楊培善

(宿州職業(yè)技術學院 機電工程系,安徽 宿州 234000)

0 引言

單片機作為一種微型計算機，具有廣泛的應用范圍，發(fā)展速度也越來越快，20世紀70年代末的時候，我國的科研工作者就開始研究了單片機，20世紀80年代時，單片機已經在我國廣泛應用，國內的各大高校也開設了有關單片機的課程，第一臺8位單片機公布至今不到30年，并沒有像微處理器那樣逐漸發(fā)展到32位甚至64位，至今8位單片機仍然是主流機型，只是改變了原有的結構，在單片機的內部安裝了多個外圍電路和接口，而且體積小以及可靠性高的特點，使單片機在不同的領域得到廣泛應用.

1 嵌入式連接的單片機多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)硬件設計

1.1 溫度采集傳感器設計

多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)采用的主芯片是嵌入式連接的單片機，單片機的外圍有藍牙模塊，用于無線傳輸；溫度傳感器用于溫度的采集；蜂鳴器主要用于報警，當溫度超過報警上限或下限時，蜂鳴器就會發(fā)出報警信號；按鍵，用于對系統(tǒng)進行各項操作；LED指示燈，用于提示系統(tǒng)充電完成，當系統(tǒng)的電池處于充電狀態(tài)時，LED指示燈亮，電池充電完成時LED指示燈滅；鋰電池主要是用于為多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)供電；其次還有液晶顯示屏.多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示[1].

本文的嵌入式連接單片機多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)的溫度傳感器主要是由存儲器、控制器、單線連口以及溫度敏感器件構成[2]，溫度傳感器內部結構框圖如圖2所示.

溫度傳感器的特點和性能主要有以下幾點：一是嵌入式連接的單片機，其單線接口具有獨特性，在連接時要實現(xiàn)雙向通訊只需要一天簡單的連接線即可；二是該結構傳感器的溫度測量范圍有限制， 需要控制在零下55℃～零上125℃之間.；三是支持多點組網功能，多個傳感器可以并聯(lián)在一起，最多可以并聯(lián)8個傳感器，如果并聯(lián)的數(shù)目太多，會導致供電電源的電壓過低，從而造成傳感器的信號傳輸不穩(wěn)定，這樣就可以完美地實現(xiàn)多點測溫；其四是測量結果會以9到12位數(shù)字串行傳送.

圖1 多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)的結構框圖圖2 溫度傳感器內部結構框圖

1.2 系統(tǒng)電路設計

圖3 系統(tǒng)的具體電路圖

基于嵌入式連接的單片機多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)的以太網接口是由RQT3658AS芯片在單片機的控制下實現(xiàn)的.

當嵌入式連接的單片機多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)溫度傳感器處于存儲器操作和溫度轉換操作時，嵌入式連接的單片機總線上必須有強的上位，上拉開啟的最大時間為10 s，采用寄生電源作為供電方式時，將VCC端口接地，由于單線接口只有一根線，因此發(fā)送接口必須選用三態(tài)的，通過上述介紹的供電方式，可以使嵌入式連接的單片機外圍電路設計的簡單一些，僅僅需要一個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多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)軟件設計

2.1 多點溫度數(shù)字化采集算法設計

溫度在物理學中是一個表示被測對象冷熱程度的物理量，在生產和生活中被廣泛涉及的參數(shù).生活中的每一個方面都離不開溫度，本文通過利用多點溫度數(shù)字化采集算法來實現(xiàn)基于嵌入式連接的單片機多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)軟件設計，簡單可靠是數(shù)字數(shù)據(jù)采集算法具有的最為突出的優(yōu)點，因為此優(yōu)點使它的實用性更加的廣泛.根據(jù)需要，建立適用于它的數(shù)學模型，然后可以組裝單片機的多點溫度，主要是由于數(shù)字數(shù)據(jù)采集的多點溫度算法的數(shù)學模型.誤差變異性、累積誤差、溫度誤差是其主要因素，根據(jù)需求對主要因素進行優(yōu)化處理，所以本文研究算法相比于傳統(tǒng)算法更加準確.

以數(shù)字化方式處理被采集數(shù)據(jù)，選擇對應的程序進行溫度差異性分析、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，微積分不適合對此數(shù)據(jù)進行采集.處理步驟如下：以T作為樣本采集周期，連續(xù)時間t由采樣時刻序列K(T)表示.以采樣點的總參數(shù)進行求和運算，得出累積求和值，將積分運算結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時刻的采樣偏差值；e(k-1)表示在k-1時刻的采樣偏差值；k表示采樣次數(shù)，通常取1，2，3，….

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

(4)

對離散的多點溫度數(shù)字化采集算法進行優(yōu)化，步驟如下：

令

(5)

(6)

則

(7)

以上就是優(yōu)化后的離散的多點溫度數(shù)字化采集算法，程序編寫的開頭遵循上述公式，但優(yōu)化過程發(fā)生在啟動和調試過程中，輸出接近前一個結果[6-7]，這增加了操作的復雜性以及計算的時間，因此對優(yōu)化的算法公式進行如下改變，得出增量算法：

根據(jù)第k次采樣，推導出第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，因此在實際采集時想要得到所需要的采集增量，只要將e(k)，e(k-1)，e(k-2)求出來就可以，該增量算法相比于優(yōu)化后算法，只需要計算增量，而且想要得出增量的結果只需要計算最近幾次的采樣值偏差，這樣計算結果產生的誤差不會對采集量產生較大的影響.

2.2 多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)程序設計

對于一臺嵌入式連接的單片機，需要輸入或者輸出數(shù)據(jù)的時候，可以采用位尋址，用如下語句表示：

sbitDQ=P1.3，DQ=0，DQ=1.

而對于8位單片機并聯(lián)的情況下，如果仍然采用位尋址的方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出，就要使用單總線通過查詢系統(tǒng)的序列號來一次進行讀取，這種情況下程序就會非常復雜，運行的速度也會變慢，無法滿足嵌入式連接的單片機性能要求，因此本文設計的多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)使用如下語句，將位尋址擴展為字節(jié)尋址：

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

采用這個語句就可以一次輸出或輸入8位單片機并聯(lián)時的數(shù)據(jù)，從而達到快速同步讀取的目的.

3 實例分析

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

3.1 實驗過程

實驗過程中，準備10組不同的單片機多點溫度條件數(shù)據(jù)，模擬環(huán)境中一共分為10個實驗組，其中分為3個模擬等級，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)單片機多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)，以及基于嵌入式連接的單片機多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng).

根據(jù)兩種單片機多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)信息進行抽樣分析，獲取單位時間內原數(shù)據(jù)的采集點，并根據(jù)采集效率得出不同實驗組、不同溫度下的溫度采集效率.

3.2 實驗結果分析

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

圖4 實驗對比圖圖5 數(shù)字化采集效率對比曲線

根據(jù)圖5對比曲線可以看出，在溫度恒定的條件下，傳統(tǒng)單片機多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)，以及基于嵌入式連接的單片機多點溫度數(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)單片機多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)的采集效率嚴重下降，而基于嵌入式連接的單片機多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)雖然也有下降的趨勢，但是較傳統(tǒng)單片機多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)相比，具有較高的識別能力.

根據(jù)統(tǒng)計分析，計算十組數(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多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)，較傳統(tǒng)單片機多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)溫度采集識別能力提高37.89%，適合嵌入式連接的單片機多點溫度數(shù)字化采集.

4 結束語

本文提出了嵌入式連接的單片機多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)優(yōu)化設計，實驗數(shù)據(jù)表明，提出的基于嵌入式連接的單片機多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)，較傳統(tǒng)單片機多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)具有較高的溫度采集識別能力.希望本文的研究能夠為單片機多點溫度數(shù)字化采集提供理論依據(jù).未來的溫度數(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多點溫度數(shù)字化采集系統(tǒng)有很大優(yōu)勢，是智能生產系統(tǒng)的時代的發(fā)展方向.