嵌入式连接单片机温度数字化系统的优化设计

杨培善

(宿州职业技术学院 机电工程系,安徽 宿州 234000)

0 引言

单片机作为一种微型计算机，具有广泛的应用范围，发展速度也越来越快，20世纪70年代末的时候，我国的科研工作者就开始研究了单片机，20世纪80年代时，单片机已经在我国广泛应用，国内的各大高校也开设了有关单片机的课程，第一台8位单片机公布至今不到30年，并没有像微处理器那样逐渐发展到32位甚至64位，至今8位单片机仍然是主流机型，只是改变了原有的结构，在单片机的内部安装了多个外围电路和接口，而且体积小以及可靠性高的特点，使单片机在不同的领域得到广泛应用.

1 嵌入式连接的单片机多点温度数字化采集系统硬件设计

1.1 温度采集传感器设计

多点温度数字化采集系统采用的主芯片是嵌入式连接的单片机，单片机的外围有蓝牙模块，用于无线传输；温度传感器用于温度的采集；蜂鸣器主要用于报警，当温度超过报警上限或下限时，蜂鸣器就会发出报警信号；按键，用于对系统进行各项操作；LED指示灯，用于提示系统充电完成，当系统的电池处于充电状态时，LED指示灯亮，电池充电完成时LED指示灯灭；锂电池主要是用于为多点温度数字化采集系统供电；其次还有液晶显示屏.多点温度数字化采集系统的结构框图如图1所示[1].

本文的嵌入式连接单片机多点温度数字化采集系统的温度传感器主要是由存储器、控制器、单线连口以及温度敏感器件构成[2]，温度传感器内部结构框图如图2所示.

温度传感器的特点和性能主要有以下几点：一是嵌入式连接的单片机，其单线接口具有独特性，在连接时要实现双向通讯只需要一天简单的连接线即可；二是该结构传感器的温度测量范围有限制， 需要控制在零下55℃～零上125℃之间.；三是支持多点组网功能，多个传感器可以并联在一起，最多可以并联8个传感器，如果并联的数目太多，会导致供电电源的电压过低，从而造成传感器的信号传输不稳定，这样就可以完美地实现多点测温；其四是测量结果会以9到12位数字串行传送.

图1 多点温度数字化采集系统的结构框图图2 温度传感器内部结构框图

1.2 系统电路设计

图3 系统的具体电路图

基于嵌入式连接的单片机多点温度数字化采集系统的以太网接口是由RQT3658AS芯片在单片机的控制下实现的.

当嵌入式连接的单片机多点温度数字化采集系统温度传感器处于存储器操作和温度转换操作时，嵌入式连接的单片机总线上必须有强的上位，上拉开启的最大时间为10 s，采用寄生电源作为供电方式时，将VCC端口接地，由于单线接口只有一根线，因此发送接口必须选用三态的，通过上述介绍的供电方式，可以使嵌入式连接的单片机外围电路设计的简单一些，仅仅需要一个4.7 k的上位电阻系统就可以正常工作，系统的具体电路图如图3所示[3].

2 嵌入式连接的单片机多点温度数字化采集系统软件设计

2.1 多点温度数字化采集算法设计

温度在物理学中是一个表示被测对象冷热程度的物理量，在生产和生活中被广泛涉及的参数.生活中的每一个方面都离不开温度，本文通过利用多点温度数字化采集算法来实现基于嵌入式连接的单片机多点温度数字化采集系统软件设计，简单可靠是数字数据采集算法具有的最为突出的优点，因为此优点使它的实用性更加的广泛.根据需要，建立适用于它的数学模型，然后可以组装单片机的多点温度，主要是由于数字数据采集的多点温度算法的数学模型.误差变异性、累积误差、温度误差是其主要因素，根据需求对主要因素进行优化处理，所以本文研究算法相比于传统算法更加准确.

以数字化方式处理被采集数据，选择对应的程序进行温度差异性分析、误差变化分析和累积误差分析，从而获得采集量数据[4-5].需要注意的是，微积分不适合对此数据进行采集.处理步骤如下：以T作为样本采集周期，连续时间t由采样时刻序列K(T)表示.以采样点的总参数进行求和运算，得出累积求和值，将积分运算结果以求得的累积求和值代替，使差值为一阶差，上述近似算法变换方式为：

t=K(T).

(1)

(2)

(3)

变换式中，T表示采样周期；e(k)表示在k时刻的采样偏差值；e(k-1)表示在k-1时刻的采样偏差值；k表示采样次数，通常取1，2，3，….

将上述三个变换式整理后，可得到离散的多点温度数字化采集算法表达式为：

(4)

对离散的多点温度数字化采集算法进行优化，步骤如下：

令

(5)

(6)

则

(7)

以上就是优化后的离散的多点温度数字化采集算法，程序编写的开头遵循上述公式，但优化过程发生在启动和调试过程中，输出接近前一个结果[6-7]，这增加了操作的复杂性以及计算的时间，因此对优化的算法公式进行如下改变，得出增量算法：

根据第k次采样，推导出第k-1次采样为：

(8)

整理后得：

u(k)=u(k-1)+a0e(k)-a1e(k-1)+a2e(k-2).

(9)

其中，

(10)

由于a0，a1，a2可以提前求出来，因此在实际采集时想要得到所需要的采集增量，只要将e(k)，e(k-1)，e(k-2)求出来就可以，该增量算法相比于优化后算法，只需要计算增量，而且想要得出增量的结果只需要计算最近几次的采样值偏差，这样计算结果产生的误差不会对采集量产生较大的影响.

2.2 多点温度数字化采集系统程序设计

对于一台嵌入式连接的单片机，需要输入或者输出数据的时候，可以采用位寻址，用如下语句表示：

sbitDQ=P1.3，DQ=0，DQ=1.

而对于8位单片机并联的情况下，如果仍然采用位寻址的方法实现数据的输入和输出，就要使用单总线通过查询系统的序列号来一次进行读取，这种情况下程序就会非常复杂，运行的速度也会变慢，无法满足嵌入式连接的单片机性能要求，因此本文设计的多点温度数字化采集系统使用如下语句，将位寻址扩展为字节寻址：

sbitDQ=P1,DQ=0x00,DQ=0xff.

采用这个语句就可以一次输出或输入8位单片机并联时的数据，从而达到快速同步读取的目的.

3 实例分析

模拟不同的嵌入式连接的单片机多点温度条件，利用传统单片机多点温度数字化采集系统[8-9]，以及基于嵌入式连接的单片机多点温度数字化采集系统，进行温度采集识别能力仿真实验.

3.1 实验过程

实验过程中，准备10组不同的单片机多点温度条件数据，模拟环境中一共分为10个实验组，其中分为3个模拟等级，即高温、恒温以及低温，如图4所示.

根据proteus仿真软件的数据接口，连入传统单片机多点温度数字化采集系统，以及基于嵌入式连接的单片机多点温度数字化采集系统.

根据两种单片机多点温度数字化采集系统获取的数据信息进行抽样分析，获取单位时间内原数据的采集点，并根据采集效率得出不同实验组、不同温度下的温度采集效率.

3.2 实验结果分析

绘制嵌入式连接的单片机多点温度数字化采集效率对比曲线，如图5所示.

图4 实验对比图图5 数字化采集效率对比曲线

根据图5对比曲线可以看出，在温度恒定的条件下，传统单片机多点温度数字化采集系统，以及基于嵌入式连接的单片机多点温度数字化采集系统，都具有较高的采集效率，但在高温或者低温的条件下，传统单片机多点温度数字化采集系统的采集效率严重下降，而基于嵌入式连接的单片机多点温度数字化采集系统虽然也有下降的趋势，但是较传统单片机多点温度数字化采集系统相比，具有较高的识别能力.

根据统计分析，计算十组数据的平均温度采集效率，得出提出的基于嵌入式连接的单片机多点温度数字化采集系统，较传统单片机多点温度数字化采集系统温度采集识别能力提高37.89%，适合嵌入式连接的单片机多点温度数字化采集.

4 结束语

本文提出了嵌入式连接的单片机多点温度数字化采集系统优化设计，实验数据表明，提出的基于嵌入式连接的单片机多点温度数字化采集系统，较传统单片机多点温度数字化采集系统具有较高的温度采集识别能力.希望本文的研究能够为单片机多点温度数字化采集提供理论依据.未来的温度数字化采集系统以其为发展方向.这种嵌入式连接的单片机多点温度数字化采集系统有很大优势，是智能生产系统的时代的发展方向.