嵌入式連接單片機(jī)溫度數(shù)字化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊培善

(宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系,安徽 宿州 234000)

0 引言

單片機(jī)作為一種微型計(jì)算機(jī)，具有廣泛的應(yīng)用范圍，發(fā)展速度也越來(lái)越快，20世紀(jì)70年代末的時(shí)候，我國(guó)的科研工作者就開(kāi)始研究了單片機(jī)，20世紀(jì)80年代時(shí)，單片機(jī)已經(jīng)在我國(guó)廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)的各大高校也開(kāi)設(shè)了有關(guān)單片機(jī)的課程，第一臺(tái)8位單片機(jī)公布至今不到30年，并沒(méi)有像微處理器那樣逐漸發(fā)展到32位甚至64位，至今8位單片機(jī)仍然是主流機(jī)型，只是改變了原有的結(jié)構(gòu)，在單片機(jī)的內(nèi)部安裝了多個(gè)外圍電路和接口，而且體積小以及可靠性高的特點(diǎn)，使單片機(jī)在不同的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.

1 嵌入式連接的單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 溫度采集傳感器設(shè)計(jì)

多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)采用的主芯片是嵌入式連接的單片機(jī)，單片機(jī)的外圍有藍(lán)牙模塊，用于無(wú)線(xiàn)傳輸；溫度傳感器用于溫度的采集；蜂鳴器主要用于報(bào)警，當(dāng)溫度超過(guò)報(bào)警上限或下限時(shí)，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；按鍵，用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各項(xiàng)操作；LED指示燈，用于提示系統(tǒng)充電完成，當(dāng)系統(tǒng)的電池處于充電狀態(tài)時(shí)，LED指示燈亮，電池充電完成時(shí)LED指示燈滅；鋰電池主要是用于為多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)供電；其次還有液晶顯示屏.多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[1].

本文的嵌入式連接單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)的溫度傳感器主要是由存儲(chǔ)器、控制器、單線(xiàn)連口以及溫度敏感器件構(gòu)成[2]，溫度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.

溫度傳感器的特點(diǎn)和性能主要有以下幾點(diǎn)：一是嵌入式連接的單片機(jī)，其單線(xiàn)接口具有獨(dú)特性，在連接時(shí)要實(shí)現(xiàn)雙向通訊只需要一天簡(jiǎn)單的連接線(xiàn)即可；二是該結(jié)構(gòu)傳感器的溫度測(cè)量范圍有限制， 需要控制在零下55℃～零上125℃之間.；三是支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)傳感器可以并聯(lián)在一起，最多可以并聯(lián)8個(gè)傳感器，如果并聯(lián)的數(shù)目太多，會(huì)導(dǎo)致供電電源的電壓過(guò)低，從而造成傳感器的信號(hào)傳輸不穩(wěn)定，這樣就可以完美地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫；其四是測(cè)量結(jié)果會(huì)以9到12位數(shù)字串行傳送.

圖1 多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖圖2 溫度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

1.2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

圖3 系統(tǒng)的具體電路圖

基于嵌入式連接的單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口是由RQT3658AS芯片在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)的.

當(dāng)嵌入式連接的單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)溫度傳感器處于存儲(chǔ)器操作和溫度轉(zhuǎn)換操作時(shí)，嵌入式連接的單片機(jī)總線(xiàn)上必須有強(qiáng)的上位，上拉開(kāi)啟的最大時(shí)間為10 s，采用寄生電源作為供電方式時(shí)，將VCC端口接地，由于單線(xiàn)接口只有一根線(xiàn)，因此發(fā)送接口必須選用三態(tài)的，通過(guò)上述介紹的供電方式，可以使嵌入式連接的單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單一些，僅僅需要一個(gè)4.7 k的上位電阻系統(tǒng)就可以正常工作，系統(tǒng)的具體電路圖如圖3所示[3].

2 嵌入式連接的單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集算法設(shè)計(jì)

溫度在物理學(xué)中是一個(gè)表示被測(cè)對(duì)象冷熱程度的物理量，在生產(chǎn)和生活中被廣泛涉及的參數(shù).生活中的每一個(gè)方面都離不開(kāi)溫度，本文通過(guò)利用多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集算法來(lái)實(shí)現(xiàn)基于嵌入式連接的單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單可靠是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集算法具有的最為突出的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榇藘?yōu)點(diǎn)使它的實(shí)用性更加的廣泛.根據(jù)需要，建立適用于它的數(shù)學(xué)模型，然后可以組裝單片機(jī)的多點(diǎn)溫度，主要是由于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集的多點(diǎn)溫度算法的數(shù)學(xué)模型.誤差變異性、累積誤差、溫度誤差是其主要因素，根據(jù)需求對(duì)主要因素進(jìn)行優(yōu)化處理，所以本文研究算法相比于傳統(tǒng)算法更加準(zhǔn)確.

以數(shù)字化方式處理被采集數(shù)據(jù)，選擇對(duì)應(yīng)的程序進(jìn)行溫度差異性分析、誤差變化分析和累積誤差分析，從而獲得采集量數(shù)據(jù)[4-5].需要注意的是，微積分不適合對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行采集.處理步驟如下：以T作為樣本采集周期，連續(xù)時(shí)間t由采樣時(shí)刻序列K(T)表示.以采樣點(diǎn)的總參數(shù)進(jìn)行求和運(yùn)算，得出累積求和值，將積分運(yùn)算結(jié)果以求得的累積求和值代替，使差值為一階差，上述近似算法變換方式為：

t=K(T).

(1)

(2)

(3)

變換式中，T表示采樣周期；e(k)表示在k時(shí)刻的采樣偏差值；e(k-1)表示在k-1時(shí)刻的采樣偏差值；k表示采樣次數(shù)，通常取1，2，3，….

將上述三個(gè)變換式整理后，可得到離散的多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集算法表達(dá)式為：

(4)

對(duì)離散的多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集算法進(jìn)行優(yōu)化，步驟如下：

令

(5)

(6)

則

(7)

以上就是優(yōu)化后的離散的多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集算法，程序編寫(xiě)的開(kāi)頭遵循上述公式，但優(yōu)化過(guò)程發(fā)生在啟動(dòng)和調(diào)試過(guò)程中，輸出接近前一個(gè)結(jié)果[6-7]，這增加了操作的復(fù)雜性以及計(jì)算的時(shí)間，因此對(duì)優(yōu)化的算法公式進(jìn)行如下改變，得出增量算法：

根據(jù)第k次采樣，推導(dǎo)出第k-1次采樣為：

(8)

整理后得：

u(k)=u(k-1)+a0e(k)-a1e(k-1)+a2e(k-2).

(9)

其中，

(10)

由于a0，a1，a2可以提前求出來(lái)，因此在實(shí)際采集時(shí)想要得到所需要的采集增量，只要將e(k)，e(k-1)，e(k-2)求出來(lái)就可以，該增量算法相比于優(yōu)化后算法，只需要計(jì)算增量，而且想要得出增量的結(jié)果只需要計(jì)算最近幾次的采樣值偏差，這樣計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的誤差不會(huì)對(duì)采集量產(chǎn)生較大的影響.

2.2 多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

對(duì)于一臺(tái)嵌入式連接的單片機(jī)，需要輸入或者輸出數(shù)據(jù)的時(shí)候，可以采用位尋址，用如下語(yǔ)句表示：

sbitDQ=P1.3，DQ=0，DQ=1.

而對(duì)于8位單片機(jī)并聯(lián)的情況下，如果仍然采用位尋址的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出，就要使用單總線(xiàn)通過(guò)查詢(xún)系統(tǒng)的序列號(hào)來(lái)一次進(jìn)行讀取，這種情況下程序就會(huì)非常復(fù)雜，運(yùn)行的速度也會(huì)變慢，無(wú)法滿(mǎn)足嵌入式連接的單片機(jī)性能要求，因此本文設(shè)計(jì)的多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)使用如下語(yǔ)句，將位尋址擴(kuò)展為字節(jié)尋址：

sbitDQ=P1,DQ=0x00,DQ=0xff.

采用這個(gè)語(yǔ)句就可以一次輸出或輸入8位單片機(jī)并聯(lián)時(shí)的數(shù)據(jù)，從而達(dá)到快速同步讀取的目的.

3 實(shí)例分析

模擬不同的嵌入式連接的單片機(jī)多點(diǎn)溫度條件，利用傳統(tǒng)單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)[8-9]，以及基于嵌入式連接的單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)，進(jìn)行溫度采集識(shí)別能力仿真實(shí)驗(yàn).

3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，準(zhǔn)備10組不同的單片機(jī)多點(diǎn)溫度條件數(shù)據(jù)，模擬環(huán)境中一共分為10個(gè)實(shí)驗(yàn)組，其中分為3個(gè)模擬等級(jí)，即高溫、恒溫以及低溫，如圖4所示.

根據(jù)proteus仿真軟件的數(shù)據(jù)接口，連入傳統(tǒng)單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)，以及基于嵌入式連接的單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng).

根據(jù)兩種單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行抽樣分析，獲取單位時(shí)間內(nèi)原數(shù)據(jù)的采集點(diǎn)，并根據(jù)采集效率得出不同實(shí)驗(yàn)組、不同溫度下的溫度采集效率.

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

繪制嵌入式連接的單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集效率對(duì)比曲線(xiàn)，如圖5所示.

圖4 實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖圖5 數(shù)字化采集效率對(duì)比曲線(xiàn)

根據(jù)圖5對(duì)比曲線(xiàn)可以看出，在溫度恒定的條件下，傳統(tǒng)單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)，以及基于嵌入式連接的單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)，都具有較高的采集效率，但在高溫或者低溫的條件下，傳統(tǒng)單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)的采集效率嚴(yán)重下降，而基于嵌入式連接的單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)雖然也有下降的趨勢(shì)，但是較傳統(tǒng)單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)相比，具有較高的識(shí)別能力.

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算十組數(shù)據(jù)的平均溫度采集效率，得出提出的基于嵌入式連接的單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)，較傳統(tǒng)單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)溫度采集識(shí)別能力提高37.89%，適合嵌入式連接的單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了嵌入式連接的單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，提出的基于嵌入式連接的單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)，較傳統(tǒng)單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)具有較高的溫度采集識(shí)別能力.希望本文的研究能夠?yàn)閱纹瑱C(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集提供理論依據(jù).未來(lái)的溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)以其為發(fā)展方向.這種嵌入式連接的單片機(jī)多點(diǎn)溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)有很大優(yōu)勢(shì)，是智能生產(chǎn)系統(tǒng)的時(shí)代的發(fā)展方向.