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(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離溫度的采集。通過(guò)MATLAB的GUI設(shè)計(jì)，構(gòu)建控制界面，實(shí)現(xiàn)溫度曲線的繪制，高低溫報(bào)警，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，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(duì)于溫室大棚，倉(cāng)庫(kù)，樓層等場(chǎng)合，溫度的檢測(cè)和調(diào)控有很重要的意義。而以上場(chǎng)合均需要多個(gè)溫度值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且對(duì)于傳輸距離有一定的要求。本文的設(shè)計(jì)可以很好地滿足這類需求。

1.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中，通過(guò)單片機(jī)AT89C51和DS18B20讀取各個(gè)不同地點(diǎn)的溫度，而后通過(guò)RS485無(wú)線通信模塊，將采集到的溫度值傳遞到AT89C51單片機(jī)總機(jī)上面，而后該單片機(jī)通過(guò)串口通信將采集到的溫度值輸入到MATLAB構(gòu)建的控制平臺(tái)上。在該平臺(tái)上完成數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)等功能。同時(shí)設(shè)置溫度的上下限值，當(dāng)采集到的溫度值超出該范圍實(shí)現(xiàn)報(bào)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(jì)

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

2.1 AT89C52

AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4KB的可反復(fù)擦寫(xiě)的程序存儲(chǔ)器和128B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)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(guò)計(jì)數(shù)器測(cè)出頻率再轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)溫度的原理，進(jìn)行溫度測(cè)定的。對(duì)于溫度采集的時(shí)間， DS18B20的最長(zhǎng)溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間為750ms，在正常運(yùn)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(cè)試范圍為-55～125℃，在-10～+85℃時(shí)精度為±0.5℃。其分辨率最大可以達(dá)到0.0625℃[3-4]。

2.3 DS18B20與AT89C51的通信

在DS18B20于AT89C51進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞過(guò)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(gè)DS18B20，通過(guò)讀取每個(gè)DS18B20的64位序列號(hào)對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行識(shí)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(huì)使得操作變得復(fù)雜。每次進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取的時(shí)間會(huì)增加，但不會(huì)超過(guò)10ms，與傳感器每次進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需要95ms～750ms的時(shí)間相比，讀取時(shí)間是不會(huì)發(fā)生質(zhì)的改變的，每次的讀取時(shí)間都可以控制在1s以內(nèi)。在實(shí)際操作中，需要提前將多個(gè)DS18B20的64位序列號(hào)記錄下來(lái)，以便在后面進(jìn)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(gè)數(shù)，但卻簡(jiǎn)化了程序操作，減少了讀取溫度的時(shí)間。

對(duì)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(gè)問(wèn)題。第一，傳感器的個(gè)數(shù)問(wèn)題。在第一種方法中，每個(gè)引腳掛接的DS18B20傳感器掛接的個(gè)數(shù)不可以超過(guò)8個(gè)。當(dāng)超過(guò)8個(gè)時(shí)，AT89C51單片機(jī)的總線驅(qū)動(dòng)電路就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。第二種方法中，AT89C51單片機(jī)最多可以掛接32個(gè)，而前提是該單片機(jī)沒(méi)有其他外界設(shè)備，這無(wú)疑對(duì)單片機(jī)資源是一種浪費(fèi)。第二就是距離。由于DS18B20簡(jiǎn)化了與單片機(jī)的硬件連接，采用單總線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，使得在采集數(shù)據(jù)時(shí)，傳感器對(duì)時(shí)序的要求嚴(yán)格，從而導(dǎo)致外界干擾對(duì)數(shù)據(jù)傳輸有很大影響。在測(cè)量距離方面，當(dāng)普通信號(hào)電纜傳輸長(zhǎng)度超過(guò)50m，數(shù)據(jù)就會(huì)出錯(cuò)。對(duì)于集中程度比較的地域進(jìn)行溫度測(cè)量是可取的，但是當(dāng)傳感器與AT89C51距離超過(guò)50 m時(shí)，采用上面的方法就會(huì)產(chǎn)生很大誤差[5-7]。

為了避免這種問(wèn)題，可以將一個(gè)DS18B20掛接在一個(gè)AT89C51上面，而通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線串口通信模塊，實(shí)現(xiàn)該單片機(jī)與總單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳遞。這樣就可以避免掛接個(gè)數(shù)和傳遞數(shù)據(jù)的距離等問(wèn)題。傳感器與單片機(jī)的數(shù)據(jù)交互如圖2所示。

圖2 傳感器與單片機(jī)連接圖

3.軟件設(shè)計(jì)

軟件采用MATLAB編寫(xiě)的控制界面來(lái)進(jìn)行?？刂平缑鎸?shí)現(xiàn)了溫度值得實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，溫度曲線的動(dòng)態(tài)繪制和定時(shí)存儲(chǔ)，溫度報(bào)警等功能[8-9]?？刂平缑婧蛡鞲衅鞯臄?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(qiáng)大的數(shù)值處理功能，圖形顯示功能，來(lái)完成溫度值的顯示，溫度曲線的繪制和保存，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)對(duì)比等功能。在數(shù)據(jù)圖形顯示的過(guò)程，還可以設(shè)置報(bào)警溫度的上下限，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。在操作中，通過(guò)選取不同的按鈕，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同溫度傳感器的溫度采集。通過(guò)選取不同時(shí)段采集到的溫度，可以從縱向的角度對(duì)溫度曲線進(jìn)行比較，并且可以在圖形中看到溫差，平均溫度和溫度波動(dòng)等情況。通過(guò)MATLAB的GUI功能，將上述操作整合在一個(gè)界面中，使得人機(jī)操作更加方便快捷。

4.實(shí)驗(yàn)室模擬

為了檢驗(yàn)本系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，在空曠的地域?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。將2個(gè)傳感器分布于距離上位機(jī)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(dòng)，從而檢驗(yàn)熊的準(zhǔn)確性，可靠性和報(bào)警功能。測(cè)試的溫度曲線和時(shí)間溫度表，分別如圖5和表1所示。

圖5 溫度曲線

通過(guò)與實(shí)際的溫度值進(jìn)行對(duì)比，系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性基本無(wú)誤，軟件界面便捷、強(qiáng)大。

5.結(jié)論

在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置中，對(duì)于硬件的操作和界面功能的實(shí)現(xiàn)，許多地方采用了一中簡(jiǎn)化設(shè)置。如在讀取DS18B20的溫度值時(shí)，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(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)。遠(yuǎn)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(huì)在溫室監(jiān)控等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]馬恒，尚大俊，周騰.煤堆溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，28（6）：888-890.

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

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

[4]徐文進(jìn)，張阿卜.智能溫度傳感器Ds18b20在多路測(cè)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(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)的改進(jìn)[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(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007（1）：59-61.

[7]鄭長(zhǎng)征，毛哲，謝兆鴻.多個(gè)DS18B20在糧庫(kù)測(cè)溫系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2006，25（11）：87-89.

[8]羅華飛.MATLAB GUI設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)手記（第二版）[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2014：166-309.

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