基于单片机USB接口的温度控制器

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摘要
USB（Universal Serial Bus）是一种新型的通用串行总线，它是快速的、双向的、同步的、可以热插拨的、动态连接且价格低廉的串行接口。正是基于这一特点，现在很多的计算机外设都有USB接口。本文正是利用这一新型USB接口来设计上位机与下位机系统之间的通信。利用新型的一线式数字温度传感器测量温度，并通过USB接口和计算机端应用软件进行通信。
本文首先介绍了本系统相关的背景知识以及USB的通信协议，进而介绍温度控制的基本意义，提出利用USB设备芯片CH372、一线式数字温度传感器DS18B20和单片机AT89C51来开发基于USB温度控制系统。采集的温度数据通过USB接口上传到上位PC机上，并利用应用软件对其进行处理。上位机应用软件用C ++ builder 编写，其运用CH372接口芯片的动态链接库建立起上位机和下位机之间的通信机制。上位机将采集到的温度数据在PC机上显示出来，并且显示实时温度采集图像。
此外，应用软件可以对下位机进行温度极限设置等简单控制功能，当采集到的温度超过某一设定极限温度，则对系统进行报警。另外下位机还为今后的扩展保留一定的资源。

关键词： AT89C51；USB协议；温度采集；一线式温度传感器；CH372

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：keil C、 C++ builder、Protel、计算机、烧写器。
Keil C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：

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。

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：

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—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）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

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

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，

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：
4.3 温度采集模块电路设计
以上已经介绍了AT89C51和数字温度传感器DS18B20基本知识，下面将利用它们来设计本系统的温度采集电路。DS18B20连接到单片机的方法很简单，它有两种方法连接到电路上，既外接电源方式和寄生电源方式，这里使用的是系统提供的外接电源方式，而不采用寄生电源，只要VCC、DQ、GND连接到单片机的电源正极、一个I/O端口、电源地就可以了。但是要注意的是在DQ数据线中要加一个4.7K的上拉电阻，这一个是必须要加的，无论它是接在P1口还是P0口，这点特别注意，特别提醒。之外在电源两端之间加个0.01U的电容，这样的作用主要是滤波。

由图4.7，知DS18B20工作在外部电源供电方式。单片机采用采用P1.1口与DS18B20通信。下面根据单片机的初始化时序和读写时序，写出DS18B20和单片机之间的读写操作，这里只给了温度的读取，下位机部分程序在附录中给出。
这里特别提醒的是DS18B20对时序要求很高，精度要求很高，所以程序的延时对是否能读起数据起到非常关键的作用。
DS18B20读写数据程序如下：

void delaym(int time)  //延时为(time*2+2)us
{  int s;for(s=0;s<time; s++)
}
void  write_bite(unit8  bite)  //写一位数据位
{  DQ=0;if(bite==1)DQ=1;   //如果写"1",DQ=1;delaym(29);//延时60us提供DS18B20采样DQ=1;    //释放DQ
}
unit8 read_bite(void)  //读一位数据位
{ DQ=0;     //将总线DQ拉低开始读时序delaym(0); //延时2usDQ=1;    //释放DQ;delaym(1); //延时4us后再读数据return(DQ);
}
void  write_byte(unit8 dat)  //写一字节数据
{  unit8 i;unit8  temp;for(i=0;i<8;i++){   temp=dat>>1; //右移一位temp&=0x01;write_bite(temp);}
}
unit8  read_byte(void)
{  unit8 i,value=0;for(i=0;i<8;i++){ if(read_bite())value|=0x01<<i;//读一字节数据，一个读时序读一位，并做移位delaym(29) ;  //延时60us有以完成读一位，之后再读下一位}return(value);
}
unit8 DS18B20_RESET(void)
{  unit8 data;DQ=0;delaym(239); //保持DQ低480usDQ=1;delaym(35);da=DQ;delaym(211);return (data);//有芯片应答data=0,无则data=1
}

4.4 系统接口模块电路设计
本系统的采集模块采集到数据后，必须要经过CH372传到上位机应用软件才能实现控制下位机的各种操作。而CH372是USB接口芯片，下位机和上位机通信的要通过CH372接口芯片来完成，其和计算机的连接很简单，所以这一部分主要的硬件实现是CH372和单片机AT89C51的连接问题。
4.4.1 USB简介
USB（Universal Serial Bus）是外围设备与计算机进行连接的新型接口，既一种新型的通用串型总线接口，USB具有即插即用、热插拨、接口体积小、节省系统资源、传输可靠、提供电源、良好的兼容性、共享试通信等优点。
在USB产生之前，外部设备和计算机的通信主要是通过计算机主板所提供的各种接口，比如ISA接口、PCI接口、PS/2接口、串行接口，并行接口等，这些接口，存在这样那样的缺陷，比如接口规格不统一、不共享等为了克服上述外围设备的缺陷，P制造商和用户迫切需要一种新型的外设接口， USB正是在这样的环境下产生的，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。
USB是一种新型的接口，那么它必定有它的通信标准，也就是我们所说的协议，下面简单介绍USB的通信协议。
一般的，对终端用户来看，USB系统是USB设备连接到主机的简单连接，但对开放人员来说，这中连接可分为三个层次：功能层、USB设备层、USB总线接口层，且每一层都由主机和USB设备的不同功能模块组成。可以用下面的图型来形容。下图4.8是这种分层通信机制的简化。

由图，一个USB设备由三个功能模块组成：USB总线接口、USB逻辑设备、功能单元。USB总线接口是USB设备中的串行引擎（SIE）；USB逻辑单元被看作是一个端点的集合；功能单元客户软件被看作接口的集合。
USB传输类型包括批量传输、同步传输、中断传输和控制传输，每种传输类型的传输速度、可靠性以及应用范围都不同。控制传输可靠性是最高的，但速度最慢；同步传输速度快，满足实时性，但可靠性低。在具体应用中，端点传输类型可根据传输速度和可靠性选择。
在USB通信协议中，主机取得绝对主动权利，设备只能是“听命令行事”，通过一定的命令格式（设备请求）完成通信。USB设备请求包括标准请求、厂商请求和设备类请求。设备的枚举是标准请求命令完成的；厂商请求是用户定义的请求；设备类请求是特定的USB设备类发出的请求，例如海量储存类、打印机类和HID（人机接口）类。固件编程中设备请求必须遵循一定的格式，包括请求类型、设备请求、值、索引和长度。
4.4.2 USB芯片选择
USB的传输速度可分为低速（1.5Mbps）、全速(12Mbps)和高速（480Mb/s）,按传输速度来分，供选择的USB芯片类型主要有：低速（1.5Mbps）和全速(12Mbps)，可选择Philips公司的PDIUSBD12和Cypress公司的EZ-USB2100系列以及国产的CH372芯片；高速（480Mbps）可选Philips公司的ISP1581和Cypress公司的USB接口芯片CY7C68013。
本次系统要传输的速率比较少，可以所以选择全速的USB接口芯片，由于国产的芯片已经有所好转，再加上资料比较齐全，这次系统设计所选择的USB接口芯片是国产芯片CH372。
芯片介绍：
CH372是南京沁恒电子有限公司生产的新型USB接口芯片，具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上；它屏蔽了USB通信协议，用户如果没有涉及到底层开放，那么只要了解芯片的普通用法就可以快速的设计USB设备。利用CH372进行USB设备的通信设计可以如下的方框图4.9
5 系统软件设计
本系统进行软件设计包括下位机软件设计和上位机软件设计，下位机软件设计可以使用汇编语言和单片机C语言，上位机设计可以采用的很多计算机高级语言，比如VC++、Delphi、C++ builder等，在这里选择C++ builder来编写上位机程序。至于下位机程序，主要有汇编语言、PL/M语言和C语言。汇编语言有执行效率高、速度快、与硬件结合紧密等特点，尤其在I/O端口管理时，使用汇编语言有快捷、直观的优点。但是使用汇编语言相对于高级语言，比如单片机C语言来讲，难度要大很多，而且汇编语言的呈现可读性低、开放性差。所以下位机的程序设计选择单片机C语言。下面简单介绍本次软件设计的编程工具。

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