傳統(tǒng)的溫度檢測大多以熱敏電阻為溫度傳感器，但熱敏電阻的可靠性較差、測量溫度準確率低，且還必須經(jīng)專門的接口電路轉換為數(shù)字信號后才能由單片機進行處理。不僅如此，大部分溫度系統(tǒng)都缺少對溫度的采樣存儲，無法對溫度進一步分析。本文介紹了一套以個人電腦及80C51單片機為核心，使用DS18B20溫度傳感器進行溫度采樣，數(shù)據(jù)庫進行溫度存儲，Matlab進行溫度分析的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對其所處環(huán)境的溫度進行實時監(jiān)控，同時進行溫度的采樣、存儲和分析，實現(xiàn)對特定環(huán)境下溫度的了解。

1 系統(tǒng)總體組成

系統(tǒng)硬件部分主要用于溫度的測量和存儲。PC端則用于測溫事件的建立與存儲、測量參數(shù)的設置、溫度數(shù)據(jù)的存儲及溫度數(shù)據(jù)的分析。整體而言，系統(tǒng)核心部分分為溫度監(jiān)測模塊、溫度存儲模塊和溫度分析模塊3部分。

溫度監(jiān)測模塊用于溫度的監(jiān)測及采樣，首先利用PC端程序進行測溫事件的建立及采樣開始時間(時分秒)、采樣結束時間(時分秒)、采樣間隔(秒)和傳輸方式8個采樣相關參數(shù)的設置，傳輸方式包括直接傳輸和間接傳輸，對應溫度的永久存儲和臨時存儲，相關參數(shù)通過串口傳給單片機。然后利用80C51單片機和DS18B20溫度傳感器來獲取當前溫度，并按要求對溫度進行采樣，同時利用其他器件將溫度及當前時間顯示到LED屏上。

溫度存儲模塊分為臨時存儲模塊和永久存儲模塊，臨時存儲模塊用于將所測量的溫度數(shù)據(jù)通過I2C總線臨時存儲于AT24C02芯片中，永久存儲模塊則將AT24C02芯片中的數(shù)據(jù)或當前測量的溫度數(shù)據(jù)通過串行口傳給PC端，然后PC端程序將其存儲于SQL Server數(shù)據(jù)庫中。

溫度分析模塊利用Matlab對所獲數(shù)據(jù)進行處理。通過將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)導入Excel表，然后調用Matlab的m文件讀取Excel表中的數(shù)據(jù)，并對其分析，完成數(shù)據(jù)處理。

系統(tǒng)的總體設計如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件原理如圖2所示，硬件電路圖如圖3所示。整個系統(tǒng)通過STC89C52RC單片機進行控制，8051系列單片機為1980年Intel公司推出的MCS-51系列8為高檔單片機微機，而該型號單片機為8051內核芯片，內含F(xiàn)lash E2PROM存儲器，內部程序存儲空間的大小為4 kB，內部RAM為512 Byte，價格較低，能較好地滿足系統(tǒng)要求。DS18B20溫度傳感器通過單總線與單片機P1.7連接，單總線數(shù)字溫度傳感器將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合為1根信號線，硬件開銷小，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，將DS18B20的VCC端與外部電源相連。1602液晶為5 V電壓驅動，可顯示兩行，每行16個字符，內置含128個字符的ASCII字符集字庫，可滿足系統(tǒng)信息輸出的要求，1602占用單片機的P0及P2.3、P2.4、P2.5。AT24C02為E2PROM存儲器，使用了快速、高效、精準的I2C接口設計技術與單片機進行通信，時鐘線與單片機P2.0相連，信號線與P2.1相連。DS1302為時間芯片，能自動產(chǎn)生年、月、日、時、分、秒等時間信息，可實現(xiàn)系統(tǒng)溫度與測量時間的對應傳輸，并方便系統(tǒng)控制。MAX232為RS232/TTL電平轉換芯片，實現(xiàn)下位機與PC端上位機的串口通信，其與單片機的RXD(P3.0)和TxD(P3.1)相連。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 單片機程序設計

圖3為程序的程序總體設計圖，application為整個單片機程序的全局變量，用以區(qū)分系統(tǒng)核心部分和應用部分，當按下與P3.2相連的按鍵時，觸發(fā)外部中斷0，application自加1。

系統(tǒng)核心部分又分為空閑模式和工作模式。系統(tǒng)處于空閑模式時，讀取DS1302的時間信息和DS18B20的溫度信息，在液晶顯示屏上顯示當前的日期、時間和溫度，同時利用按鍵可校準日期和時間;處于工作模式時，硬件電路與PC端配合工作，完成溫度的采樣、存儲和傳輸。

應用部分，單片機通過串口獲得溫度閾值和函數(shù)式，利用下文將敘述的公式完成相應功能。另外，單片機進行溫度采樣的時間由定時器0進行精確控制。定時器1用于波特率的產(chǎn)生。當PC端傳遞數(shù)據(jù)給單片機時，將導致串口中斷，參數(shù)數(shù)據(jù)傳送至單片機的SBUF寄存器，然后再將數(shù)據(jù)存儲于char型二維數(shù)組Parameter中，因為所需傳輸?shù)膮?shù)數(shù)據(jù)共有8個，且每個參數(shù)的位數(shù)均為2位，故包括‘\0’在內共需3個char。型存儲空間，從而完成采樣參數(shù)設置。當單片機向PC端傳遞溫度數(shù)據(jù)時，先傳遞溫度的整數(shù)部分傳給SBUF寄存器，再將溫度的小數(shù)部分傳給SBUF，從而傳給PC端，此時先用強制轉換將float型的溫度數(shù)據(jù)轉換為int型變量，傳遞其整數(shù)部分，然后將float型變量乘以100并減去其整數(shù)部分，得到小數(shù)部分。

3.2 PC端程序設計

圖4為數(shù)據(jù)庫設計的E—R圖。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中包括事件表、數(shù)據(jù)表和處理結果表。事件表存儲各種事件信息，數(shù)據(jù)表存儲對應時間的溫度數(shù)據(jù)及時間數(shù)據(jù)，處理結果表存儲處理結果。

Matlab分析模塊的主要步驟為：從Excel表中獲取時間;利用datenum()函數(shù)將三維的時分秒轉換成一維的實數(shù);利用polyfit()函數(shù)擬合時間溫度的一階函數(shù)式;利用polyv al()函數(shù)計算已知各點擬合曲線的溫度值;利用plot畫出原始各點和擬合曲線。

PC端可是化程序主要使用Visual C++6.0編寫而成，通過串口與單片機進行數(shù)據(jù)交換，并于數(shù)據(jù)庫和Matlab進行通信，完成測溫事件的建立、采樣參數(shù)的設置以及數(shù)據(jù)的存儲與分析。

PC端可視化程序使用到了Microsoft CommunicationsControl控件(MSComm控件)實現(xiàn)了串口通信和數(shù)據(jù)接收，利用微軟提供的一種面向對象、與語言無關的數(shù)據(jù)訪問應用編程接口 ADO組件實現(xiàn)與SQL Server數(shù)據(jù)庫的通信，通過Matlab引擎調用Matlab的m文件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析，Matlab引擎是一組Matlab提供的接口函數(shù)(ICngine API函數(shù))，其采用客戶機/服務器計算模式，此時C++作為客戶端出現(xiàn)，負責用戶接口和提出數(shù)據(jù)請求，Matlab則屬于服務器端，向客戶端提供數(shù)據(jù)服務。通過以上接口及MFC函數(shù)庫完成PC端的可視化程序設計。

4 系統(tǒng)測試及應用

系統(tǒng)測試采用額定功率為1 500 W的電熱壺燒水進行實驗測試。利用系統(tǒng)對1 200 ml的自來水在電熱壺中的溫度進行采樣，獲得相關數(shù)據(jù)并進行分析，從而得到溫度與時間的函數(shù)式，然后用該函數(shù)式來計算到達某一溫度閾值的所需時間，完成應用。

由于電熱壺的功率恒定且過大，故加熱時因各種原因散失的溫度可忽略不計，故水所吸收的熱量在單位時間內是恒定的，通過比熱容公式Q=Cm△T(其中Q為熱量的變化，C為比熱容，m為質量，△T為溫度變化)及Q=p△t(p為功率，△t為所用時間)可得

由于水的比熱容為4.2×103J/(kg·℃)，電熱壺功率為1 500 W，水的質量約為1.2kg，代入數(shù)據(jù)可得△T=0.297△t。

可見水溫與時間應該是線性的，其系數(shù)約為0.297，即T=at+T0，其中a=0.297，T0為初始溫度。

通過以上分析，可得式(2)，該公式用于應用部分計算水到達某一溫度剩余時間的函數(shù)式

t=(T-T1)÷a (2)

其中，t為所需的時間;T1為閾值溫度;T為當前溫度;a為分析所得函數(shù)的一次項系數(shù)。

系統(tǒng)測試結果如圖6與圖7所示，由圖6可知，溫度與時間呈較好的線性，與上述分析結果一致，由圖7可知，擬合曲線的系數(shù)為0.264.53，與理論值的相對誤差為-10.9%，這可能與電熱壺的老化等因素有關。但由實驗結果可知，系統(tǒng)可較好地對溫度進行采樣、存儲和分析。

圖8為針對系統(tǒng)分析的數(shù)據(jù)進行的一個應用測試，通過式(2)可知電熱壺水溫至100℃還需要的時間，從圖8中可看出，當前水溫為23℃，距水燒開還需380 s。

5 結束語

經(jīng)過實驗測試，本系統(tǒng)可完成溫度的采集、存儲和分析功能。通過該系統(tǒng)，可測得某一時段內固定時間間隔的溫度值，并可將其存儲于PC端的數(shù)據(jù)庫中，當測得規(guī)定時間內的數(shù)據(jù)后，通過系統(tǒng)的分析模塊，可對所測的溫度數(shù)據(jù)進行一定程度的分析，獲得溫度變化的走勢曲線圖，在熱功率恒定的條件下，通過Q=Cm△t函數(shù)可獲得溫度與時間的一次函數(shù)，從而對其他時段相同環(huán)境下的數(shù)據(jù)進行提前分析。同時，該系統(tǒng)功能較強，操作簡便，系統(tǒng)較穩(wěn)定，有一定的實際應用價值。