(obj，2)语句接收2字节的16位温度数据，先接收低8位字节，后接收高8位字节，16位数据中低12位为温度数据，首先判断温度正负，再计算当前温度，累计测量温度的最大值、最小值和平均值，小数点后保留1位显示在界面的右上角数据显示区；根据当前温度利用plot()函数实时
绘制温度曲线；判断温度是否超限，如果超限进行报警指示，当前温度显示红色，并利用sound()函数发声报警。当温度超限时的报警界面如图4所示。