基于MATLAB的室內溫度數據采集

高秋燕

（中北大學 信息與通信工程學院，山西太原 030051）

0 引言

在控制系統中,上位機與下位機之間實現通信的方法和應用平臺很多，而且不同的方法具有不同的特點。MATLAB具有強大的數據處理能力及功能豐富的工具箱，被廣泛應用于信號處理、自動控制等領域[1]。它的編程語言簡單易學，利用簡單的命令就可以代替復雜的代碼，極大地提高了研究和開發效率。而且Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境，可廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模仿真中[2]。圖形化交互環境，直觀方便，只需用鼠標拖動的方法便能迅速地建立起系統框架模在線仿真。

1 采集數據的必要性

通常我們需要對某個對象進行控制，那么就必須得到該對象的模型，往往這些對象的模型是未知的，那么要得到模型必須有被研究對象的相關信息，數據采集是獲取信息的基本手段。

要利用這種獲取信息的基本手段來采集人們需要控制的溫度，本文討論的控制密閉空間溫度的問題，通過預測控制方法可以有效地調節控制密閉艙體的溫度，已達到人們想要的設定值或者達到預測控制的目的。本文用熱敏溫度傳感器測量室內溫度變化及用加溫減溫措施來達到控制要求，用相應的合適的方法采集到溫度數據[4]。

2 采集溫度數據的方案

2.1 數據采集板的原理及組成

MATLAB數據采集卡如圖1所示。

圖1 USB數據采集板圖

MATLAB數據采集卡的組成介紹如下：

◆本采集卡使用PHILIP的D12芯片作為USB傳輸芯片；

◆ATmega16(AVR)單片機作為中央控制器；

◆分別有4路A/D都是10位分辨率，輸入阻抗47 kΩ（可調），輸入電壓范圍0～4.096V；

◆2路D/A均是10位分辨率，0～4.096V電壓輸出；

◆輸入輸出總數4路，LED兩路，按鍵兩路；

◆工作電壓是直接利用USB的5V電源，無需外接。

該采集卡還考慮低通濾波問題：為提高抗干擾性，設計了一階低通濾波器。默認信號3分貝截止頻率為4 kHz，當然也可參照原有電路進行修改或者加上調整截止頻率。由于輸入信號不確定，AD的通道中有兩個通道的放大倍數是可調的，決定運放放大倍數的電阻是可調的。這幾個電阻可以依據需要自行計算，并選擇合適的電阻。用USB線將本采集板與PC連接起來就可以工作。該數據采集卡的工作原理:采集模塊采用單片機作為CPU，利用單片機上的外設資源進行端口的輸出/輸入和A/D轉換功能。采集模塊上的USB通信芯片將硬件外設的輸入輸出讀入PC或者通過PC發出命令。

2.2 溫度傳感器的選擇

3 采集溫度數據的過程

溫度對應電壓數據的采集過程在下面做出簡單介紹：

(a)先給出了室內溫度采集的硬件設備和電路的連接主要部分示意圖如圖2所示。

圖2 溫度數據采集硬件連接圖

(b)由于本實驗是用USB接口的MATLAB數據采集卡進行溫度對應電壓的采集，也是有相關的軟件程序（在這里就不寫了）和顯示采集到的溫度數據的一個軟件界面。我們在Simulink中建立對應的模型[4-6]，然后在MATLAB中的Simulink里打開usbAD.mdl文件如圖3所示。

圖3 采集溫度對應電壓數據的模型圖

下面修改AD模塊的參數如圖4，第一個參數我們要根據實物連接圖選擇，在實物連接中我們選擇的是通道3；第二個參數為采樣時間；第三個參數的目的是為了保證硬件的采樣時間與Simulink相一致，稱之為采樣時間微調。一般情況下，設置為0.008[7-8]。

圖4 采集數據時軟件參數設置圖

(c)最后運行模型usbAD.mdl，再給溫傳感器進行加溫和降溫的操作，點擊模型中的scope1,可以得到溫度對應電壓溫度數據如圖5所示。

圖5 溫度變化相對應的電壓曲線圖

4 結語

使用熱敏溫度傳感器進行溫度采集，再使用USB數據采集板與基MATLAB的PC進行通信。采集的溫度通過采集板的AD模塊將數據采集卡直接跟PC機相連，利用Simulink的直觀，形象的特點，在Simulink建立模塊進行仿真。文中實際上是將采集卡的驅動封裝成一個S函數，而我們所做的是將模塊拉出，將溫度傳感器采集到的數據到AD再將數據送給SCOPE。其中溫度傳感器采集到的溫度信號是溫度相應的電壓信號。

本文中使用的數據采集板是多路輸入輸出的，而在本文中我們只用的是單路輸入輸出，在以后的研究中我們可以在此基礎上研究多路溫度采集系統。本文還有很多值得繼續研究的地方，比如在圖形和數據顯示中，我們可以把MATLAB與VC相通信，設計MFC界面，通過控制按鈕來在我們需要的時候顯示圖形與數據，來進行數據的分析與控制處理。

[1]康鳳舉.現在仿真技術與應用[M].北京:高等教育出版社,2001:30-40.

[2]王建衛,曲中水,凌濱.MATLAB7.X程序設計[M].北京:中國水利水電出版社,2007:210-225.

[3]范影樂.MATLAB仿真應用詳解[M].北京:人民郵電出版社,2007:91-99.

[4]徐國政,陳勇.基于Matlab的數據采集系統設計[J].應用技術,2003,30(4):1-3.

[5]王曉陵.系統建模與參數估計[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2003: 100-105.

[6]鄭智琴.Simulink電子通信仿真與應用背景[M].北京:國防工業出版社,2002:101-116.

[7]張丹,宮蕾.基于MATLAB的數據采集模塊在自動控制原理實驗中的應用[J].重慶工商大學學報,2010,27(1):1-4.

[8]張丹.基于Simulink的數據采集模塊的設計與實現[M].武漢:華中科技大學出版社,2009:20-29.