Matlab在小型溫度檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用-設(shè)計應(yīng)用

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1前言

防潮、防霉、防腐、防爆是倉庫日常工作的重要內(nèi)容，是衡量倉庫管理質(zhì)量的重要指標。它直接影響到儲備物資的使用壽命和工作可靠性。為保證日常工作的順利進行，首要問題是加強倉庫內(nèi)溫度與濕度的監(jiān)測工作。但傳統(tǒng)的方法是用與濕度表、毛發(fā)濕度表、雙金屬式測量計和濕度試紙等測試器材，通過人工進行檢測，對不符合溫度和濕度要求的庫房進行通風、去濕和降溫等工作。這種人工測試方法費時費力、效率低，且測試的溫度及濕度誤差大，隨機性大。因此我們需要一種造價低廉、使用方便且測量準確的溫濕度測量儀。

本實驗基于Matlab環(huán)境下設(shè)計了一個小型溫度檢測系統(tǒng)，下位機使用AT89S51單片機和DS18B20完成溫度數(shù)據(jù)采集，上位機在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)，進而借助Matlab對數(shù)據(jù)進行分析和處理，得到了溫度隨時間變化的函數(shù)解析式，同時介紹了基于Matlab環(huán)境下PC機與單片機串行通信的實時數(shù)據(jù)處理的實現(xiàn)方法。

2系統(tǒng)總體設(shè)計

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

溫度檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。PC機串口與單片機USART口通過MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片相連，構(gòu)成一個主從式通信系統(tǒng)。系統(tǒng)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(diào)用Matlab設(shè)備控制工具箱中的serial類及相關(guān)函數(shù)來創(chuàng)建串口設(shè)備對象，并以讀寫文件的方式實現(xiàn)對PC機串行口的訪問，PC機通過Matlab向串行口發(fā)送特殊指令從而觸發(fā)單片機中斷系統(tǒng)，單片機調(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(fā)送的數(shù)據(jù)，并完成對數(shù)據(jù)的分析處理及圖形顯示。

MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。

3下位機部分

下位機部分由AT89S51單片機和DS18B20溫度傳感器構(gòu)成，主要負責溫度數(shù)據(jù)的采集工作，并通過串行通信實時地將數(shù)據(jù)傳送到上位機進行處理，PC機與MUC串口通信技術(shù)相對而言已經(jīng)比較成熟。

3.1串行通信協(xié)議

串口通信協(xié)議SPCP（SerialPortCommunicationProtocol）設(shè)計思想是基于幀傳輸方式，在本實驗中，設(shè)定字符格式為1個起始位，8個數(shù)據(jù)位和一個停止位，無奇偶校驗，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)前通過握手建立連接，軟件握手協(xié)議規(guī)定如下：

上位機發(fā)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(shù)據(jù)包給上位機，其中個數(shù)據(jù)為握手信號，以二個數(shù)據(jù)為溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)，此時，上位機如果接受到的個數(shù)據(jù)不是握手信號，則丟棄該數(shù)據(jù)包，若是，則表示握手成功，直接存儲第二個數(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,與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(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)計可用數(shù)據(jù)線供電，簡化系統(tǒng)的硬件，同時支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)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(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，對讀寫的操作時序要求非常嚴格。

根據(jù)DTASHEET,對DS18B20的編程主要注意以下幾個方面：

1,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(nèi)部函數(shù)_nop_（）來實現(xiàn)，一個nop（）函數(shù)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(shù)倍，可以使用nop（）函數(shù)編寫一個延時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→存儲器操作指令→數(shù)據(jù)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(shù)

{DQ=1;//DQ復位

Delay15（1）；//稍做延時

DQ=0;//單片機將DQ拉低

Delay15（32）；//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（unsignedchardat）//寫一個字節(jié)

{

unsignedchari="0";//定義循環(huán)變量

for（i=0;i8;i++）

{

DQ=0;//復位

DQ=dat0x01;//取數(shù)據(jù)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(jié)

{

unsignedchari="0";

unsignedchardat=0;

for（i=8;i0;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(fā)送命令實現(xiàn)對下位機的控制，并實時地接受下位機傳送過來的數(shù)據(jù)，對其分析處理，將結(jié)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?qū)ο蠹夹g(shù)，通過調(diào)用InstrumentControlToolbox中的serial類函數(shù)來創(chuàng)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(zhí)行效率。Matlab用多線程技術(shù)實現(xiàn)這種異步操作，通過異步讀寫設(shè)置，計算機在執(zhí)行讀寫串口函數(shù)時能立即返回不必等待串口把數(shù)據(jù)傳輸完畢，當指定的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時就觸發(fā)事件，執(zhí)行事件回調(diào)函數(shù)，可以在事件回調(diào)函數(shù)中編程，進行數(shù)據(jù)處理，這樣就不會造成因等待串口傳輸數(shù)據(jù)引起的時間浪費。

4.1Matlab下串口編程

MATLAB的InstrumentControlToolbox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(xié)議,具有同步和異步讀寫功能以及事件處理和回調(diào)操作功能，可讀寫和記錄二進制和ASCII文本數(shù)據(jù)。與串口有關(guān)的主要函數(shù)如下[3]:

（1）建立串口對象函數(shù)：obj=seril（'port','propertyname',propertyvalue……），其中主要的屬性有：baudrate（波特率），databits（數(shù)據(jù)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(shù)。

（2）打開串口設(shè)備對象：fopen（obj）

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

（4）關(guān)閉并清除設(shè)備對象：

Fclose（obj）；%關(guān)閉串口設(shè)備對象

Delete（obj）；%刪除內(nèi)存中的串口設(shè)備對象

基于本系統(tǒng)串口通信協(xié)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(fā)送握手信號0xff

TMP=fread（obj,3,'unit8'）；%從串口讀取3字節(jié)數(shù)據(jù)，后2個即是16bit溫度數(shù)據(jù)

IfTMP（1）==256%判斷個字節(jié)受否是握手信號

Fori=1:3

Dat（i）=TMP（i+1）；%剔除個握手信號字節(jié)

End

End

Fclose（obj）；%關(guān)閉串口設(shè)備對象

Delete（obj）；%刪除內(nèi)存中的串口設(shè)備對象

4.2Matlab數(shù)據(jù)分析

單片機一般能處理簡單的8位無符號數(shù)的四則運算，而DS18B20可以程序設(shè)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(tǒng)資源也比較緊張。因而可以將讀取的16bit溫度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析帶來了極大的方便，這不僅可以合理利用系統(tǒng)資源，也使得系統(tǒng)的通信過程更流暢。

圖2所示的是用DS18B20測得的連續(xù)10個溫度數(shù)據(jù)的變化曲線圖。使用max（）和min（）函數(shù)可以求出溫度的極大極小值，調(diào)用polyfit（）函數(shù)還可以進行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(shù)解析式為：F（T）=0.0125*T2-0.0145