1 系统总体组成

系统硬件部分主要用于温度的测量和存储。PC端则用于测温事件的建立与存储、测量参数的设置、温度数据的存储及温度数据的分析。整体而言，系统核心部分分为温度监测模块、温度存储模块和温度分析模块3部分。

温度监测模块用于温度的监测及采样，首先利用PC端程序进行测温事件的建立及采样开始时间(时分秒)、采样结束时间(时分秒)、采样间隔(秒)和传输方式8个采样相关参数的设置，传输方式包括直接传输和间接传输，对应温度的永久存储和临时存储，相关参数通过串口传给单片机。然后利用80C51单片机和DS18B20温度传感器来获取当前温度，并按要求对温度进行采样，同时利用其他器件将温度及当前时间显示到LED屏上。

温度存储模块分为临时存储模块和永久存储模块，临时存储模块用于将所测量的温度数据通过I2C总线临时存储于AT24C02芯片中，永久存储模块则将AT24C02芯片中的数据或当前测量的温度数据通过串行口传给PC端，然后PC端程序将其存储于SQL Server数据库中。

温度分析模块利用Matlab对所获数据进行处理。通过将数据库中的数据导入Excel表，然后调用Matlab的m文件读取Excel表中的数据，并对其分析，完成数据处理。

系统的总体设计如图1所示。

2 系统硬件设计

系统硬件原理如图2所示，硬件电路图如图3所示。整个系统通过STC89C52RC单片机进行控制，8051系列单片机为1980年Intel公司推出的MCS-51系列8为高档单片机微机，而该型号单片机为8051内核芯片，内含Flash E2PROM存储器，内部程序存储空间的大小为4 kB，内部RAM为512 Byte，价格较低，能较好地满足系统要求。DS18B20温度传感器通过单总线与单片机P1.7连接，单总线数字温度传感器将地址线、数据线、控制线合为1根信号线，硬件开销小，为保证系统稳定性，将DS18B20的VCC端与外部电源相连。1602液晶为5 V电压驱动，可显示两行，每行16个字符，内置含128个字符的ASCII字符集字库，可满足系统信息输出的要求，1602占用单片机的P0及P2.3、P2.4、P2.5。AT24C02为E2PROM存储器，使用了快速、高效、精准的I2C接口设计技术与单片机进行通信，时钟线与单片机P2.0相连，信号线与P2.1相连。DS1302为时间芯片，能自动产生年、月、日、时、分、秒等时间信息，可实现系统温度与测量时间的对应传输，并方便系统控制。MAX232为RS232/TTL电平转换芯片，实现下位机与PC端上位机的串口通信，其与单片机的RXD(P3.0)和TxD(P3.1)相连。

3 系统软件设计

3.1 单片机程序设计

图3为程序的程序总体设计图，application为整个单片机程序的全局变量，用以区分系统核心部分和应用部分，当按下与P3.2相连的按键时，触发外部中断0，application自加1。

系统核心部分又分为空闲模式和工作模式。系统处于空闲模式时，读取DS1302的时间信息和DS18B20的温度信息，在液晶显示屏上显示当前的日期、时间和温度，同时利用按键可校准日期和时间;处于工作模式时，硬件电路与PC端配合工作，完成温度的采样、存储和传输。

应用部分，单片机通过串口获得温度阈值和函数式，利用下文将叙述的公式完成相应功能。另外，单片机进行温度采样的时间由定时器0进行精确控制。定时器1用于波特率的产生。当PC端传递数据给单片机时，将导致串口中断，参数数据传送至单片机的SBUF寄存器，然后再将数据存储于char型二维数组Parameter中，因为所需传输的参数数据共有8个，且每个参数的位数均为2位，故包括‘\0’在内共需3个char。型存储空间，从而完成采样参数设置。当单片机向PC端传递温度数据时，先传递温度的整数部分传给SBUF寄存器，再将温度的小数部分传给SBUF，从而传给PC端，此时先用强制转换将float型的温度数据转换为int型变量，传递其整数部分，然后将float型变量乘以100并减去其整数部分，得到小数部分。

3.2 PC端程序设计

图4为数据库设计的E—R图。系统数据库中包括事件表、数据表和处理结果表。事件表存储各种事件信息，数据表存储对应时间的温度数据及时间数据，处理结果表存储处理结果。

Matlab分析模块的主要步骤为：从Excel表中获取时间;利用datenum()函数将三维的时分秒转换成一维的实数;利用polyfit()函数拟合时间温度的一阶函数式;利用polyv al()函数计算已知各点拟合曲线的温度值;利用plot画出原始各点和拟合曲线。

PC端可是化程序主要使用Visual C++6.0编写而成，通过串口与单片机进行数据交换，并于数据库和Matlab进行通信，完成测温事件的建立、采样参数的设置以及数据的存储与分析。

PC端可视化程序使用到了Microsoft CommunicationsControl控件(MSComm控件)实现了串口通信和数据接收，利用微软提供的一种面向对象、与语言无关的数据访问应用编程接口 ADO组件实现与SQL Server数据库的通信，通过Matlab引擎调用Matlab的m文件，实现数据的分析，Matlab引擎是一组Matlab提供的接口函数(ICngine API函数)，其采用客户机/服务器计算模式，此时C++作为客户端出现，负责用户接口和提出数据请求，Matlab则属于服务器端，向客户端提供数据服务。通过以上接口及MFC函数库完成PC端的可视化程序设计。

4 系统测试及应用

系统测试采用额定功率为1 500 W的电热壶烧水进行实验测试。利用系统对1 200 ml的自来水在电热壶中的温度进行采样，获得相关数据并进行分析，从而得到温度与时间的函数式，然后用该函数式来计算到达某一温度阈值的所需时间，完成应用。

由于电热壶的功率恒定且过大，故加热时因各种原因散失的温度可忽略不计，故水所吸收的热量在单位时间内是恒定的，通过比热容公式Q=Cm△T(其中Q为热量的变化，C为比热容，m为质量，△T为温度变化)及Q=p△t(p为功率，△t为所用时间)可得

由于水的比热容为4.2×103J/(kg·℃)，电热壶功率为1 500 W，水的质量约为1.2kg，代入数据可得△T=0.297△t。

可见水温与时间应该是线性的，其系数约为0.297，即T=at+T0，其中a=0.297，T0为初始温度。

通过以上分析，可得式(2)，该公式用于应用部分计算水到达某一温度剩余时间的函数式

t=(T-T1)&pide;a (2)

其中，t为所需的时间;T1为阈值温度;T为当前温度;a为分析所得函数的一次项系数。

系统测试结果如图6与图7所示，由图6可知，温度与时间呈较好的线性，与上述分析结果一致，由图7可知，拟合曲线的系数为0.264.53，与理论值的相对误差为-10.9%，这可能与电热壶的老化等因素有关。但由实验结果可知，系统可较好地对温度进行采样、存储和分析。

图8为针对系统分析的数据进行的一个应用测试，通过式(2)可知电热壶水温至100℃还需要的时间，从图8中可看出，当前水温为23℃，距水烧开还需380 s。

5 结束语

经过实验测试，本系统可完成温度的采集、存储和分析功能。通过该系统，可测得某一时段内固定时间间隔的温度值，并可将其存储于PC端的数据库中，当测得规定时间内的数据后，通过系统的分析模块，可对所测的温度数据进行一定程度的分析，获得温度变化的走势曲线图，在热功率恒定的条件下，通过Q=Cm△t函数可获得温度与时间的一次函数，从而对其他时段相同环境下的数据进行提前分析。同时，该系统功能较强，操作简便，系统较稳定，有一定的实际应用价值。