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1、基于单片机与 PC 机的温度监测系统设计 吕秀丽 1，2， 郑江红1，2， 祝立群1，2， 冯 波1，2 （1.东北石油大学 电子科学学院， 黑龙江 大庆163318； 2.黑龙江省高校校企共建测试计量技术及仪器仪表工程研发中心 黑龙江 大庆163318） 摘要： 设计了基于单片机和PC机的温度监测系统，温度传感器采用DS18B20。 下位机采用AT89S52单片机，可以显 示温度和超限报警。PC机作为上位机设定上下限报警温度，接收单片机的温度数据，处理后实时显示温度和绘制温 度曲线，还实现了超限报警和保存数据功能。 上位机利用Matlab强大的数值计算、图形显示和串口操作功能，具有友 好人机
2、交互界面，实现了温度动态监测。 关键词： 单片机；PC机； 温度监测；Matlab； 串口 中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：16746236（2012）22-0165-03 Design of temperature monitoring system based on SCM and PC LU Xiu-li1，2，ZHENG Jiang-hong1，2，ZHU Li-qun1，2，FENG Bo1，2 （1. College of Electronic Science，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China； 2.
3、 The University-enterprise R & D Center of Measuring and Testing Technology & Instrument and Meter Engineering in Heilongjiang Province，Daqing 163318，China） Abstract: A temperature monitoring system based on SCM and PC is introduced，which uses DS18B20 as a temperature sensor. AT89S52 SCM as lower ma
4、chine can display temperature and warn over limit. PC as upper machine sets upper and lower limit temperature and receives temperature data from SCM，then can display the temperature processed and draw temperature curve in real time. Whats more，PC can warn over limit and save the data. Using matlab p
5、owerful numerical calculation，graphic display and serial port operation，PC has friendly man-machine interface and realizes the temperature dynamic monitoring. Key words: SCM；PC；temperature monitoring；matlab；serial port 收稿日期：2012-07-23稿件编号：201207144 基金项目：黑龙江省教育厅科学技术项目（12511026） 作者简介：吕秀丽（1971），女，黑龙江安达
6、人，博士，教授。 研究方向：测试计量技术、图像处理与传输、生物特征识别技术。 温度是一个重要的物理量， 在工农业生产和日常生活 中，经常需要对环境温度进行监测。 本文设计了一个温度监 测系统，温度传感器采用DS18B20，下位机采用AT89S52单 片机，实现温度测量、显示、超限报警等功能，上位机采用PC 机，利用Matlab设计了友好人机交互界面，实现温度的采集、 显示、绘图、报警、保存数据等功能。 1系统总体设计 系统采用AT89S52单片机作为下位机，PC机作为上位 机，二者通过串口发送或接收数据，实现环境温度的测量、显 示、超限报警、测温数据保存等功能。 系统总体设计框图如图 1所示。
7、 单片机最小系统包括单片机工作所必需的复位电路、时 钟电路和电源电路1。 温度传感器采用DS18B20芯片，测量 温度范围为-55+125 ，该芯片不需要外接电源，可编程的 分辨率为912位，测温分辨率最高可达0.062 5 ，数据传 送只需要一条通信线2-3，接单片机的P2.0口。 温度显示部分 使用4个八段LED共阳极数码管，采用动态驱动方式，数码 管的a，b，c，d，e，f，g，DP八段由单片机P0.0-P0.7口控制，单 片机的P1.0-P1.3口控制4个数码管轮流动态显示。 超限温 度报警采用蜂鸣器，由单片机的P2.1口控制发声。 PC机的串行口采用的是标准的RS 232接口， 而单
8、片机 的串行口电平是TTL电平，与RS 232的电气特性不匹配，所 以系统采用常用芯片MAX232来完成电平的转换，使单片机 的串行口能与RS 232接口通信4。 上位机动态温度监测系统 利用Matlab软件设计友好人机交互界面，实现温度数据的设 电子设计工程 Electronic Design Engineering 第20卷 Vol.20 第22期 No.22 2012年11月 Nov. 2012 图1系统总体设计框图 Fig. 1Overall diagram of the system 165 电子设计工程2012年第22期 置、采集、计算、显示与保存等功能。 2下位机程序设计 单片机
9、作为下位机，其主要任务是： 1） 通过DS18B20实现温度数据的采集和处理， 并在 LED数码管上实时显示当前温度，保留小数点后1位； 2） 通过串口接收上位机设定的上下限报警温度， 并在 LED数码管上显示； 3） 通过串口接收要求发送温度数据的命令，向上位机发 送温度数据； 4） 判断当前温度，如果超限启动蜂鸣器报警，设定不同 频率的方波驱动蜂鸣器发出不同声音，用来区分超上限还是 超下限。 单片机采用Keil C51编写程序，DS18B20分辨率设为12 位，其主程序流程图如图2所示。 主程序主要完成系统的初 始化， 主要包括DS18B20和串口的初始化；4个LED数码管 显示“0000
10、”，等待上位机发送上限温度数据；接收数据后显 示，等待上位机发送下限温度数据；接收数据，显示下限温度 并延迟约2秒后开始测温。 读DS18B20温度值，将读取的低 8位字节和高8位字节组成16位无符号整型温度数据（其中 低4位为温度的小数部分，中间8位为温度的整数部分），处 理温度数据并在数码管上显示温度值；判断温度，超限报警； 接 收到 上 位 机 发 送 的 命 令 字 “255” 就 向 上 位 机 发 送 由 DS18B20读出的16位温度数据，先发送低8位字节，后发送 高8位字节；返回读DS18B20温度值。 3上位机程序设计 PC机作为上位机，主要任务包括: 1）设定上下限报警温度
11、，通过串口发送给下位机； 2）通过串口发送要求单片机传送温度数据的命令，命令 数据为“255”； 3）通过串口接收下位机的温度数据，做各种运算后显示 温度值，并绘图； 4）判断当前温度，如果超限启动报警指示和发声报警； 5）保存测温时间及数据，以备查询。 上位机采用Matlab编写程序实现与下位机通信及温度 监测。Matlab是MathWorks公司开发的科学计算软件，具有 强大的数值计算和图形显示功能，利用Matlab，用户还可以 操作计算机的串口与外部设备进行通信，并且支持RS-232、 RS422和RS485接口标准。Matlab内置了GUI（Graphic User Interface
12、） 模块，具有界面设计开发功能5。 本文利用Matlab GUI设计了上位机系统界面， 采用M文件编程设计的方式， 比GUIDE（Graphical User Interface Development Environ- ment） 辅助设计的方式功能更强，且代码易于修改6。 系统测 温的界面如图3所示。 测温界面保留了MATLAB窗体框架窗口的菜单，利用菜 单设计函数uimenu（ ） 设计了一级菜单About和二级菜单 Operation steps和Contact us， 可以弹出窗口显示系统的操作 步骤和作者的联系方式。 利用函数uicontrol（ ）的Style属性的text类型在
13、窗口左 下角建立设定上下限温度的显示、超限报警指示、测温开始 和结束时间显示，在窗口右上角建立当前、最大、最小和平均 温度显示。 利用函数axes（ ）建立1个位于窗口中心坐标轴， 用于绘制动态温度曲线。 利用函数uicontrol（ ）的Style属性 的pushbutton类型在窗口右下角建立5个按钮。 对各控件编 辑Callback回调函数，实现完整的上位机温度监测功能。 “打开串口”按钮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） 语句设定串口对 象 图3上位机
14、温度测量界面 Fig. 3Temperature measurement interface of upper machine 图2下位机主程序流程图 Fig. 2Main program flow chart of lower machine 166 obj连接到串口com1，设定波特率为9600，不做奇偶校验，设 定传输的数据位数目为8位，字节终止位数为1位。 再利用 fopen（obj）打开串口对象。 “关闭串口” 按钮操作主要利用fclose（obj） 和delete （obj）语句完成串口的释放。 “开始测温”按钮操作是系统软件的核心，利用了fwrite （obj，255）语句发送命
15、令字“255”，要求下位机发送温度数 据；利用fread（obj，2）语句接收2字节的16位温度数据，先 接收低8位字节，后接收高8位字节，16位数据中低12位为 温度数据，首先判断温度正负，再计算当前温度，累计测量温 度的最大值、最小值和平均值，小数点后保留1位显示在界 面的右上角数据显示区；根据当前温度利用plot（ ）函数实时 绘制温度曲线；判断温度是否超限，如果超限进行报警指示， 当前温度显示红色，并利用sound（ ）函数发声报警。 当温度 超限时的报警界面如图4所示。 “保存数据”按钮操作打开文件保存对话框，选择路径、 保存测温数据及测温时间，其中调用了Matlab保存文件对话 框
16、函数uiputfile（ ），用save函数保存.mat格式的数据。 上位机操作步骤为鼠标单击“打开串口”按钮，用户先后 输入报警上限和下限温度；单击“开始测温”按钮开始测温。 测温结束时单击“关闭串口”按钮；再单击“保存数据”按钮， 选择保存路径，输入文件名保存测温数据及测温时间；最后 单击“退出”按钮关闭窗口退出系统。 4结论 设计的基于单片机和PC机的动态温度监测系统分别在 上位机和下位机实现了温度显示和报警功能，上位机还实现 了绘制动态温度曲线， 保存数据以备查询。 系统利用了 Matlab强大的数值计算、图形显示和串口操作功能，具有友 好的人机交互界面，实现了温度的动态监测。 参考文
17、献： 1何立民.单片机高级教程:应用与设计M. 2版.北京:北京 航空航天大学出版社，2007. 2郭天祥.新概念51单片机C语言教程M.北京:电子工业 出版社，2009. 3卢超.基于PC机与单片机分布式温度采集系统的设计J. 仪表技术与传感器，2007（6）:35-37. LU Chao. Design of distributed temperature-collecting system based on PC and MCUJ. Instrument Technique and Sensor， 2007（6）:35-37. 4孔巧玲.单片机与PC机串行通讯的实现J.成都大学学报： 自
18、然科学版，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王焕进，王辉，李鹏. MATLAB N个实用技巧M.北京:北京 航空航天大学出版社，2011. 6陈垚光，毛涛涛，王正林，等.精通MATLAB GUI设计M. 北京:电子工业出版社，2008. 图4上位机温度报警界面 Fig. 4Temperature alarm interf
19、ace of upper machine 意法半导体（ST）推出新款DisplayPort 1.2芯片，率先简化复杂多媒体路由技术 横跨多重电子应用领域、全球领先的半导体供应商及家庭多媒体IC主要供应商意法半导体（STMicroelectronics，ST）宣布 其创新的DisplayPort产品阵容新增STDP43系列产品。 新的系统级芯片（SoC）是全球首款高速主动协议双向媒体路由芯片，能 够管理各种信源的音视频数据并将其发送至多个显示设备。 基于英特尔和AMD最新CPU的新一代笔记本电脑和个人电脑支 持DisplayPort 1.2接口的多流传输功能，需要使用下一代数字标牌、通用扩展座和
20、视频集线器，STDP43系统级芯片正在推动这 个快速增长的市场。STDP43系列为目前复杂的显示选项提供性能强大的路由逻辑管理功能，如在数据中心、电视墙和控制中 心，能够将内容分配至多台显示设备是一个重要的技术要求。通过双模收发器的各种配置，意法半导体的新系统级芯片能够分 离、合并、转发DisplayPort 1.2和HDMI 1.4信号，将其转换为色深高达48位/像素的全高清信号驱动多台菊链连接显示器，或 转换为4Kx2K（4096x2160p = 4倍全高清）视频信号驱动单台显示器。 意法半导体显示产品部（DPD）总经理Todd Meany表示：“STDP43系统级芯片为意法半导体强大的DisplayPort 1.2解决方 案组合增加一款用途极广的产品。 意法半导体的媒体路由概念能够在扩展座和媒体集线器上更灵活、更快速地实现复杂的媒 体功能，笔记本电脑和显示器设计人员为此兴奋不已。 此外，多流传输功能让多媒体数据中心扩展设计有了更多的选择。 ” 咨询编号：2012221008 ! 吕秀丽， 等基于单片机与PC机的温度监测系统设计 167