摘 要：介紹了一種利用溫度傳感器結(jié)合MATLAB數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集的裝置。利用數(shù)據(jù)采集板對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行采集，接著利用該采集板能直接支持Simulink進(jìn)行硬件在線仿真的特點(diǎn)，在Simulink中進(jìn)行建模仿真，同時(shí)可以將仿真后的溫度數(shù)據(jù)在PC界面上以曲線的方式顯示，并對(duì)室內(nèi)加熱裝置進(jìn)行調(diào)控。

關(guān)鍵詞：MATLAB；Simulink；USB數(shù)據(jù)采集板；溫度傳感器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.005

0 引言

在控制系統(tǒng)的通信有許多方法和應(yīng)用平臺(tái)，具有不同的特點(diǎn)。其中，MATLAB以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的功能模塊，在信號(hào)處理、自動(dòng)控制等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。它用簡(jiǎn)單的命令代替復(fù)雜的代碼，編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單易學(xué)，對(duì)研究和開發(fā)幫助很大。它的Simulink可以提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模仿真中應(yīng)用十分廣泛。

本文討論的控制室內(nèi)溫度的問題，通過預(yù)測(cè)控制方法可以有效地調(diào)節(jié)控制環(huán)境溫度，從而達(dá)到需要的設(shè)定值或者實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)控制的目的 [1]。

1 采集溫度數(shù)據(jù)的方案

1.1 數(shù)據(jù)采集板的原理及組成

采集模塊采用單片機(jī)作為CPU，利用其外設(shè)資源進(jìn)行端口的輸出/輸入和A/D轉(zhuǎn)換，利用USB通信芯片與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[2]。

數(shù)據(jù)采集卡如圖1所示，其組成介紹如下：

（1）USB傳輸：使用PHILIP公司D12芯片；

（2）CPU：ATmega16（AVR）單片機(jī)；

（3）4路A/D：具有10位分辨率，輸入電壓范圍0～4.096V，輸入阻抗為可調(diào)47kΩ；

（4）2路D/A：具有10位分辨率，電壓輸出范圍為0～4.096V；

（5）4路輸入輸出：LED兩路，按鍵兩路；

（6）工作電壓：利用USB的5V電源，無(wú)需外接。

為提高抗干擾性，該采集卡設(shè)計(jì)了一階低通濾波器。設(shè)置信號(hào)3分貝，截止頻率為4kHz，也可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改實(shí)現(xiàn)截止頻率的設(shè)定。

為了適應(yīng)跟多溫度范圍，AD的通道中有兩個(gè)通道決定運(yùn)放放大倍數(shù)的電阻采用的是可調(diào)電阻，從而實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)。也可以通過計(jì)算選擇合適的電阻固定放大倍數(shù)。

1.2 溫度傳感器的選擇

DS18B20具有精度高、體積小、成本低、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種常用溫度傳感器[3]。它的測(cè)溫原理如圖2所示，晶振溫度系數(shù)高，晶振的振蕩率隨著溫度的變化明顯變化，反之則不明顯。將高溫度系數(shù)的晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)計(jì)入計(jì)數(shù)器2。將低溫度系數(shù)的晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)輸入計(jì)數(shù)器1，使其進(jìn)行減計(jì)數(shù)。在溫度寄存器和計(jì)數(shù)器1內(nèi)預(yù)置一個(gè)與-55℃相對(duì)應(yīng)的基數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1內(nèi)的數(shù)值減到0時(shí)，將溫度寄存器內(nèi)的數(shù)值加1，然后重新賦予計(jì)數(shù)器1-55℃的基數(shù)值，并繼續(xù)計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)器2內(nèi)的數(shù)值減到0為止，停止累加溫度寄存器內(nèi)的值。此時(shí)，溫度寄存器中的數(shù)值就是傳感器測(cè)得的溫度。使用斜率累加器對(duì)測(cè)溫過程中產(chǎn)生的一些非線性誤差進(jìn)行補(bǔ)償和修正，并把它的輸出用來(lái)修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。

DS18B20共有64位只讀寄存器ROM，隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM用于傳感器內(nèi)部的數(shù)據(jù)存取和計(jì)算，當(dāng)傳感器掉電時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)丟失。其隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM中含有9字節(jié)，每個(gè)字節(jié)8位。其中，第1個(gè)和第2個(gè)字節(jié)是轉(zhuǎn)換后的溫度值，第3、4、5字節(jié)是用戶只讀存儲(chǔ)器EEPROM的鏡像，第6、7、8這三個(gè)字節(jié)是計(jì)數(shù)寄存器，它們也是數(shù)據(jù)的內(nèi)部轉(zhuǎn)換和計(jì)算的暫存單元，可以使用戶獲得的溫度分辨率增大，第9個(gè)字節(jié)為前8個(gè)字節(jié)的CRC碼。

另外，非常重要的一點(diǎn)是DS18B20具有獨(dú)特的一線接口，僅一條口線就可以使處理器和傳感器之間實(shí)現(xiàn)雙向通信，這大大簡(jiǎn)化了分布式溫度傳感器的應(yīng)用，并且不需要外部元件。

2 溫度數(shù)據(jù)采集過程

室內(nèi)溫度采集的硬件設(shè)備和電路的連接主要部分示意圖如圖 4 所示。

圖4為溫度采集卡的主要電路連接圖，本設(shè)計(jì)用USB接口實(shí)現(xiàn)采集卡和電腦的數(shù)據(jù)交互，將溫度轉(zhuǎn)換成電壓數(shù)據(jù)傳輸給電腦軟件。在Simulink中建立對(duì)應(yīng)的模型[4-5]，然后在 MATLAB 中的Simulink 里打開 usbAD.mdl 文件如圖5所示。

圖6為AD模塊的參數(shù)設(shè)置，第一個(gè)參數(shù)要根據(jù)實(shí)物連接進(jìn)行選擇；第二個(gè)參數(shù)為采樣時(shí)間；第三個(gè)參數(shù)是采樣時(shí)間微調(diào)，目的是保證硬件的采樣時(shí)間與Simulink相一致，通常設(shè)為0.008[6-7]。

運(yùn)行模型 usbAD.mdl，對(duì)溫度傳感器進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟雀淖?，點(diǎn)擊模型中的 scope1，可得到響應(yīng)的數(shù)據(jù)變化如圖 7所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)利用DS18B20溫度傳感器對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行采集，通過USB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，利用MATLAB技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的室內(nèi)溫度采集裝置。本文中的數(shù)據(jù)采集板是多路輸入輸出的，在本文中只用到了單路輸入輸出，在今后的研究中可以在此基礎(chǔ)上對(duì)多路溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行研究。

另外，本文還有許多值得深入研究的方向，如在圖形和數(shù)據(jù)顯示方面，可以設(shè)計(jì) MFC 界面，把 MATLAB 與VC 相通信，通過按鈕實(shí)現(xiàn)在需要的時(shí)候?qū)?shù)據(jù)和圖形進(jìn)行詳細(xì)顯示，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更加深入的數(shù)據(jù)的分析及處理。

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作者簡(jiǎn)介：孫菁（1974-），女，工程師，主要研究方向：檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制。