基于USB接口的温度控制器研究获奖科研报告

基于USB接口的温度控制器研究获奖科研报告

一、引言

温度在工、农业生产中起极其重要的环境因素，它对工业的生产和生存有著显著的影响，所以对其进行快速准确的测量传输并进行处理是具有特殊的重要意义。温度测量模块能否准确、迅速、快捷是工农业生产的产品的质量以及效率能否符合初期设计的根本。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诸多缺陷，比如接口规格不统一、非共享式接口、占用资源大等等的一些缺点。随着计算机的普及，USB（通用串行总线）接口作为计算机技术领域拓展的新型接口，USB接口的出现就意味着接口技术的重大变革时代来领基于USB接口的温度控制系统就是经过温度传感器对现场的温度进行感知，并运用微型处理器。通过串口转USB的模式转换快捷为计算机运输数据，计算机利用应用软件通过已经模拟好的要求对其进行阈值报警等处理。它是计算机技术、单片机技术、温度传感器技术融合于一体的科技智能产物。适合于工业等需要对温度进行实时大范围的精确的处理。

二、系统方案设计研究

系统要实现以上功能，则必有以下几部分构成：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。

温度传感器单元测量生产环境的温度，将测量的温度数据传递给下位机（单片机），微控制器收集温度初始完成后，数据将通过USB接口上传到

PC的PC应用软件和主机将实时显示收集的温度，如果要处理现场环境，主机可以打开串口发送命令，通过USB到串行数据线

到下位机，下位机机器基于收到的数据及其分析处理，如阈值报警等操作。

对于本系统，根据温度传感器设计方案选择。

目前市场上有两种传感器：集成模拟传感器和智能传感器，对于选择不同的传感器将会有不同的方案。下面设计出了两种不同的策划，根据传感器的不同对其进行分析，最终选择其中一种策划。

方案1：选择集成模拟温度传感器

集成模拟温度传感器是采用硅半导体集成工艺而研发的一类传感器。模拟集成温度传感器在20世纪80年代诞生，它的原理是将温度传感器以及其他元器件集成在一个芯片，可完成温度测量及模拟信号输出的IC芯片。其主要特点有功能单一（仅温度测量），测温精度高，响应速度迅捷，价格便宜，输出的信号没需要进行非线性校准。外围电路较简单，在国内也算是应用较为普遍的一种集成温度传感器。但由于单片机是属于数字信号系统，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，必须将对模拟信号数字化，也就是说要对其输出的模拟信号转换成数字信号，这么一来就系统要添加模拟信号转换成数字信号的处理单元，实现这一功能的是A/D转换器，市场对于这一A/D转换器有许多类型。所以选择这一方案也是可以有效而快速的设计出本系统。

使用集成模拟传感器这一方案的设计原理图如图1所示。

图1

方案1的结构原理图

方案2：选择智能温度传感器

在20世纪90年代中期，智能温度传感器（也称为数字温度传感器）问世。他是微电子，计算机技术和自动化测试技术（AT）的结晶。目前国际相关专家上已开发出一连串智能温度传感器产品。智能温度传感器由温度传感器，A

/

D转换器，信号处理器，存储器和接口电路等组成。智能温度传感器的特点是输出温度数据和进行相关温度控制，适应各种微控制器。对于一类智能温度传感器，微控制器也可以通过相应的寄存器设置其A

/

D转换速率分辨力和最大转换时间。所以智能温度传感器输出是一个数字信号，易于数字处理器进行直接处理。他是通过软硬件实现的，通过软件实现测试功能，其智能化程度取决于软件开发水平。利用数字传感器设计的方案图如图2所示：

图2

方案2的结构原理图

以上提出的两种方案，下面对这两种方案进行分析：

近年来随着传感器的发展，我们可以知道传感器在未来的发展将是以下方向：（1）以高精度，高可靠性和宽测量温度范围。随着电气自动化生产程度的提高，传感器的要求必须提高，必须产生高灵敏度，高精度，快速响应，新型传感器的良好互换性，确保生产的可靠性。（3）发展的小型化。各种控制设备的功能越来越多，但是要求每个组件的容量可以说越小越好。因此涉及传感器本身，这需要开发新材料和加工技术，目前使用的半导体传感器体积产生的硅材料已经非常小。（4）微电力和被动发展。传感器一般是无功功率的转换，在工作过程中不能与电源分离，在现场或远离电网，经常用太阳能发电，微功率传感器和无源传感器的