Matlab在小型溫度檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用

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1前言

防潮、防霉、防腐、防爆是倉(cāng)庫(kù)日常工作的重要內(nèi)容，是衡量倉(cāng)庫(kù)管理質(zhì)量的重要指標(biāo)。它直接影響到儲(chǔ)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(jìn)行，首要問題是加強(qiáng)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)溫度與濕度的監(jiān)測(cè)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(cè)量計(jì)和濕度試紙等測(cè)試器材，通過人工進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)不符合溫度和濕度要求的庫(kù)房進(jìn)行通風(fēng)、去濕和降溫等工作。這種人工測(cè)試方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低，且測(cè)試的溫度及濕度誤差大，隨機(jī)性大。因此我們需要一種造價(jià)低廉、使用方便且測(cè)量準(zhǔn)確的溫濕度測(cè)量?jī)x。

本實(shí)驗(yàn)基于Matlab環(huán)境下設(shè)計(jì)了一個(gè)小型溫度檢測(cè)系統(tǒng)，下位機(jī)使用AT89S51單片機(jī)和DS18B20完成溫度數(shù)據(jù)采集，上位機(jī)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(jìn)而借助Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得到了溫度隨時(shí)間變化的函數(shù)解析式，同時(shí)介紹了基于Matlab環(huán)境下PC機(jī)與單片機(jī)串行通信的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的實(shí)現(xiàn)方法。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

溫度檢測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。PC機(jī)串口與單片機(jī)USART口通過MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片相連，構(gòu)成一個(gè)主從式通信系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)對(duì)串口和DS18B20初始化，在讀取溫度的同時(shí)等待中斷。PC機(jī)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(duì)象，并以讀寫文件的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)PC機(jī)串行口的訪問，PC機(jī)通過Matlab向串行口發(fā)送特殊指令從而觸發(fā)單片機(jī)中斷系統(tǒng)，單片機(jī)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(jī)。此時(shí)，Matlab通過查詢的方式，實(shí)時(shí)接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理及圖形顯示。

MATLAB是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)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(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。

3下位機(jī)部分

下位機(jī)部分由AT89S51單片機(jī)和DS18B20溫度傳感器構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集工作，并通過串行通信實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理，PC機(jī)與MUC串口通信技術(shù)相對(duì)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(jì)思想是基于幀傳輸方式，在本實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定字符格式為1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)，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(jī)發(fā)送握手信號(hào)0xff給下位機(jī)，下位機(jī)如果接受到上位機(jī)的信號(hào)為握手信號(hào)，則回送數(shù)據(jù)包給上位機(jī)，其中個(gè)數(shù)據(jù)為握手信號(hào)，以二個(gè)數(shù)據(jù)為溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)，此時(shí)，上位機(jī)如果接受到的個(gè)數(shù)據(jù)不是握手信號(hào)，則丟棄該數(shù)據(jù)包，若是，則表示握手成功，直接存儲(chǔ)第二個(gè)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(shí)僅需要一條口線即可實(shí)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(jì)可用數(shù)據(jù)線供電，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件，同時(shí)支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)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(duì)讀寫的操作時(shí)序要求非常嚴(yán)格。

根據(jù)DTASHEET,對(duì)DS18B20的編程主要注意以下幾個(gè)方面：

1,延時(shí)問題[2]:為了保證DS18B20的嚴(yán)格時(shí)序，可以將延時(shí)分為2種：10us以下的短延時(shí)和10us以上的長(zhǎng)延時(shí)。短延時(shí)可以使用C51提供的內(nèi)部函數(shù)_nop_（）來實(shí)現(xiàn)，一個(gè)nop（）函數(shù)相當(dāng)于一條DJNZ匯編指令，約2us;長(zhǎng)延時(shí)主要有15us,90us,270us,540us等，這些延時(shí)均為15us的整數(shù)倍，可以使用nop（）函數(shù)編寫一個(gè)延時(shí)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(chǔ)器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)DS18B20進(jìn)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(duì)DS18B20的編程源碼如下：

Init_DS18B20（void）//初始化函數(shù)

{DQ=1;//DQ復(fù)位

Delay15（1）；//稍做延時(shí)

DQ=0;//單片機(jī)將DQ拉低

Delay15（32）；//延時(shí)大于480us

DQ=1;//拉高總線

Delay15（6）；//延時(shí)90us

x=DQ;//讀存在脈沖

delay15（20）；//延時(shí)約270us

}

Write_DS18B20（unsignedchardat）//寫一個(gè)字節(jié)

{

unsignedchari="0";//定義循環(huán)變量

for（i=0;i8;i++）

{

DQ=0;//復(fù)位

DQ=dat0x01;//取數(shù)據(jù)的第i位并送出

Delay15（1）；//延時(shí)

DQ=1;//停止

dat》=1;//右移

}

}

Read_DS18B20（void）//讀一個(gè)字節(jié)

{

unsignedchari="0";

unsignedchardat=0;

for（i=8;i0;i--）

{

DQ=0;//復(fù)位

dat》=1;

DQ=1;//給脈沖信號(hào)

if（DQ）

dat|=0x80;//取位脈沖并存入dat

delay15（1）；//延時(shí)

}

return（dat）；

}

4上位機(jī)部分（PC）

上位機(jī)通過串口向下位機(jī)發(fā)送命令實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的控制，并實(shí)時(shí)地接受下位機(jī)傳送過來的數(shù)據(jù)，對(duì)其分析處理，將結(jié)果用圖形顯示并存儲(chǔ)，完成人機(jī)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(duì)象，對(duì)串口對(duì)象操作就是對(duì)串口操作，使用起非常方便。同時(shí)，Matlab封裝的串口對(duì)象支持對(duì)串口的異步讀寫操作，使得計(jì)算機(jī)在讀寫串口時(shí)能同時(shí)進(jìn)行其他處理工作，因而能大大提高計(jì)算機(jī)執(zhí)行效率。Matlab用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)這種異步操作，通過異步讀寫設(shè)置，計(jì)算機(jī)在執(zhí)行讀寫串口函數(shù)時(shí)能立即返回不必等待串口把數(shù)據(jù)傳輸完畢，當(dāng)指定的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這樣就不會(huì)造成因等待串口傳輸數(shù)據(jù)引起的時(shí)間浪費(fèi)。

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(gè)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(jìn)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(duì)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(yàn)方式），stopbits（終止位）等，可以在初始化時(shí)進(jìn)行賦值或者使用set函數(shù)。

（2）打開串口設(shè)備對(duì)象：fopen（obj）

（3）串口讀寫操作：當(dāng)matlab通信數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制格式時(shí)，讀寫串口設(shè)備的命令為fread（）和fwrite（）；當(dāng)通行數(shù)據(jù)采用文本（ASCII）格式時(shí)，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(duì)象：

Fclose（obj）；%關(guān)閉串口設(shè)備對(duì)象

Delete（obj）；%刪除內(nèi)存中的串口設(shè)備對(duì)象

基于本系統(tǒng)串口通信協(xié)議，對(duì)串口對(duì)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(duì)象

Fwrite（obj,256）；%向串口發(fā)送握手信號(hào)0xff

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

IfTMP（1）==256%判斷個(gè)字節(jié)受否是握手信號(hào)

Fori=1:3

Dat（i）=TMP（i+1）；%剔除個(gè)握手信號(hào)字節(jié)

End

End

Fclose（obj）；%關(guān)閉串口設(shè)備對(duì)象

Delete（obj）；%刪除內(nèi)存中的串口設(shè)備對(duì)象

4.2Matlab數(shù)據(jù)分析

單片機(jī)一般能處理簡(jiǎn)單的8位無符號(hào)數(shù)的四則運(yùn)算，而DS18B20可以程序設(shè)定9~12位的分辨率，精度可達(dá)±0.5℃，溫度以16bit帶符號(hào)位擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式讀出，如果使用單片機(jī)進(jìn)行快速的實(shí)時(shí)處理則比較費(fèi)力，同時(shí)單片機(jī)還要與DS18B20及上位機(jī)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(jī)，由上位機(jī)來完成。Matlab強(qiáng)大的計(jì)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(cè)得的連續(xù)10個(gè)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(jìn)行二乘回歸分析與曲線擬合，進(jìn)而求出溫度變化的解析式，本實(shí)驗(yàn)中使用二階擬合后，得到的溫度隨時(shí)間變化的函數(shù)解析式為：F（T）=0.0125*T2-0.0145