基于MATLAB的遠程多點溫度采集系統

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，來實現遠距離溫度的采集。通過MATLAB的GUI設計，構建控制界面，實現溫度曲線的繪制，高低溫報警，數據存儲，溫度變化分析等功能。

【關鍵詞】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

在生活生產中，溫度參數是極為重要的參數之一，對于溫室大棚，倉庫，樓層等場合，溫度的檢測和調控有很重要的意義。而以上場合均需要多個溫度值進行實時監測，并且對于傳輸距離有一定的要求。本文的設計可以很好地滿足這類需求。

1.系統的總體設計

在系統中，通過單片機AT89C51和DS18B20讀取各個不同地點的溫度，而后通過RS485無線通信模塊，將采集到的溫度值傳遞到AT89C51單片機總機上面，而后該單片機通過串口通信將采集到的溫度值輸入到MATLAB構建的控制平臺上。在該平臺上完成數據的顯示和存儲等功能。同時設置溫度的上下限值，當采集到的溫度值超出該范圍實現報警功能[1]。原理圖如圖1所示。

圖1 系統總體方案圖

2.硬件電路設計

在整個溫度控制系統中，使用的硬件設備分別是DS18B20，單片機AT89C52，電腦（即上位機），報警裝置。在該系統中，使用led代替報警設備，用以表示當前是否符合系統的溫度要求。單片機AT89C51與電腦（上位機）通過RS485串口通信進行數據傳輸[2]。

2.1 AT89C52

AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內含4KB的可反復擦寫的程序存儲器和128B的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內配置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可靈活應用于各種控制領域。

2.2 DS18B20

DS18B20溫度傳感器是根據隨溫度變化而線性變化頻率的振蕩器通過計數器測出頻率再轉換成對應溫度的原理，進行溫度測定的。對于溫度采集的時間， DS18B20的最長溫度轉換時間為750ms，在正常運作以后，DS18B20可以在1s內完成一次溫度輸出。在精度方面，溫度測試范圍為-55～125℃，在-10～+85℃時精度為±0.5℃。其分辨率最大可以達到0.0625℃[3-4]。

2.3 DS18B20與AT89C51的通信

在DS18B20于AT89C51進行數據傳遞過程中，一般有兩種方法可供選擇。第一種是在同一根數據線上掛接多個DS18B20，通過讀取每個DS18B20的64位序列號對每個傳感器進行識別，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，會使得操作變得復雜。每次進行數據讀取的時間會增加，但不會超過10ms，與傳感器每次進行數據轉換需要95ms～750ms的時間相比，讀取時間是不會發生質的改變的，每次的讀取時間都可以控制在1s以內。在實際操作中，需要提前將多個DS18B20的64位序列號記錄下來，以便在后面進行匹配操作。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數，但卻簡化了程序操作，減少了讀取溫度的時間。

對于以上這兩種方法，一般情況下兩種都是可取的。但卻忽略了幾個問題。第一，傳感器的個數問題。在第一種方法中，每個引腳掛接的DS18B20傳感器掛接的個數不可以超過8個。當超過8個時，AT89C51單片機的總線驅動電路就會出現問題。第二種方法中，AT89C51單片機最多可以掛接32個，而前提是該單片機沒有其他外界設備，這無疑對單片機資源是一種浪費。第二就是距離。由于DS18B20簡化了與單片機的硬件連接，采用單總線的方式進行數據的傳遞，使得在采集數據時，傳感器對時序的要求嚴格，從而導致外界干擾對數據傳輸有很大影響。在測量距離方面，當普通信號電纜傳輸長度超過50m，數據就會出錯。對于集中程度比較的地域進行溫度測量是可取的，但是當傳感器與AT89C51距離超過50 m時，采用上面的方法就會產生很大誤差[5-7]。

為了避免這種問題，可以將一個DS18B20掛接在一個AT89C51上面，而通過遠程無線串口通信模塊，實現該單片機與總單片機的數據傳遞。這樣就可以避免掛接個數和傳遞數據的距離等問題。傳感器與單片機的數據交互如圖2所示。

圖2 傳感器與單片機連接圖

3.軟件設計

軟件采用MATLAB編寫的控制界面來進行。控制界面實現了溫度值得實時顯示和存儲，溫度曲線的動態繪制和定時存儲，溫度報警等功能[8-9]。控制界面和傳感器的數據記錄界面如圖3、圖4所示：

圖3 控制界面

圖4 傳感器數據記錄界面

在軟件設置中可以直接使用MATLAB的串口調試功能，完成串口連接，串口讀取和數據接受發送等功能。而后利用MATLAB強大的數值處理功能，圖形顯示功能，來完成溫度值的顯示，溫度曲線的繪制和保存，數據存儲及數據對比等功能。在數據圖形顯示的過程，還可以設置報警溫度的上下限，自動實現報警功能。在操作中，通過選取不同的按鈕，實現對不同溫度傳感器的溫度采集。通過選取不同時段采集到的溫度，可以從縱向的角度對溫度曲線進行比較，并且可以在圖形中看到溫差，平均溫度和溫度波動等情況。通過MATLAB的GUI功能，將上述操作整合在一個界面中，使得人機操作更加方便快捷。

4.實驗室模擬

為了檢驗本系統的可靠性和準確性，在空曠的地域對系統進行測試。將2個傳感器分布于距離上位機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，從而使溫度曲線產生不同程度的溫度波動，從而檢驗熊的準確性，可靠性和報警功能。測試的溫度曲線和時間溫度表，分別如圖5和表1所示。

圖5 溫度曲線

通過與實際的溫度值進行對比，系統的準確性和可靠性基本無誤，軟件界面便捷、強大。

5.結論

在整個系統設置中，對于硬件的操作和界面功能的實現，許多地方采用了一中簡化設置。如在讀取DS18B20的溫度值時，只是讀取了溫度的整數部分。溫度傳感器的數量可根據具體的環境條件進行靈活調節，所以系統結構簡單，成本低廉可靠性高，適應性強。遠程溫度監控能有效地節省了人力物力。相信該系統會在溫室監控等領域得到應用。

參考文獻

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