论文《新生儿保温箱监控系统的设计》副本资料.docx
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论文《新生儿保温箱监控系统的设计》副本资料
北京理工大学继续教育暨现代远程教育学院
毕业设计（论文）
类 别：
专升本
专业：
机械电子工程
班级：
唐山学院
姓名：
毕业设计题目：
新生儿保温箱监控系统的设计
指导教师姓名：
何永熹
摘要
新生儿的各种生理功能尚未成熟体温调节功能尚不完善，因此，最好使婴儿处于“中性温度”的环境中，“中性温度”指能维持正常体温及皮肤温度的最适宜的环境温度，在此温度下，身体耗氧量最少，蒸发散热量最少，新陈代谢最低。
婴儿保温箱以科学的方法为新生儿创造一个最适宜的舒适环境，保障婴儿正常发育成长。
本论文设计是基于单片机技术的婴儿保温箱温度监控系统的设计，主要利用了最实用的单片机技术设计而成，应用性和实际操作性以及可行性都比较强。
设计后的系统具有操作方便，控制灵活，实用性强等显著优点。
本设计系统包括温度传感器/、A/D转换模块，键盘控制模块，温度显示模块和温度调节驱动电路五个部分。
文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍，整个系统的核心是进行温度监控。
关键词：
单片机；A/D转换模块；温度显示模块；温度调节驱动电路
前言
随在工、农业生产和日常生活中，对温在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。
无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。
自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。
在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎%80的工业部门都不得不考虑着温度的因素。
单片机技术与传感与测量技术、信号与系统分析技术、电路设计技术、可编程逻辑应用技术、微机接口技术、数据库技术以及数据结构、计算机操作系统、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、软件工程、数据网络通信、数字信号处理、自动控制、误差分析、仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合，使得单片机的应用非常广泛。
同时，单片机具有较强的管理功能。
采用单片机对整个测量电路进行管理和控制，使得整个系统智能化、功耗低、使用电子元件较少、内部配线少、成本低，制造、安装、调试及维修方便。
本课题研究的内容是新生儿保温箱监控系统的设计，新生儿的体温调节功能尚不完善,对新生儿特别是极低体重婴儿进行有效护理的最重要措施之一是保持一个最适宜的环境.现代生物医学大量资料证明,可以配备一个温暖的环境,降低直接或间接寒冷应激反应引起新生儿的发病率和死亡率,从而有效地保障新生儿的正常成长。
本系统将温度控制在27～36度，并可以调节。
温度传感器和AT89C52单片机中的构成输入通道，用于采集保温箱内的温度信号。
温度传感器输出电压经过A/D转换后的数字量与保温箱内的温度给定值数字化后进行比较，即可得到实际温度和给定温度的偏差。
保温箱内的温度设定值通过键盘驱动AT89C52单片机中程序设定。
AT89C52单片机构成的数字控制器进行比较运算，经过比较后输出控制量控制由加热和降温电路构成的温度调节电路对保温箱中的温度进行调节。
显示电路随时显示保温箱中的温度。
文中传感器理论单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用热敏电阻作为热敏传感器探测环境温度的过程，以及实现热电转换的原理过程。
1系统硬件介绍
1.1AT89C52单片机的介绍
AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
图1—1AT89C52引脚图
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
1.1.1主要功能特性：
·兼容MCS51指令系统·8k可反复擦写（>1000次）FlashROM
·32个双向I/O口·256x8bit内部RAM
·3个16位可编程定时/计数器中断·时钟频率0-24MHz
·2个串行中断·可编程UART串行通道
·2个外部中断源·共6个中断源
·2个读写中断口线·3级加密位
·低功耗空闲和掉电模式·软件设置睡眠和唤醒功能
AT89C52各引脚功能及管脚电压:
AT89C52为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有：
XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。
RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
P0～P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32～39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
·P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
·P1口：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表1。
Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
P1.0和P1.1的第二功能如表1—1。
表1—1P1.0和P1.1的第二功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2，时钟输出
P1.1
T2EX（定时/计数器2）
·P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。
·P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能如表1—2。
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
表1—2P3口的第二功能表
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外中断0）
P3.3
（外中断1）
P3.4
T0（定时/计数器0）
P3.5
T1（定时/计数器1）
P3.6
（外部数据存储器
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
·RST：
复位输入。
·ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
·PSEN：
程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号。
·EA/VPP：
外部访问允许。
Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
·XTAL1：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
·XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
1.1.2特殊功能：
在AT89C52片内存储器中，80H-FFH共128个单元为特殊功能寄存器（SFR），并非所有的地址都被定义，从80H-FFH共128个字节只有一部分被定义，还有相当一部分没有定义。
对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。
AT89C52除了有AT89C51所有的定时/计数器0和定时/计数器1外，还增加了一个定时/计数器2。
定时/计数器2的控制和状态位位于T2CON、T2MOD，寄存器对（RCAP2H、RCAP2L）是定时器2在16位捕获方式或16位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。
1.1.3数据存储：
AT89C52有256个字节的内部RAM，80H-FFH高128个字节与特殊功能寄存器（SFR）地址是重叠的，也就是高128字节的RAM和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它们是分开的。
当一条指令访问7FH以上的内部地址单元时，指令中使用的寻址方式是不同的，也即寻址方式决定是访问高128字节RAM还是访问特殊功能寄存器。
如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。
例如，下面的直接寻址指令访问特殊功能寄存器0A0H（即P2口）地址单元。
MOV0A0H，#data
间接寻址指令访问高128字节RAM，例如，下面的间接寻址指令中，R0的内容为0A0H，则访问数据字节地址为0A0H，而不是P2口（0A0H）。
MOV@R0，#data
堆栈操作也是间接寻址方式，所以，高128位数据RAM亦可作为堆栈区使用。
定时器0和定时器1:
AT89C52的定时器0和定时器1的工作方式与AT89C51相同。
1.1.4中断：
AT89C52共有6个中断向量:
两个外中断（INT0和INT1），3个定时器中断（定时器0、1、2）和AT89C52共有6个中断向量:
两个外中断（INT0和INT1），3个定时器中断（定时器0、1、2）和串行口中断。
所有这些中断源可通过分别设置专用寄存器IE的置位或清0来控制每一个中断的允许或禁止。
IE也有一个总禁止位EA，它能控制所有中断的允许或禁止。
定时器2的中断是由T2CON中的TF2和EXF2逻辑或产生的，当转向中断服务程序时，这些标志位不能被硬件清除，事实上，服务程序需确定是TF2或EXF2产生中断，而由软件清除中断标志位。
定时器0和定时器1的标志位TF0和TF1在定时器溢出那个机器周期的S5P2状态置位，而会在下一个机器周期才查询到该中断标志。
然而，定时器2的标志位TF2在定时器溢出的那个机器周期的S2P2状态置位，并在同一个机器周期内查询到该标志。
1.1.5节电模式：
在空闲工作模式状态，CPU自身处于睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。
此时，同时将片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容冻结。
空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。
由硬件复位终止空闲状态只需两个机器周期有效复位信号，在此状态下，片内硬件禁止访问内部RAM，但可以访问端口引脚，当用复位终止空闲方式时，为避免可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。
1.1.6掉电模式：
在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。
退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器，但不改变RAM中的内容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。
1.1.7编程方法：
AT89C52编程方法如下:
1）.在地址线上加上要编程单元的地址信号。
2）.在数据线上加上要写入的数据字节。
3）.激活相应的控制信号。
4）.在高电压编程方式时，将EA/Vpp端加上+12V编程电压。
5）.每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG编程脉冲。
每个字节写入周期是自身定时的，通常约为1.5ms。
重复1-5步骤，改变编程单元的地址和写入的数据，直到全部文件编程结束。
1.2温度传感器DS1820
1.2.1DS1820概述
美国DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的健全引入全新概念。
在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。
另外一半监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量的精度。
因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案。
新型温度传感器DS1820体积更小，精度更高，在实际应用中取得了良好的测温效果。
DS1820是美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器,它具有微型化、低功耗、高性能、抗干拢能力强、易配微处理器等优点,支持"一线总线"接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。
DS1822的精度较差为±2°C。
特别适合于构成多点温度测控系统,可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理,而且每片DS1820都有唯一的产品号并可存入其ROM中,以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS1820芯片。
从DS1820读出或写入DS1820信息仅需要一根口线,其读写及温度变换功率来源于数据总线,该总线本身也可以向所挂接的DS1820供电,而无需额处电源。
DS1820能提供九位温度读数,它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。
每一个DSl820包括一个唯一的64位长的序号该序号值存放在DSl820内部的ROM（只读存贮器）中，开始8位是产品类型编码（DSl820编码均为10H），接着的48位是每个器件唯一的序号，最后8位是前面56位的CRC（循环冗余校验）码。
DSl820中还有用于贮存测得的温度值的两个8位存贮器RAM编号为0号和1号，1号存贮器存放温度值的符号，如果温度为负，则1号存贮器8位全为1，否则全为0。
0号存贮器用于存放温度值的补码LSB（最低位）的1表示0.5将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值（-550125）。
每只DS1820都可以设置成两种供电方式，即数据总线供电方式和外部供电方式，采取数据总线供电方式可以节省一根导线但完成温度测量的时间较长，采取外部供电方式则多用一根导线但测量速度较快。
1.2.2DS1820的主要特性
DS1820有下列主要特性:
1）只需一根I/O线就能完成通信;
2）多个分散的DS1820可以共用一线进行通信;
3）不需外部元器件;
4）可以通过数据线供电;
5）检测温度范围为-55～+125°C,精度在0.5度;
6）用9bit数字量来表示温度;
7）每次将温度转换成数字量需200ms;
8）可定义一个不变化的温度设置为报警温度;
9）有PR35T和SSOP两种封装型式。
1.2.3DS1820内部结构
DS1820内部结构框图如图1—2所示。
图1—2DS1820内部结构图
由图1—2可知,DS1820由以下几部分组成:
1）64位激光只读存贮器。
在这里存放着每个DS1820的唯一的序号,开始8位是产品类型的编号（DS1820为10H）,接着是每个器件的唯一的序号,共有48位,最后8位是前56位的CRC校验码这也是多个DS1820可以采用一线进行通信的原因。
2）温度传感器。
它是将温度转化为数字量的关键部分。
3）DS1820的存贮器。
它由高速存贮器RAM和EERAM（高温TH和低温TL报警触发器）组成,数据首先写入高速存贮器RAM中,然后通过复制命令将数据写入EERAM中。
高速存贮器RAM由8个字节组成,头两个字节存放检测温度的值,0号（LSB）为存放温度的值,1号（MSB）存放温度值的符号,如果温度为负,则1号存贮器全为1,否则全为0，这也是可用9bit来表示温度的原因。
最低位先读出。
若LSB最低位为1,则表示为0.5度,求值的方法根据MSB中的值将LSB中的二进制数求补再转换成十进制数除以2即得被测温度的值。
表2是温度和数字量的关系。
第二和第三字节是从TH和TL中复制的值,当上电被更新;接下来两个字节没用,若读它应全为1;第六和第七字节为计数寄存器;最后一个字节为CRC校验。
1.2.4DS1820的工作原理
DS1820的引脚排列如图1—3所示。
I/O位数据输入/输出端（即单线总线），它属于漏极开路输出，外接上拉电阻后，常态下呈高电平。
是可供选用的外部+5V电源端，不用时需接地。
GND为地，NC为空脚。
图1—3DS1820的引脚图
DS1820测量温度时使用特有的温度测量技术，其测量温度框图如图1-4所示。
内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数，低温时振荡器的脉冲可以冲过门电路，而当达到某一设置高温时，振荡器的脉冲无法通过门电路。
计数器设置为-55℃时的值，如果计数器到达0之前，门电路未关闭，则温度寄存器的值将增加，这表示当前温度高于-55℃。
同时，计数器复位在当前温度值上，电路对振荡器的温度系数进行补偿，计数器重新开始计数直到回零。
如果门电路仍然关闭，则重复以上过程。
温度表示值为9bit，高位为符号位。
图1—4DS1820测温原理框图
1.2.5DS1820使用中注意事项
DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：
1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。
在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。
2）在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。
当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。
3）连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。
试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。
当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。
这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。
因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。
4）在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。
这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。
2硬件电路的设计
2.1电源及看门狗电路
电源部分由9/12V直流电源适配器和7805组成，输出5V标准电压，为单片机及其他芯片供电。
三端稳压器件78xx/79xx系列三端稳压器件是最常用的线性降压型DC/DC转换器，78xx/79系列简单易用、价格低廉，直到今天还在大多电路中采用。
如7805，7806，7809，7812，7815，7824，（79××）。
78xx/79xx系列在降压电路中应注意以下事项：
1、输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏；
2、输出电流不能太大，1.5A是其极限值。
大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿；
3、输入输出压差也不能太小,大小效率很差。
图2—17805引脚图
7805三端稳压集成电路，电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。
顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。
它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。
因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。
7805三端稳压IC内部电路具有过压保护、过流保护、过热保护功能，这使它的性能很稳定。
能够实现1A以上的输出电流。
器件具有良好的温度系数，因此产品的应用范围很广泛。
可以运用本地调节来消除噪声影响，解决了与单点调节相关的分散问题，输出电压误差精度分为±3%和±5%。
7805三端稳压IC在电路运用中应注意以下事项:
输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏。
最高输入电压不能超过35伏;输出电流不能太大，1.5A是其极限值。
大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿;输入输出压差也不能太小,低于2伏稳压效率急速下降。
7805集成稳压器组成的的电源电路如下图所示，这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。
IC采用集成稳压器7805，输入端和输出端220u和0.1u滤波电容，。
当输出电较大时，7805应配上散热板。
图2—2电源部分电路图
78**系列的稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压比输出电压高 3-4V。
还要考虑输出与输入间压差带来的功率损耗，所以一般输入为9-15V之间。
考虑到单片机会受到周围环境的干扰，而出现程序跑飞，死机…等一些不可预知的不正常工作现象。
工作人员也不可能到现场对单片机重起，本设计为单片机电路添加一个外部看门狗电路。
定时查询单片机的工作状态,一但发现异常即对单片机延时重起。
保证系统安全可靠的运行。
看门狗的介绍：
在由单片机构成的微型计算机系统中，由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，造成各种寄存器和内存的数据混乱，会导致程序指针错误，不在程序区，取出错误的程序指令等，都会陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统无法继续正常工作，会造成整个系统的陷入停滞状态，发生不可预
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