基于USB接口的溫度控制器研究

毛書哲　陳偉　張西平

一、引言

溫度在工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起極其重要的環(huán)境因素，它對(duì)工業(yè)的生產(chǎn)和生存有著顯著的影響，所以對(duì)其進(jìn)行快速準(zhǔn)確的測(cè)量傳輸并進(jìn)行處理是具有特殊的重要意義。溫度測(cè)量模塊能否準(zhǔn)確、迅速、快捷是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品的質(zhì)量以及效率能否符合初期設(shè)計(jì)的根本。對(duì)溫度進(jìn)行采集，并送到PC機(jī)實(shí)時(shí)處理，以前往往采用的是計(jì)算機(jī)的串行接口，但這一老式計(jì)算機(jī)接口存在著諸多缺陷，比如接口規(guī)格不統(tǒng)一、非共享式接口、占用資源大等等的一些缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)的普及，USB（通用串行總線）接口作為計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域拓展的新型接口，USB接口的出現(xiàn)就意味著接口技術(shù)的重大變革時(shí)代來(lái)領(lǐng)基于USB接口的溫度控制系統(tǒng)就是經(jīng)過(guò)溫度傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的溫度進(jìn)行感知，并運(yùn)用微型處理器。通過(guò)串口轉(zhuǎn)USB的模式轉(zhuǎn)換快捷為計(jì)算機(jī)運(yùn)輸數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)利用應(yīng)用軟件通過(guò)已經(jīng)模擬好的要求對(duì)其進(jìn)行閾值報(bào)警等處理。它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、溫度傳感器技術(shù)融合于一體的科技智能產(chǎn)物。適合于工業(yè)等需要對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)大范圍的精確的處理。

二、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)研究

系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)以上功能，則必有以下幾部分構(gòu)成：溫度采集單元、下位機(jī)溫度初步處理單元、USB設(shè)備接口、上位機(jī)應(yīng)用程序。

溫度傳感器單元測(cè)量生產(chǎn)環(huán)境的溫度，將測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)傳遞給下位機(jī)（單片機(jī)），微控制器收集溫度初始完成后，數(shù)據(jù)將通過(guò)USB接口上傳到?PC的PC應(yīng)用軟件和主機(jī)將實(shí)時(shí)顯示收集的溫度，如果要處理現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，主機(jī)可以打開串口發(fā)送命令，通過(guò)USB到串行數(shù)據(jù)線?到下位機(jī)，下位機(jī)機(jī)器基于收到的數(shù)據(jù)及其分析處理，如閾值報(bào)警等操作。

對(duì)于本系統(tǒng)，根據(jù)溫度傳感器設(shè)計(jì)方案選擇。

目前市場(chǎng)上有兩種傳感器：集成模擬傳感器和智能傳感器，對(duì)于選擇不同的傳感器將會(huì)有不同的方案。下面設(shè)計(jì)出了兩種不同的策劃，根據(jù)傳感器的不同對(duì)其進(jìn)行分析，最終選擇其中一種策劃。

方案1：選擇集成模擬溫度傳感器

集成模擬溫度傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而研發(fā)的一類傳感器。模擬集成溫度傳感器在20世紀(jì)80年代誕生，它的原理是將溫度傳感器以及其他元器件集成在一個(gè)芯片，可完成溫度測(cè)量及模擬信號(hào)輸出的IC芯片。其主要特點(diǎn)有功能單一（僅溫度測(cè)量），測(cè)溫精度高，響應(yīng)速度迅捷，價(jià)格便宜，輸出的信號(hào)沒(méi)需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)。外圍電路較簡(jiǎn)單，在國(guó)內(nèi)也算是應(yīng)用較為普遍的一種集成溫度傳感器。但由于單片機(jī)是屬于數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)，只能識(shí)別數(shù)字信號(hào)，所以這種方案要想利用單片機(jī)對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行處理，必須將對(duì)模擬信號(hào)數(shù)字化，也就是說(shuō)要對(duì)其輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這么一來(lái)就系統(tǒng)要添加模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的處理單元，實(shí)現(xiàn)這一功能的是A/D轉(zhuǎn)換器，市場(chǎng)對(duì)于這一A/D轉(zhuǎn)換器有許多類型。所以選擇這一方案也是可以有效而快速的設(shè)計(jì)出本系統(tǒng)。

使用集成模擬傳感器這一方案的設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

圖1??方案1的結(jié)構(gòu)原理圖

方案2：選擇智能溫度傳感器

在20世紀(jì)90年代中期，智能溫度傳感器（也稱為數(shù)字溫度傳感器）問(wèn)世。他是微電子，計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)（AT）的結(jié)晶。目前國(guó)際相關(guān)專家上已開發(fā)出一連串智能溫度傳感器產(chǎn)品。智能溫度傳感器由溫度傳感器，A?/?D轉(zhuǎn)換器，信號(hào)處理器，存儲(chǔ)器和接口電路等組成。智能溫度傳感器的特點(diǎn)是輸出溫度數(shù)據(jù)和進(jìn)行相關(guān)溫度控制，適應(yīng)各種微控制器。對(duì)于一類智能溫度傳感器，微控制器也可以通過(guò)相應(yīng)的寄存器設(shè)置其A?/?D轉(zhuǎn)換速率分辨力和最大轉(zhuǎn)換時(shí)間。所以智能溫度傳感器輸出是一個(gè)數(shù)字信號(hào)，易于數(shù)字處理器進(jìn)行直接處理。他是通過(guò)軟硬件實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能，其智能化程度取決于軟件開發(fā)水平。利用數(shù)字傳感器設(shè)計(jì)的方案圖如圖2所示：

圖2??方案2的結(jié)構(gòu)原理圖

以上提出的兩種方案，下面對(duì)這兩種方案進(jìn)行分析：

近年來(lái)隨著傳感器的發(fā)展，我們可以知道傳感器在未來(lái)的發(fā)展將是以下方向：（1）以高精度，高可靠性和寬測(cè)量溫度范圍。隨著電氣自動(dòng)化生產(chǎn)程度的提高，傳感器的要求必須提高，必須產(chǎn)生高靈敏度，高精度，快速響應(yīng)，新型傳感器的良好互換性，確保生產(chǎn)的可靠性。（3）發(fā)展的小型化。各種控制設(shè)備的功能越來(lái)越多，但是要求每個(gè)組件的容量可以說(shuō)越小越好。因此涉及傳感器本身，這需要開發(fā)新材料和加工技術(shù)，目前使用的半導(dǎo)體傳感器體積產(chǎn)生的硅材料已經(jīng)非常小。（4）微電力和被動(dòng)發(fā)展。傳感器一般是無(wú)功功率的轉(zhuǎn)換，在工作過(guò)程中不能與電源分離，在現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)離電網(wǎng)，經(jīng)常用太陽(yáng)能發(fā)電，微功率傳感器和無(wú)源傳感器的發(fā)展是不可避免的發(fā)展方向。（5）發(fā)展智能數(shù)字，具有初始處理功能的數(shù)據(jù)。

綜上所述，兩種設(shè)計(jì)方案各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，第一種方案設(shè)精度高，第二種方案更簡(jiǎn)單便攜，精度也能滿足大多數(shù)場(chǎng)合的需要。