基于單片機與PC機的溫度監測系統設計

呂秀麗 ， 鄭江紅 ， 祝立群 ， 馮 波

（1.東北石油大學 電子科學學院，黑龍江 大慶 163318；2.黑龍江省高校校企共建測試計量技術及儀器儀表工程研發中心 黑龍江 大慶 163318）

溫度是一個重要的物理量，在工農業生產和日常生活中，經常需要對環境溫度進行監測。本文設計了一個溫度監測系統，溫度傳感器采用DS18B20，下位機采用AT89S52單片機，實現溫度測量、顯示、超限報警等功能，上位機采用PC機，利用Matlab設計了友好人機交互界面，實現溫度的采集、顯示、繪圖、報警、保存數據等功能。

1 系統總體設計

系統采用AT89S52單片機作為下位機，PC機作為上位機，二者通過串口發送或接收數據，實現環境溫度的測量、顯示、超限報警、測溫數據保存等功能。系統總體設計框圖如圖1所示。

單片機最小系統包括單片機工作所必需的復位電路、時鐘電路和電源電路[1]。溫度傳感器采用 DS18B20芯片，測量溫度范圍為-55～+125℃，該芯片不需要外接電源，可編程的分辨率為 9～12位，測溫分辨率最高可達0.062 5℃，數據傳送只需要一條通信線[2-3]，接單片機的P2.0口。溫度顯示部分使用4個八段LED共陽極數碼管，采用動態驅動方式，數碼管的 a，b，c，d，e，f，g，DP 八段由單片機 P0.0-P0.7 口控制，單片機的P1.0-P1.3口控制4個數碼管輪流動態顯示。超限溫度報警采用蜂鳴器，由單片機的P2.1口控制發聲。

圖1 系統總體設計框圖Fig.1 Overall diagram of the system

PC機的串行口采用的是標準的RS 232接口，而單片機的串行口電平是TTL電平，與RS 232的電氣特性不匹配，所以系統采用常用芯片MAX232來完成電平的轉換，使單片機的串行口能與RS 232接口通信[4]。上位機動態溫度監測系統利用Matlab軟件設計友好人機交互界面，實現溫度數據的設置、采集、計算、顯示與保存等功能。

2 下位機程序設計

單片機作為下位機，其主要任務是：

1）通過DS18B20實現溫度數據的采集和處理，并在LED數碼管上實時顯示當前溫度，保留小數點后1位；

2）通過串口接收上位機設定的上下限報警溫度，并在LED數碼管上顯示；

3）通過串口接收要求發送溫度數據的命令，向上位機發送溫度數據；

4）判斷當前溫度，如果超限啟動蜂鳴器報警，設定不同頻率的方波驅動蜂鳴器發出不同聲音，用來區分超上限還是超下限。

單片機采用Keil C51編寫程序，DS18B20分辨率設為12位，其主程序流程圖如圖2所示。主程序主要完成系統的初始化，主要包括DS18B20和串口的初始化；4個LED數碼管顯示“0000”，等待上位機發送上限溫度數據；接收數據后顯示，等待上位機發送下限溫度數據；接收數據，顯示下限溫度并延遲約2秒后開始測溫。讀DS18B20溫度值，將讀取的低8位字節和高8位字節組成16位無符號整型溫度數據（其中低4位為溫度的小數部分，中間8位為溫度的整數部分），處理溫度數據并在數碼管上顯示溫度值；判斷溫度，超限報警；接收到上位機發送的命令字 “255”就向上位機發送由DS18B20讀出的16位溫度數據，先發送低8位字節，后發送高8位字節；返回讀DS18B20溫度值。

圖2 下位機主程序流程圖Fig.2 Main program flow chart of lower machine

3 上位機程序設計

PC機作為上位機，主要任務包括:

1）設定上下限報警溫度，通過串口發送給下位機；

2）通過串口發送要求單片機傳送溫度數據的命令，命令數據為“255”；

3）通過串口接收下位機的溫度數據，做各種運算后顯示溫度值，并繪圖；

4）判斷當前溫度，如果超限啟動報警指示和發聲報警；

5）保存測溫時間及數據，以備查詢。

上位機采用Matlab編寫程序實現與下位機通信及溫度監測。Matlab是MathWorks公司開發的科學計算軟件，具有強大的數值計算和圖形顯示功能，利用Matlab，用戶還可以操作計算機的串口與外部設備進行通信，并且支持RS-232、RS422和RS485接口標準。Matlab內置了GUI（Graphic User Interface）模塊，具有界面設計開發功能[5]。本文利用Matlab GUI設計了上位機系統界面，采用M文件編程設計的方式，比 GUIDE （Graphical User Interface Development Environment）輔助設計的方式功能更強，且代碼易于修改[6]。系統測溫的界面如圖3所示。

圖3 上位機溫度測量界面Fig.3 Temperature measurement interface of upper machine

測溫界面保留了MATLAB窗體框架窗口的菜單，利用菜單設計函數uimenu （）設計了一級菜單About和二級菜單Operation steps和Contact us，可以彈出窗口顯示系統的操作步驟和作者的聯系方式。

利用函數uicontrol（）的Style屬性的text類型在窗口左下角建立設定上下限溫度的顯示、超限報警指示、測溫開始和結束時間顯示，在窗口右上角建立當前、最大、最小和平均溫度顯示。利用函數axes（）建立1個位于窗口中心坐標軸，用于繪制動態溫度曲線。利用函數uicontrol（）的Style屬性的pushbutton類型在窗口右下角建立5個按鈕。對各控件編輯Callback回調函數，實現完整的上位機溫度監測功能。

“打開串口”按鈕操作主要完成串口初始化，其中利用了obj=serial（‘com1’，‘baudrate’，9600，‘parity’，

‘none’，‘databits’，8，‘stopbits’，1） 語句設定串口對象obj連接到串口com1，設定波特率為9600，不做奇偶校驗，設定傳輸的數據位數目為8位，字節終止位數為1位。再利用fopen（obj）打開串口對象。

“關閉串口”按鈕操作主要利用fclose （obj）和delete（obj）語句完成串口的釋放。

“開始測溫”按鈕操作是系統軟件的核心，利用了fwrite（obj， 255）語句發送命令字“255”，要求下位機發送溫度數據；利用fread（obj，2）語句接收2字節的16位溫度數據，先接收低8位字節，后接收高8位字節，16位數據中低12位為溫度數據，首先判斷溫度正負，再計算當前溫度，累計測量溫度的最大值、最小值和平均值，小數點后保留1位顯示在界面的右上角數據顯示區；根據當前溫度利用plot（）函數實時繪制溫度曲線；判斷溫度是否超限，如果超限進行報警指示，當前溫度顯示紅色，并利用sound（）函數發聲報警。當溫度超限時的報警界面如圖4所示。

圖4 上位機溫度報警界面Fig.4 Temperature alarm interface of upper machine

“保存數據”按鈕操作打開文件保存對話框，選擇路徑、保存測溫數據及測溫時間，其中調用了Matlab保存文件對話框函數uiputfile（），用save函數保存.mat格式的數據。

上位機操作步驟為鼠標單擊“打開串口”按鈕，用戶先后輸入報警上限和下限溫度；單擊“開始測溫”按鈕開始測溫。測溫結束時單擊“關閉串口”按鈕；再單擊“保存數據”按鈕，選擇保存路徑，輸入文件名保存測溫數據及測溫時間；最后單擊“退出”按鈕關閉窗口退出系統。

4 結 論

設計的基于單片機和PC機的動態溫度監測系統分別在上位機和下位機實現了溫度顯示和報警功能，上位機還實現了繪制動態溫度曲線，保存數據以備查詢。系統利用了Matlab強大的數值計算、圖形顯示和串口操作功能，具有友好的人機交互界面，實現了溫度的動態監測。

[1]何立民.單片機高級教程:應用與設計[M].2版.北京:北京航空航天大學出版社，2007.

[2]郭天祥.新概念51單片機C語言教程 [M].北京:電子工業出版社，2009.

[3]盧超.基于PC機與單片機分布式溫度采集系統的設計[J].儀表技術與傳感器，2007（6）:35-37.

LU Chao.Design of distributed temperature-collecting system based on PC and MCU[J].Instrument Technique and Sensor，2007（6）:35-37.

[4]孔巧玲.單片機與PC機串行通訊的實現[J].成都大學學報：自然科學版，2005，24（3）:190-193.

KONG Qiao-ling.Realization on serial communication of SCM and PC [J].Journal of Chengdu University：Natural Science，2005，24（3）:190-193.

[5]王煥進，王輝，李鵬.MATLAB N個實用技巧[M].北京:北京航空航天大學出版社，2011.

[6]陳垚光，毛濤濤，王正林，等.精通MATLAB GUI設計[M].北京:電子工業出版社，2008.