基于usb接口的温度控制器设计制作

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1、 摘 要USB（Universal Serial Bus）是一种新型的通用串行总线，它是快速的、双向的、同步的、可以热插拨的、动态连接且价格低廉的串行接口。正是基于这一特点，现在很多的计算机外设都有 USB 接口。本文正是利用这一新型 USB 接口来设计上位机与下位机系统之间的通信。利用新型的一线式数字温度传感器测量温度，并通过 USB 接口和计算机端应用软件进行通信。本文首先介绍了本系统相关的背景知识以及 USB 的通信协议，进而介绍温度控制的基本意义，提出利用 USB 设备芯片 CH372、一线式数字温度传感器 DS18B20 和单片机AT89C51 来开发基于 USB 温度控制系统。采集

2、的温度数据通过 USB 接口上传到上位 PC机上，并利用应用软件对其进行处理。上位机应用软件用 C + builder 编写，其运用CH372 接口芯片的动态链接库建立起上位机和下位机之间的通信机制。上位机将采集到的温度数据在 PC 机上显示出来，并且显示实时温度采集图像。此外，应用软件可以对下位机进行温度极限设置等简单控制功能，当采集到的温度超过某一设定极限温度，则对系统进行报警。另外下位机还为今后的扩展保留一定的资源。关键词： AT89C51；USB 协议； 温度采集 ；一线式温度传感器 ；CH372 引言温度是工、农业生产的主要环境因素，它对工农业的生产有着重要的影响，所以对其进行准确快

3、速的测量并进行处理是具有很特殊的重要意义。测量温度模块是否正确、快速、及时决定着工农业生产的产品的质量是否符合预期设计的要求，而在当今是世界中,质量是企业生存的基本，所以许多对温度要求很高的工、农业生产企业把温度测量控制系统看成是企业生存的基本。在市场竞争日益激烈的压力面前，企业已经意识到要想提升自己企业的竞争能力，就必须采用新技术对企业产品进行质量等各方面的管理。而对温度要求严格的产品，测量产品生产环境的温度的技术决定着系统能否生存并继续发展，所以很多工业生产企业都非常重视温度控制系统。对温度进行采集，并送到 PC 机实时处理，以前往往采用的是计算机的串行接口，但这一老式计算机接口存在着不少

4、缺陷。比如接口规格不统一、非共享式接口、占用资源大等等这样那样的缺点。随着计算机的发展，USB（通用串行总线）接口是一种计算机应用领域的新型接口，USB 接口的出现是计算机端接口的技术重大变革，其最早是由 Compaq、Digital Equipment、IBM、Intel、Microsoft 、NEC 和 Northern Telecom 7 家公司于 1994 年提出的，在 2000 年做出了改进，提出了 USB2.0 版本，随着这一版本的提出，USB 越来越流行，目前它已经成为了一种标准接口，现在市场上的所有 PC机都百分之百支持 USB 接口，本文将采用这一 USB 接口来对采集到的温

5、度实时传输。基于 USB 接口的温度控制系统就是通过温度传感器对现场温度进行测量，并利用微型处理器（单片机） ，通过 USB 接口实时的传给计算机，计算机利用软件根据已经设计好的要求对其进行报警等相应的处理。它是计算机技术、单片机技术、温度传感器技术的科技产物。适合于工业等需要对温度进行实时大范围的精确的处理。1 背景知识在 USB 产生之前，外设与 PC 机的通信主要是通过 PC 机主板上所提供的各种接口来实现，如 ISA 接口、PCI 接口、串行接口等，这些老式的接口存在着很多缺点：非共享式接口、体积大、接口规格不统一、采用传统的 I/O 模式等等。为了克服老式接口这些缺点，PC 机制造商

6、和用户迫切需要一种新型的外设连接方式。这时 USB 应运而生，它是一种快速、双向、同步、廉价、并支持热插拨功能的串行接口。早在 1995 年，就已经有 PC 机带有 USB 接口了，但由于缺乏软件及硬件设备的支持，这些 PC 机的 USB 接口都闲置未用。1998 年后，随着微软在 Windows 98 中内置了对 USB 接口的支持模块，加上 USB 设备的日渐增多，USB 接口才逐步走进了实用阶段。这几年，随着大量支持 USB 的个人电脑的普及，USB 逐步成为 PC 机的标准接口已经是大势所趋。在主机(host)端，最新推出的 PC 机几乎 100%支持 USB；而在外设(device)

7、端，使用 USB 接口的设备也与日俱增，例如数码相机、扫描仪、游戏杆、磁带和软驱、图像设备、打印机、键盘、鼠标等等。正是 USB 具有热插拔、共享式接口、携带方便、标准统一、可以连接多个设备等这样的优点，才使 USB 得于快速的发展。本文将利用这一新型计算机接口来设计温度控制系统。2 系统概述本章将对基于 USB 接口的温度控制系统在工业上的应用进行分析，并介绍系统的特点、功能以及使用到的开发工具。2.1 系统的特性由于该系统利用 USB 接口，所以具有 USB 的实时传送数据，与上位机进行信息交流，而上位机又可以连接在互联网上，所以远程的 PC 机也可以利用互联网对温度检测系统进行查看等各种

8、操作。该系统利用先进的温度传感器，可以对温度快速的进行反应，把温度数据传到下位机进行初步处理数据，进而与上位机通信。总的来说，该系统有以下几点特点：工作人员可以远离生产环境通过计算机对其进行查看处理； 多点温度测量；全天候检测温度，并可以在没有工作人员的参与下对生产环境进行简单处理；对生产环境的温度进行设计极限温度，一旦超过极限温度，系统将对其进行报警，并停止生产环境的工作；测量温度误差比较精确，在 0.5内；2.2 系统的功能该系统主要有以下功能：（1）对温度进行检测。利用该系统可以远离恶劣生产环境的情况下，对其进行温度测量；（2）对现场温度进行实时采集；并在 PC 机上显示出来；（3）在

9、PC 机上实时做出温度图像；工作人员在电脑上便可以直观的得到系统温度图像；（4）简单的系统控制；通过计算机上的应用软件可以对温度设置，一旦超过极限温度，发出报警，进而通知工作人员快速的对生产现场进行各种相应操作，这样可以防止温度超出极限温度；（5）在上位机端的应用软件上提供系统使用帮助。用户可以利用该功能帮助对系统进行操作。2.3 系统开发平台本次系统需要用到的开发工具为：keil C、 C+ builder、Protel、计算机、烧写器。Keil C 是目前世界上最好的 MC-51 单片机的汇编和 C 语言的开发工具。支持汇编、c 语言以及混合编程。同时具备功能强大的软件仿真和硬件仿真。C+

10、 builder 是计算机高级语言 C+比较好用的编程工具，它是属于一种可视化的计算机语言。 Protel 是世界上最好的硬件电路图制作的工具。3 系统总体设计3.1 系统整体方框图根据前面的分析，知道系统要实现以上功能，必须由以下几部分组成：温度采集单元、下位机温度初步处理单元、USB 设备接口、上位机应用程序。系统的结构原理图如图 3.1： 图 3.1 系统整体实现的结构原理图温度传感器单元对生产温度环境进行测量，将测量温度传给下位机（单片机） ，单片机对采集到的温度进行初步处理后，将处理了的数据通过 USB 接口上传给 PC 机上位机，而上位机将实时的显示采集到的温度，如果要对现场环境进

11、行处理，则上位机可以发送命令，经过 USB 接口传送到下位机，下位机根据接受到的数据并对其进行分析，进而做出处理，如报警等各种操作。3.2 系统方案比较对于本系统，方案的选择是根据温度传感器来选择。目前市场上有两种传感器：模拟传感器和数字集成传感器，对于选择不同的传感器将会有不同的方案。下面给出两种不同的方案，并对其进行分析，最终选择其中一种方案。3.2.1 系统两种可行方案方案 1：选择模拟传感器所谓模拟传感器，简单的说就是传感器对被测量的物质感应，并随着检测的不同做出不同的反应，但这一反应是有规律的，而且有规律的输出模拟信号。由于单片机是数字信号系统，只能识别数字信号，所以这种方案要想利用

12、单片机对温度信号进行处理，必须将对模拟输出量数字化，也就是说要对其输出的模拟电压或电流转换成数字信号，这么一来就系统要加入模拟信号转换成数字信号的处理单元，通常，实现这一功能的是 A/D 转换器，市场对于这一 A/D 转换器有不少类型。所以选择这一方案也是可以有效而快速的设计出本系统。图 3.2 给出使用模拟传感器这一方案的设计原理图。图 3.2 方案 1 的结构原理图方案 2：选择数字传感器今 天 随 着 计 算 机 的 飞 速 发 展 以 及 单 片 机 的 日 益 普 及 ， 世 界 进 入 了 数 字 时 代 ， 人 们在 处 理 被 测 信 号 时 首 先 想 到 的 是 信 息 处

13、 理 器 （ 单 片 机 或 计 算 机 ） 。 具 有 输 出 数 字 信号 便 于 电 脑 处 理 的 传 感 器 就 是 所 谓 的 数 字 传 感 器 。 数字传感器是近几年才出现的并得到广泛的应在在实践当中，所谓数字传感器，进一步的讲，就是将模 拟 传 感 器 产 生 的 信 号 经 过 放 大 、 A/D 转 换 、 线 性 化 及 量 纲 处 理后 变 成 纯 粹 的 数 字 信 号 ， 是在模拟传感器上加入数字处理单元，并将数字单元集成在一块芯片上，所以输出的是数字信号，便于数字处理机对其直接进行处理。图 3.3 给出利用数字传感器设计的方案图：图 3.3 方案 2 的结构原理

14、图3.2.2 方案最终选择以上已经提出了两种方案，下面对这两重方案进行分析，并做最后方案选择：分析近几年来传感器的发展，我们知道传感器在未来的发展中将会向以下的方向发展：（1 ）向 高 精 度 发 展 。 随 着 自 动 化 生 产 程 度 的 不 断 提 高 ， 对 传 感 器 的 要 求 也 在 不断 提 高 ， 必 须 研 制 出 具 有 灵 敏 度 高 、 精 确 度 高 、 响 应 速 度 快 、 互 换 性 好 的 新 型 传 感器 以 确 保 生 产 自 动 化 的 可 靠 性 。 目 前 能 生 产 精 度 在 万 分 之 一 以 上 的 传 感 器 的 厂 家 为 数很 少

15、， 其 产 量 也 远 远 不 能 满 足 要 求 。 （ 2） 向 高 可 靠 性 、 宽 温 度 范 围 发 展 。 传 感 器 的可 靠 性 直 接 影 响 到 电 子 设 备 的 抗 干 扰 等 性 能 ， 研 制 高 可 靠 性 、 宽 温 度 范 围 的 传 感 器 将是 永 久 性 的 方 向 。 提 高 温 度 范 围 历 来 是 大 课 题 ， 大 部 分 传 感 器 其 工 作 范 围 都 在 -20 7 0 ， 在 军 用 系 统 中 要 求 工 作 温 度 在 -40 8 5 范 围 ， 而 汽 车 锅 炉 等 场 合 要求 传 感 器 工 作 在 -20 1 20 ，

16、 在 冶 炼 、 焦 化 等 方 面 对 传 感 器 的 温 度 要 求 更 高 ， 因此 发 展 新 兴 材 料 （ 如 陶 瓷 ） 的 传 感 器 将 很 有 前 途 。 （ 3） 向 微 型 化 发 展 。 各 种 控 制 仪器 设 备 的 功 能 越 来 越 大 ， 要 求 各 个 部 件 体 积 能 占 位 置 越 小 越 好 ， 因 而 传 感 器 本 身 体 积也 是 越 小 越 好 ， 这 就 要 求 发 展 新 的 材 料 及 加 工 技 术 ， 目 前 利 用 硅 材 料 制 作 的 传 感 器 体积 已 经 很 小 。 如 传 统 的 加 速 度 传 感 器 是 由 重 力 块 和 弹 簧 等 制 成 的 ， 体 积 较 大 、 稳 定性 差 、 寿 命 也 短 ， 而 利 用 激 光 等 各 种 微 细 加 工 技 术 制 成 的 硅 加 速 度 传 感 器 体 积 非 常小 、 互 换 性 可 靠 性 都 较 好 。 （ 4） 向 微 功