基于MATLAB的遠程多點溫度采集系統(tǒng)

和曉杰 李世中

【摘要】本文利用AT89C51和溫度傳感器DS18B20，及RS485串口通信技術(shù)，來實現(xiàn)遠距離溫度的采集。通過MATLAB的GUI設(shè)計，構(gòu)建控制界面，實現(xiàn)溫度曲線的繪制，高低溫報警，數(shù)據(jù)存儲，溫度變化分析等功能。

【關(guān)鍵詞】AT89C51;DS18B20;RS485;MATLAB GUI

Remote multipoint temperature acquisition system based on MATLAB

College of Mechatronics Engineering，North University of China ?He Xiaojie，Li Shizhong

Abstract：In this paper，by using AT89C51 and the temperature sensor DS18B20，and RS485 serial communication technology，to realize the remote temperature acquisition. Through MATLAB GUI design and build a control interface，realize the temperature curve drawing，high and low temperature alarm，data storage，temperature variation analysis，and other functions.

Key words：AT89C51;DS18B20;RS485;MATLAB GUI

引言

在生活生產(chǎn)中，溫度參數(shù)是極為重要的參數(shù)之一，對于溫室大棚，倉庫，樓層等場合，溫度的檢測和調(diào)控有很重要的意義。而以上場合均需要多個溫度值進行實時監(jiān)測，并且對于傳輸距離有一定的要求。本文的設(shè)計可以很好地滿足這類需求。

1.系統(tǒng)的總體設(shè)計

在系統(tǒng)中，通過單片機AT89C51和DS18B20讀取各個不同地點的溫度，而后通過RS485無線通信模塊，將采集到的溫度值傳遞到AT89C51單片機總機上面，而后該單片機通過串口通信將采集到的溫度值輸入到MATLAB構(gòu)建的控制平臺上。在該平臺上完成數(shù)據(jù)的顯示和存儲等功能。同時設(shè)置溫度的上下限值，當采集到的溫度值超出該范圍實現(xiàn)報警功能[1]。原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案圖

2.硬件電路設(shè)計

在整個溫度控制系統(tǒng)中，使用的硬件設(shè)備分別是DS18B20，單片機AT89C52，電腦（即上位機），報警裝置。在該系統(tǒng)中，使用led代替報警設(shè)備，用以表示當前是否符合系統(tǒng)的溫度要求。單片機AT89C51與電腦（上位機）通過RS485串口通信進行數(shù)據(jù)傳輸[2]。

2.1 AT89C52

AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4KB的可反復(fù)擦寫的程序存儲器和128B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。

2.2 DS18B20

DS18B20溫度傳感器是根據(jù)隨溫度變化而線性變化頻率的振蕩器通過計數(shù)器測出頻率再轉(zhuǎn)換成對應(yīng)溫度的原理，進行溫度測定的。對于溫度采集的時間， DS18B20的最長溫度轉(zhuǎn)換時間為750ms，在正常運作以后，DS18B20可以在1s內(nèi)完成一次溫度輸出。在精度方面，溫度測試范圍為-55～125℃，在-10～+85℃時精度為±0.5℃。其分辨率最大可以達到0.0625℃[3-4]。

2.3 DS18B20與AT89C51的通信

在DS18B20于AT89C51進行數(shù)據(jù)傳遞過程中，一般有兩種方法可供選擇。第一種是在同一根數(shù)據(jù)線上掛接多個DS18B20，通過讀取每個DS18B20的64位序列號對每個傳感器進行識別，讀取。由于在每一次讀取溫度工程中增加了溫度傳感器的搜索、匹配等操作，會使得操作變得復(fù)雜。每次進行數(shù)據(jù)讀取的時間會增加，但不會超過10ms，與傳感器每次進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需要95ms～750ms的時間相比，讀取時間是不會發(fā)生質(zhì)的改變的，每次的讀取時間都可以控制在1s以內(nèi)。在實際操作中，需要提前將多個DS18B20的64位序列號記錄下來，以便在后面進行匹配操作。第二種方法是將不同的DS18B20掛接在不同的I/O引腳上。這樣的操作雖然增加了引腳的使用個數(shù)，但卻簡化了程序操作，減少了讀取溫度的時間。

對于以上這兩種方法，一般情況下兩種都是可取的。但卻忽略了幾個問題。第一，傳感器的個數(shù)問題。在第一種方法中，每個引腳掛接的DS18B20傳感器掛接的個數(shù)不可以超過8個。當超過8個時，AT89C51單片機的總線驅(qū)動電路就會出現(xiàn)問題。第二種方法中，AT89C51單片機最多可以掛接32個，而前提是該單片機沒有其他外界設(shè)備，這無疑對單片機資源是一種浪費。第二就是距離。由于DS18B20簡化了與單片機的硬件連接，采用單總線的方式進行數(shù)據(jù)的傳遞，使得在采集數(shù)據(jù)時，傳感器對時序的要求嚴格，從而導(dǎo)致外界干擾對數(shù)據(jù)傳輸有很大影響。在測量距離方面，當普通信號電纜傳輸長度超過50m，數(shù)據(jù)就會出錯。對于集中程度比較的地域進行溫度測量是可取的，但是當傳感器與AT89C51距離超過50 m時，采用上面的方法就會產(chǎn)生很大誤差[5-7]。

為了避免這種問題，可以將一個DS18B20掛接在一個AT89C51上面，而通過遠程無線串口通信模塊，實現(xiàn)該單片機與總單片機的數(shù)據(jù)傳遞。這樣就可以避免掛接個數(shù)和傳遞數(shù)據(jù)的距離等問題。傳感器與單片機的數(shù)據(jù)交互如圖2所示。

圖2 傳感器與單片機連接圖

3.軟件設(shè)計

軟件采用MATLAB編寫的控制界面來進行?？刂平缑鎸崿F(xiàn)了溫度值得實時顯示和存儲，溫度曲線的動態(tài)繪制和定時存儲，溫度報警等功能[8-9]。控制界面和傳感器的數(shù)據(jù)記錄界面如圖3、圖4所示：

圖3 控制界面

圖4 傳感器數(shù)據(jù)記錄界面

在軟件設(shè)置中可以直接使用MATLAB的串口調(diào)試功能，完成串口連接，串口讀取和數(shù)據(jù)接受發(fā)送等功能。而后利用MATLAB強大的數(shù)值處理功能，圖形顯示功能，來完成溫度值的顯示，溫度曲線的繪制和保存，數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)對比等功能。在數(shù)據(jù)圖形顯示的過程，還可以設(shè)置報警溫度的上下限，自動實現(xiàn)報警功能。在操作中，通過選取不同的按鈕，實現(xiàn)對不同溫度傳感器的溫度采集。通過選取不同時段采集到的溫度，可以從縱向的角度對溫度曲線進行比較，并且可以在圖形中看到溫差，平均溫度和溫度波動等情況。通過MATLAB的GUI功能，將上述操作整合在一個界面中，使得人機操作更加方便快捷。

4.實驗室模擬

為了檢驗本系統(tǒng)的可靠性和準確性，在空曠的地域?qū)ο到y(tǒng)進行測試。將2個傳感器分布于距離上位機500m左右的位置，采用人為操作，改變溫度傳感器采集到的溫度，從而使溫度曲線產(chǎn)生不同程度的溫度波動，從而檢驗熊的準確性，可靠性和報警功能。測試的溫度曲線和時間溫度表，分別如圖5和表1所示。

圖5 溫度曲線

通過與實際的溫度值進行對比，系統(tǒng)的準確性和可靠性基本無誤，軟件界面便捷、強大。

5.結(jié)論

在整個系統(tǒng)設(shè)置中，對于硬件的操作和界面功能的實現(xiàn)，許多地方采用了一中簡化設(shè)置。如在讀取DS18B20的溫度值時，只是讀取了溫度的整數(shù)部分。溫度傳感器的數(shù)量可根據(jù)具體的環(huán)境條件進行靈活調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉可靠性高，適應(yīng)性強。遠程溫度監(jiān)控能有效地節(jié)省了人力物力。相信該系統(tǒng)會在溫室監(jiān)控等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

參考文獻

[1]馬恒，尚大俊，周騰.煤堆溫度遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].遼寧工程技術(shù)大學學報（自然科學版），2009，28（6）：888-890.

[2]冷雪鋒.基于RS_485總線遠程多點分布式溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機，2012，25（8）：13-14.

[3]王艷，王麗娟，甄姬娜.1-wire總線多點溫度檢測顯示系統(tǒng)在Proteus中的仿真實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化，2013，35（13）：52-56.

[4]徐文進，張阿卜.智能溫度傳感器Ds18b20在多路測溫中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27（22）：3-7.

[5]張俊生.基于DS18B20多點測溫系統(tǒng)的改進[J].科技資訊，2008，（34）：5-6.

[6]蔣鴻宇，王勇，植涌.由DS18B20構(gòu)成的多點溫度測量系統(tǒng)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007（1）：59-61.

[7]鄭長征，毛哲，謝兆鴻.多個DS18B20在糧庫測溫系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2006，25（11）：87-89.

[8]羅華飛.MATLAB GUI設(shè)計學習手記（第二版）[M].北京航空航天大學出版社，2014：166-309.

[9]劉衛(wèi)國.MATLAB程序設(shè)計與應(yīng)用（第2版）[M].高等教育出版社，2006：189-204.