基于USB接口的温度控制器毕业设计.docx

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基于USB接口的温度控制器毕业设计

基于USB接口的温度控制器毕业设计

6.3系统性能指标29

7系统的简单操作说明29

谢辞31

参考文献32

附录33

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、DigitalEquipment、IBM、Intel、Microsoft、NEC和NorthernTelecom7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、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，系统将对起进行报警，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。

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。

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