基于USB接口的温度控制器方案设计书制作Word下载.docx
《基于USB接口的温度控制器方案设计书制作Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于USB接口的温度控制器方案设计书制作Word下载.docx（38页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
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Windows98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）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：
keilC、C++builder、Protel、计算机、烧写器。
KeilC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++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，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℃～70℃，在军用系统中要求工作温度在-40℃～85℃范围，而汽车锅炉等场合要求传感器工作在-20℃～120℃，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）向微功耗及无源化发展。
传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。
目前，低功耗损的芯片发展很快，如TI2702运算放大器，静态功耗只有1.5mA，而工作电压只需2~5V。
（5）向智能化数字化发展。
由于模拟传感器，没有把模拟转化为数字处理单元集成在一块芯片上，这样必带来传感检测单元的体积大等各个方面的影响，再者，模拟转化成数字单元也需要单片机对其进行处理，这样会浪费时间、资源。
所以这样一来我们知道数字传感器在未来必将取代模拟传感器。
而且随着数字传感器的发展，现在市场上数字传感也不是那么贵，本次系统对温度精度的要求不是很高，所以选择方案二。
4系统硬件设计
4.1中央处理器----AT89C51
AT89C51由美国Atmel公司生产的，是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位单片机，该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
下文将对AT89C51单片机做简单介绍。
（1）AT89C51的特点
AT89C51具有以下几个特点：
①中央处理器CPU；
②AT89C51与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；
③片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；
④全静态工作,工作范围:
0Hz～24MHz；
⑤三级程序存储器加密；
⑥128×
8位内部RAM；
⑦32位双向输入输出线；
⑧两个十六位定时器/计数器
⑨五个中断源,两级中断优先级；
⑩一个全双工的异步串行口；
（2）AT89C51的结构图如图4.1
图4.189C51的结构图
由上图，知：
AT89C51主要由CPU、存储器、I/O端口等几部分组成。
（3）AT89C51的功能描述
AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。
它与MCA-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。
AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。
只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。
可用5V电压编程,而且擦写时间仅需10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。
工作电压范围宽（2.7V~6V），全静态工作，工作频率宽在0Hz～24MHz之间，比8751/87C51等51系列的6MHz～12MHz更具有灵活性,系统能快也能慢。
AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。
P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。
（4）AT89C51引脚功能及说明
图4.2是AT89C51的引脚
图4.2
①口线：
P0、P1、P2、P3口。
P0口是三态双向口，通称数据总线口，为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。
P0口也用以输出外部存储器的低8位地址。
由于是分时输出,故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE。
P1口是专门供用户使用的I/O口,是准双向口。
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P2口是从系统扩展时作高8位地址线用。
不扩展外部存储器时,P2口也可以作为用户I/O口线使用,P2口也是准双向口。
P3口是双功能口,该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二功能。
作为第一功能使用时操作同P1口。
P3口的第二功能如表4.1所示。
②控制口线:
PSEN（片外选取控制）、ALE（地址锁存控制）、EA（片外存储器选择）、RESET（复位控制）;
③电源及时钟：
VCC、VSS、XTAL1、XTAL2 操作方法。
表4.1P3口的第二功能
④操作方法
程序存储器加密。
AT89C51芯片程序存储器有三级硬件加密,能够有效地保证系统不被仿制和软件不被复制,加密等级设置见附录2。
工作模式。
AT89C51有间歇和掉电两种工作模式。
间歇模式是由软件来设置的,当外围器件仍然处于工作状态时,CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态,内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。
这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。
掉电模式是VCC电压低于电源下限,振荡器停止振动,CPU停止执行指令。
该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变,直到掉电模式被终止。
只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后,通过硬件复位掉电模式可被终止。
4.2温度传感器DS18B20
温度传感器是该系统的测量器件，温度传感器的好坏直接影响到测量结果，所以本文将对温度传感器的选择详细介绍。
根据本次设计论文的要求，包括精度要求等，经过分析，本文决定选择数字温度传感器DSB8B20。
下面将给予介绍。
（1）DS18B20的概述
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；
温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测环境的温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；
其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；
多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。
（2）DS18B20的内部结构
图4.3是DS18B20的内部结构图
图4.3DS18B20的内部结构
由图可知，DS18B20主要由4部分组成：
64位ROM、温度传感器、非挥发的温
警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的管脚排列如图4.4所示，
图4.4DS18B20的管脚排列
DS18B20的3个管脚说明如下：
DQ为数字信号输入／输出端。
是漏极开路一线接口。
也在寄生电源接线方式时，给设备提供电源。
GND为电源地。
VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
DS18B20的64位ROM保存了设备的唯一序列码，是DS18B20的地址序列码，每一个DS18B20的地址序列码是不同的，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20。
高速闪存（scratchpad）包括2个字节的温度寄存器。
保存了温度传感器的数字输出。
该闪存还提供了对上限（TH）和下限（TL）的超标报警寄存器、配置寄存器（一个字节）的访问。
TH、TL和配置寄存器是EEPROM，所以系统掉电时可以保存数据。
DS18B20利用DALLAS的单总线控制协议，实现了利用单线控制信号在总线上进行通信。
由于所有的设备通过漏极开路端（DQ脚）连在总线上，控制线需要一个大约5K上拉电阻。
在这一总线控制系统中，微控制器通过唯一的64位地址序列码识别和访问总线上的器件。
由于地址序列码不同，所以连接在总线上的DS18B20可以说是无限的。
（3）DS18B20的寄存器
DS18B20存储器组织结构如表4.2所示：
表4.2存储器的组织图
高速闪存（上电状态）
字节0
温度低字节
字节1
温度高字节
字节2
高温报警用户字节“1”
字节3
低温报警用户字节“2”
字节4
配置寄存器
字节5
保留（FFH）
字节6
保留（0CH）
字节7
保留（10H）
字节8
CRC校验
字节0和字节1分别包含温度寄存器的LSB和MSB，这些字节是只读的，字节2和字节3提供对TH（上限报警触发寄存器）和TL（下限报警触发寄存器）的访问，字节4包配置寄存数据，字节5、6和7保留做器件内部使用，不能被改写，当读时，这些字节返回全1值，字节8是只读的，含有字节0到字节的CRC校验。
高速闪存的第四个字节包含配置寄存器，其组织结构如下表4.3所示：
表4.3配置寄存器
Bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0
R0
R1
1
表4.4测温分辨率配置
分辨率
最大转换时间
9bit
93.75ms
10bit
187.5ms
11bit
375ms
12bit
750ms
（4）DS18B20的读写时序
访问DS18B20的顺序如下：
----初始化；
----ROM命令（接着是任何需要的数据交换）；
----DS18B20的函数命令（接着是任何需要的数据交换）；
每一次访问DS18B20时必须要按照这一顺序，如果其中的任何一个步骤缺少或打乱，DS18B20将不会响应。
1初始化时序
初始化时序如图4.5：
图4.5DS18B20初始化时序
所有与DS18B20的通信都要首先初始化，从而才能进行下一部的工作：
控制器发出复位脉冲，DS18B20以存在脉冲响应。
图4.5给出了描述。
当DS18B20发出存在脉冲对复位响应时，它指示控制器该DS18B20已经在总线上并准备好操作。
②读/写时序
控制器在写时序到数据到DS18B20，在读时序从DS18B20中读数据，每一个总线时序传送一个数据位。
读/写时序见下图4.6
（a）写时序
（b）读时序
图4.6DS18B20的工作时序图
③写时序
有两种类型的写时序：
写1时序和写0时序。
控制器用写“1”时序写逻辑“1”到DS18B20，用写“0”时序写逻辑“0”到DS18B20。
所有写时序必须持续60μs，每一个写时序之间必须要至少有1μs的恢复时间。
两种类型的写时序都从控制器把总线拉低开始。
为产生写“1”的时序，在将总线拉低之后，总线控制器必须在15μs内释放总线。
总线释放后，5K的上拉电阻将总线电平抬高。
为产生写“0”时序，在总线拉低后，控制器在整个时序内必须持续控制总线为低电平（至少60μs）。
DS18B20在控制器发出写时序后的15-60μs的时间内采样总线。
如果在采样窗口期间总线为高，“1”就被写到DS18B20；
如果在采样窗口期间为低电平，则“0”就被写入DS18B20。
④读时序
当总线发出读时序时，DS18B20可以发送数据到控制器。
所有读时序必须持续最少60μs，每一个读时序之间必须有至少1μs的恢复时间。
读时序从控制设备将总线拉低至少1μs后释放总线开始。
控制器启动读时序后，DS18B20开始在总线上传送“1”或者“0”。
DS18B20通过保持总线为高发送“1”，将总线拉低发送“0”。
发送“0”时，DS18B20在60μs时释放总线；
发送“1”时，总线被上拉电阻高电平空闲状态。
从DS18B20输出的数据在启动时序的下降沿后15μs有效。
因此，控制器必须在时序开始的15μs内释放总线，然后采样总线状态。
通过读/写时序，控制器可以发出控制命令，对DS18B20进行读写操作。
（5）DS18B20的常用命令
①SKIPROM[CCH]
控制器可以用这一命令同时访问总线上的所有设备而不需要发送ROM序列码信息。
控制器可以使总线上的所有DS18B20同时进行温度转换。
②SEARCHROM[F0]
当系统开始上电时，控制器必须识别总线上所有从机的ROM序列码，以确定从机的数目和它们的类型。
控制器需要执行searchROM循环足够多次才能识别所有的从设备。
如果只有一个从属设备在总线上，可使用简单的ReadROM命令期待SearchROM。
每一个SearchROM命令之后必须返回到事务序列的步骤（初始化）。
③READROM[33]
这一命令只有在总线上只有一个设备的时候使用，它使得控制器可以不用SearchROM命令就可以读出从机的64位ROM序列码。
当多于一个从机设备在总线上时，如果还使用该命令，由于所有的设备企图响应该设备，这样将产生数据冲突。
④CONVRTT[44]
这一
升级会员 