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，它對工業(yè)的生產(chǎn)和生存有著顯著的影響，所以對其進行快速準確的測量傳輸并進行處理是具有特殊的重要意義。溫度測量模塊能否準確、迅速、快捷是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品的質量以及效率能否符合初期設計的根本。對溫度進行采集，并送到PC機實時處理，以前往往采用的是計算機的串行接口，但這一老式計算機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。隨著計算機的普及，USB（通用串行總線）接口作為計算機技術領域拓展的新型接口，USB接口的出現(xiàn)就意味著接口技術的重大變革時代來領基于USB接口的溫度控制系統(tǒng)就是經(jīng)過溫度傳感器對現(xiàn)場的溫度進行感知，并運用微型處理器。通過串口轉USB的模式轉換快捷為計算機運輸數(shù)據(jù)，計算機利用應用軟件通過已經(jīng)模擬好的要求對其進行閾值報警等處理。它是計算機技術、單片機技術、溫度傳感器技術融合于一體的科技智能產(chǎn)物。適合于工業(yè)等需要對溫度進行實時大范圍的精確的處理。

二、系統(tǒng)方案設計研究

系統(tǒng)要實現(xiàn)以上功能，則必有以下幾部分構成：溫度采集單元、下位機溫度初步處理單元、USB設備接口、上位機應用程序。

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

對于本系統(tǒng)，根據(jù)溫度傳感器設計方案選擇。

目前市場上有兩種傳感器：集成模擬傳感器和智能傳感器，對于選擇不同的傳感器將會有不同的方案。下面設計出了兩種不同的策劃，根據(jù)傳感器的不同對其進行分析，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芯片，可完成溫度測量及模擬信號輸出的IC芯片。其主要特點有功能單一（僅溫度測量），測溫精度高，響應速度迅捷，價格便宜，輸出的信號沒需要進行非線性校準。外圍電路較簡單，在國內(nèi)也算是應用較為普遍的一種集成溫度傳感器。但由于單片機是屬于數(shù)字信號系統(tǒng)，只能識別數(shù)字信號，所以這種方案要想利用單片機對溫度信號進行處理，必須將對模擬信號數(shù)字化，也就是說要對其輸出的模擬信號轉換成數(shù)字信號，這么一來就系統(tǒng)要添加模擬信號轉換成數(shù)字信號的處理單元，實現(xiàn)這一功能的是A/D轉換器，市場對于這一A/D轉換器有許多類型。所以選擇這一方案也是可以有效而快速的設計出本系統(tǒng)。

使用集成模擬傳感器這一方案的設計原理圖如圖1所示。

圖1??方案1的結構原理圖

方案2：選擇智能溫度傳感器

在20世紀90年代中期，智能溫度傳感器（也稱為數(shù)字溫度傳感器）問世。他是微電子，計算機技術和自動化測試技術（AT）的結晶。目前國際相關專家上已開發(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轉換器，信號處理器，存儲器和接口電路等組成。智能溫度傳感器的特點是輸出溫度數(shù)據(jù)和進行相關溫度控制，適應各種微控制器。對于一類智能溫度傳感器，微控制器也可以通過相應的寄存器設置其A?/?D轉換速率分辨力和最大轉換時間。所以智能溫度傳感器輸出是一個數(shù)字信號，易于數(shù)字處理器進行直接處理。他是通過軟硬件實現(xiàn)的，通過軟件實現(xiàn)測試功能，其智能化程度取決于軟件開發(fā)水平。利用數(shù)字傳感器設計的方案圖如圖2所示：

圖2??方案2的結構原理圖

以上提出的兩種方案，下面對這兩種方案進行分析：

近年來隨著傳感器的發(fā)展，我們可以知道傳感器在未來的發(fā)展將是以下方向：（1）以高精度，高可靠性和寬測量溫度范圍。隨著電氣自動化生產(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，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。各種控制設備的功能越來越多，但是要求每個組件的容量可以說越小越好。因此涉及傳感器本身，這需要開發(fā)新材料和加工技術，目前使用的半導體傳感器體積產(chǎn)生的硅材料已經(jīng)非常小。（4）微電力和被動發(fā)展。傳感器一般是無功功率的轉換，在工作過程中不能與電源分離，在現(xiàn)場或遠離電網(wǎng)，經(jīng)常用太陽能發(fā)電，微功率傳感器和無源傳感器的發(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，兩種設計方案各有自己的優(yōu)缺點，第一種方案設精度高，第二種方案更簡單便攜，精度也能滿足大多數(shù)場合的需要。