基于USB串口多点温度采集系统的设计.docx

基于USB串口多点温度采集系统的设计.docx

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基于USB串口多点温度采集系统的设计

基于USB串口多点温度采集系统的设计

　　1引言

　　在科研实验、大棚蔬菜种植、各种动物养殖及卫生医疗等场合经常要用到多点温度采集系统。

利用PC机将采集到的多点温度进行分析处理是非常方便的，目前PC机的数据接口最方便的就是通用串行总线USB。

USB总线具有连接方便，无需外接电源，即插即用，支持热插拔，动态加载驱动程序等特有优点，在主机和数据采集系统之间可以实现简单、快捷、可靠的连接和通讯。

在测试设备与计算机之间建立有效、灵活、低功耗、可靠的通讯方式。

实现测试仪器高速、便捷、网络化是当今仪器发展的一个重要方向。

所以，基于USB总线的多点温度采集系统是一种非常实用的温度采集方式。

　　2USB串口温度采集系统

　　一个实用的USB温度采集系统包括温度数据采集器、微控制器以及USB通信接口。

为了扩展其用途，还可以加上多路模拟开关和数字I／0端口。

设计选用南京信恒公司生产的USB通信接口器件CH372。

由于该器件功能强，体积小，价格低，应用方便，在一定层次上简化了温度采集系统的工作量，并降低了成本。

其主要设计原理是：

将不断变化的多个外界温度模拟量通过数字温度传感器阵列DSl8820转换而变成单片机能够处理的数字量，AT89S52对转换后的数据做相应的处理。

由USB接口电缆与PC主机组成数据处理平台，用来将实时采集到的温度数据高速回送到计算机之中，形成原始数据文件，为后续数据处理做准备。

图1为该温度采集系统原理框图。

　　3温度采集系统方案实现

　　USB温度采集系统从功能上划分为温度采集模块，USB接口模块和PC主机客户应用程序模块3部分。

（1）USB接口模块采用集成度高、功能较强USB专用接口器件CH372，简化程序设计工作量，使得整个温度采集系统结构简单，可靠性高。

（2）温度采集模块由数字温度传感器DSl8820阵列和微控制器组成。

DSl8820能直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。

　　（3）PC主机客户应用程序模块用户应用程序负责接收和存储USB设备采集来的温度数据。

通过显示器把采集出的温度数据显示出来，并根据需要进行后续处理。

　　4系统硬件电路设计

　　多点温度采集系统设计一方面是探索自主开发技术，更重要的是使所研究的温度采集器具有更好的灵活性，以满足不同的应用需求。

系统硬件设计的关键是温度采集信号电路与单片机接口电路的设计。

　　4．1USB接口芯片与上位机的接口电路

　　在设计中采用USB接口器件CH372，它有两种型号：

CH372A为5V电源电压，CH372V为3.3V电源电压。

CH372是一个USB总线的通用设备接口器件。

在本地端，CH372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的系统总线上；在计算机系统中，CH372的配套软件提供了简洁易用的操作接口，与本地端的单片机通讯就如同读写文件。

CH372内置了USB通讯中的底层协议．具有省事的内置固件模式和灵活的外置固件模式。

在内置同件模式下，CH372自动处理默认端点O的所有事务，本地端单片机只要负责数据交换，所以单片机程序非常简洁。

在外置同件模式下，由外部单片机根据需要自行处理各种USB请求，从而可以实现符合各种USB类规范的设备。

图2为CH372连接原理图。

　　CH372控制器的主要特点如下：

　　①支持全速设备接口，兼容USB2．0规范，即插即用，外同元器件只需要晶体和电容。

　　②提供一对主端点和一对辅助端点，支持控制传输、批量传输、中断传输。

　　③具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出．可以方便的挂接到单片机等控制器的系统总线上。

　　④内置了USB通讯中的底层协议，具有省事的内置固件模式和灵活的外置固件模式。

在内置固件模式下，CH372自动处理默认端点0的所有事务，自动完成标准的USB枚举配置过程，本地端单片机只要负责数据交换，所以单片机程序非常简洁。

　　USB器件与上位机接口电路原理图如图3所示，P1是USB总线接口，USB总线包括一对5V电源线和一对数据信号线。

USB总线提供的电源电流最大可以达到500mA。

选电阻R，用于在电源断电后将电解电容C5中的电能及时释放掉，使VCC及时下降到0V，确保在下次通电时CH372能够可靠的上电复位。

电容C3用于CH372内部电源节点退耦，C3是容量为0．01μF的高频瓷片电容。

电容C4用于外部电源退耦，C4是容量为O．1μF的独石或高频瓷片电容。

晶体Xl、电容C2和C1用于CH372的时钟振荡电路。

4．2USB接口器件与单片机接口电路

　　CH372具有通用的被动并行接口，可以直接连接AT89S52。

在设计应用电路中，CH372可以通过8位被动并行接口的D7~DO、RD、WR、CS、A0直接挂接到单片机U2的系统总线上．如图3所示。

　　4．3USB串口温度采集系统总体原理

　　在设计中，采用数字温度传感器DSl8820实现温度采集。

DSl8820是DALLAS公司生产的基于串行接口的一线式数字温度传感器，它是将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上，传感器直接输出的就是温度信号数字值。

DSl8820具有如下特性：

　　①采用单总线技术，与单片机通信只需要一根I／0线，在一根线上可挂接多个DSl8820。

　　②低压供电，电源范围3～5V，可以本地供电，也可以直接从数据线上窃取电源（寄生式供电）。

　　③每只DSl8820具有一个独立的、不可修改的64位序列号，根据序列号可以访问对应的器件。

　　④测温范围为一55℃～+125℃，在一10℃~85℃范围内误差为±0．5℃。

　　⑤可编程数据为9～12位，其转换12位的温度时间为750ms（最大）。

　　⑥DSl8820可将检测到的温度值直接转化成数字量，并通过串行通信的方式与主控制器进行数据通信。

由数字温度传感器DSl8820的特性可知，在它采集模拟温度信号并与单片机进行通信时，只需要一根I／0线与单片机AT89S52的P口连接，而在一根线上可以挂接多个数字温度传感器DSl8820，可以测出不同地点的温度数据，从而实现了温度的多点采集。

USB串口多点温度采集系统其中的一路原理图见图3所示。

　　5系统软件设计

　　USB温度采集系统的软件部分包括3个方面：

单片机中的固件程序，设备驱动程序，和主机上的应用程序。

整个软件系统的组成如图4所示。

　　5．1固件程序

　　在外置固件模式下，由外部单片机根据需要自行处理各种USB请求，从而可以实现符合各种USB类规范的设备。

CH372初始化程序流程图如图5所示。

　　5．2设备驱动程序

　　USB驱动程序可以采用WDM（WindowsDriverMode）模式设计。

WDM驱动程序采用灵活的分层驱动方法，在用户和物理设备之间存在着几个不同的驱动程序层次．且各层上的WDM驱动程序具有不同优先级。

利用WDM设计的驱动程序可根据用户的需要调整，灵活性好，但需要了解操作系统原理及相关硬件工作细节，而且工作量较大。

设计采用南京信恒公司的通用驱动程序，直接下载后安装即可。

　　5．3应用程序

　　应用程序的设计可根据用户的需求进行适当调整，温度采集系统提供了一个通用的上位机应用程序，将采集来的温度值直接显示到电脑屏幕上。

应用层接口是由CH372动态链接库DLL提供的面向功能应用的API，所有API在调用后都有操作状态返回，但不一定有应答数据。

CH372动态链接库提供的API包括：

设备管理API、数据传输API和中断处理API。

CH372与计算机连接的上位机总体程序流程图如图6所示。

　　5．4DSl8820温度采集子程序

　　系统程序设计的关键在于数字传感器DSl8820与单片机之间的“单总线”传输软件的编写和单片机与PC机之间USB串行通信软件的编写。

从机使用C语言编程，完成单片机对DSl8820的温度采集和单片机与USB接口通信。

单片机对DS18820的温度采集流程图如图7所示。

　　6结语

　　设计的基于USB串口的多点温度采集系统。

硬件电路十分简单，而且安装方便，即插即用，有很好的可靠性和稳定性，可广泛应用于生产车间、粮仓、各种大棚、大型商场及宾馆等场所的多点温度检测与控制。

创新点：

使用数字温度传感器DSl8820简化了测温器件与单片机的接口电路，从而使硬件电路体积小、连接方便，具有速度快、可靠性高、性价比好、应用性强等特点。

基于AT89C2051的数字温度计设计

单片机控制已成为今天电子设计追-求的目标之一，本文将这种控制技术应用于温度测量中。

AT89C2051是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含有2KB的反复擦写的只读程序存储器和128B的随机存取数据存储器（RAM）。

美国DALLAS半导体公司生产的DSl-8B20型单线智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能传感器。

数字温度计是以DS18B20为检测元件，由AT89C2051作为主控制器的温度计，具有功耗低、结构简单、读数方便、测温范围广、测温准确的特点。

1电路构成及工作原理

1．1硬件设计

由AT89C2051构成的温度计主要由三部分组成：

DSl8B20温度传感器、单片机AT89C2051、由LED数码管构成的显示模块。

其系统原理框图如图1所示。

DSl8B20作为单片机AT89C2051的外部信号源，把所采集到的温度转换为数字信号，通过I／O接口传给2051，2051启动ROM内的控制程序驱动LED数码管，通过I／O接口和数据线（单片机和数码管的接口）把数据传送给数码管，将采集到的温度显示出来。

1．2总电路图

基于AT89C2051的温度测量系统电路图把温度转化成带符号的数字信号（以十六位补码形式，占两个字节），若采用带屏蔽的双绞电缆线，连线的长度可以达到150m，输出脚I／0直接与单片机的P3．4相连，R1为上拉电阻，传感器采用外部电源供电。

AT89C2051是整个系统的核心部分，内含2KB的FLASHROM，用户程序存放在这里。

显示器模块由四位一体的共阳数码管和四个9012组成。

系统程序分传感器控制程序和显示器程序两部分，传感器控制程序是按照DSl8B20的通信协议编制。

系统的工作是在程序控制下，完成对传感器的读写和对温度的显示。

产品的主要技术指标：

测量范围：

-55～+125℃，测量精度：

0．5℃；反应时间小于等于500ms。

2软件设计

2．1采集模块

该模块选用单线温度传感器DSl8B20完成温度采集。

单片机AT89C51对DSl8B20访问流程如下：

先对DSl8B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作。

DSl8B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。

根据DSl8B20的通讯协议，需经三个步骤：

每一次读写之前都要对DSl8B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令（指令代码CCH）并置标志位，根据标志位来判断是否初始化成功，最后发送RAM指令（指令代码44H）DSl8B20开始转换，再读出温度转换值（指令代码BEH），读取的温度值高位字节送27H单元，低位字节送26H单元，再按照温度值字节的表示格式及其符号位，经过简单的变换即可得到实际温度值。

2．2主处理模块

主处理模块主要是将各个模块进行协调处理以实现数据交互。

主处理模块首先完成初始化工作，初始化后进入循环处理，在循环过程中获得采集模块的数据，并将数据进行处理，根据处理后的结果进行显示。

主处理的流程图如图3所示。

2．3显示模块

采用动态扫描的方法，其中P3．O，P3．1，P3．2，P3．3控制位选，P1控制段选。

由P3．O，P3．1，P3．2，P3．3向各位轮流输出扫描信号，使每一瞬间只有一个数码管被选通，然后由P1送入该位所要显示的字形码，点亮该位字形段显示的字形。

在P1送出的码段和P3．0，P3．1，P3．2，P3．3送出的位段的配合控制下，使各个数码管轮流点亮显示各自的字形。

3结语

该设计测温传感器采用改进型智能温度传感器DSl8B20，测温范围为-55～+125℃，最大分辨率可达0．0625℃，可以直接读出被测温度值，而且采用单线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，同时可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理。