基于MATLAB的室内温度数据采集

高秋燕

（中北大学 信息与通信工程学院，山西太原 030051）

0 引言

在控制系统中,上位机与下位机之间实现通信的方法和应用平台很多，而且不同的方法具有不同的特点。MATLAB具有强大的数据处理能力及功能丰富的工具箱，被广泛应用于信号处理、自动控制等领域[1]。它的编程语言简单易学，利用简单的命令就可以代替复杂的代码，极大地提高了研究和开发效率。而且Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，可广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模仿真中[2]。图形化交互环境，直观方便，只需用鼠标拖动的方法便能迅速地建立起系统框架模在线仿真。

1 采集数据的必要性

通常我们需要对某个对象进行控制，那么就必须得到该对象的模型，往往这些对象的模型是未知的，那么要得到模型必须有被研究对象的相关信息，数据采集是获取信息的基本手段。

要利用这种获取信息的基本手段来采集人们需要控制的温度，本文讨论的控制密闭空间温度的问题，通过预测控制方法可以有效地调节控制密闭舱体的温度，已达到人们想要的设定值或者达到预测控制的目的。本文用热敏温度传感器测量室内温度变化及用加温减温措施来达到控制要求，用相应的合适的方法采集到温度数据[4]。

2 采集温度数据的方案

2.1 数据采集板的原理及组成

MATLAB数据采集卡如图1所示。

图1 USB数据采集板图

MATLAB数据采集卡的组成介绍如下：

◆本采集卡使用PHILIP的D12芯片作为USB传输芯片；

◆ATmega16(AVR)单片机作为中央控制器；

◆分别有4路A/D都是10位分辨率，输入阻抗47 kΩ（可调），输入电压范围0～4.096V；

◆2路D/A均是10位分辨率，0～4.096V电压输出；

◆输入输出总数4路，LED两路，按键两路；

◆工作电压是直接利用USB的5V电源，无需外接。

该采集卡还考虑低通滤波问题：为提高抗干扰性，设计了一阶低通滤波器。默认信号3分贝截止频率为4 kHz，当然也可参照原有电路进行修改或者加上调整截止频率。由于输入信号不确定，AD的通道中有两个通道的放大倍数是可调的，决定运放放大倍数的电阻是可调的。这几个电阻可以依据需要自行计算，并选择合适的电阻。用USB线将本采集板与PC连接起来就可以工作。该数据采集卡的工作原理:采集模块采用单片机作为CPU，利用单片机上的外设资源进行端口的输出/输入和A/D转换功能。采集模块上的USB通信芯片将硬件外设的输入输出读入PC或者通过PC发出命令。

2.2 温度传感器的选择

3 采集温度数据的过程

温度对应电压数据的采集过程在下面做出简单介绍：

(a)先给出了室内温度采集的硬件设备和电路的连接主要部分示意图如图2所示。

图2 温度数据采集硬件连接图

(b)由于本实验是用USB接口的MATLAB数据采集卡进行温度对应电压的采集，也是有相关的软件程序（在这里就不写了）和显示采集到的温度数据的一个软件界面。我们在Simulink中建立对应的模型[4-6]，然后在MATLAB中的Simulink里打开usbAD.mdl文件如图3所示。

图3 采集温度对应电压数据的模型图

下面修改AD模块的参数如图4，第一个参数我们要根据实物连接图选择，在实物连接中我们选择的是通道3；第二个参数为采样时间；第三个参数的目的是为了保证硬件的采样时间与Simulink相一致，称之为采样时间微调。一般情况下，设置为0.008[7-8]。

图4 采集数据时软件参数设置图

(c)最后运行模型usbAD.mdl，再给温传感器进行加温和降温的操作，点击模型中的scope1,可以得到温度对应电压温度数据如图5所示。

图5 温度变化相对应的电压曲线图

4 结语

使用热敏温度传感器进行温度采集，再使用USB数据采集板与基MATLAB的PC进行通信。采集的温度通过采集板的AD模块将数据采集卡直接跟PC机相连，利用Simulink的直观，形象的特点，在Simulink建立模块进行仿真。文中实际上是将采集卡的驱动封装成一个S函数，而我们所做的是将模块拉出，将温度传感器采集到的数据到AD再将数据送给SCOPE。其中温度传感器采集到的温度信号是温度相应的电压信号。

本文中使用的数据采集板是多路输入输出的，而在本文中我们只用的是单路输入输出，在以后的研究中我们可以在此基础上研究多路温度采集系统。本文还有很多值得继续研究的地方，比如在图形和数据显示中，我们可以把MATLAB与VC相通信，设计MFC界面，通过控制按钮来在我们需要的时候显示图形与数据，来进行数据的分析与控制处理。

[1]康凤举.现在仿真技术与应用[M].北京:高等教育出版社,2001:30-40.

[2]王建卫,曲中水,凌滨.MATLAB7.X程序设计[M].北京:中国水利水电出版社,2007:210-225.

[3]范影乐.MATLAB仿真应用详解[M].北京:人民邮电出版社,2007:91-99.

[4]徐国政,陈勇.基于Matlab的数据采集系统设计[J].应用技术,2003,30(4):1-3.

[5]王晓陵.系统建模与参数估计[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2003: 100-105.

[6]郑智琴.Simulink电子通信仿真与应用背景[M].北京:国防工业出版社,2002:101-116.

[7]张丹,宫蕾.基于MATLAB的数据采集模块在自动控制原理实验中的应用[J].重庆工商大学学报,2010,27(1):1-4.

[8]张丹.基于Simulink的数据采集模块的设计与实现[M].武汉:华中科技大学出版社,2009:20-29.