电子体温计的设计与实现.docx

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电子体温计的设计与实现

电子与信息工程学院

本科毕业论文

论文题目电子体温计的设计与实现

学生姓名刘恒强

学号093521016

专业电气工程及其自动化

班级093523

指导教师刘芳华

2013年5月

摘要

体温计在人们的日常生活中必不可少，基本每个家庭都缺不了它。

在现代化的工业生产中基于单片机的应用非常广泛，并且在我们生活、工作、科研中随处可见，它早已经成为我们身边一个很有用的工具。

鉴于以上两点，本文将介绍一种以单片机为基础控制的电子温度计。

本设计将对硬件选择以及结构进行设计，并且采用新型的可编程温度传感器DS18B20，它的优点是能直接与单片机完成数据采集和处理，实现方便、精度高，性能稳定，并且不需复杂的信号调理电路和A/D转换电路。

只需要使传感器DS18B20与人体接触，进行温度感应后，DS18B20就可以感应温度并且直接送入AT89S51单片机中，经过单片机的信号处理并将其送出，通过LCD1602数码管进行显示。

这样的好处是可以快速并精准的测量出人体体温，与传统的水银体温计相比，它的优点是测量精准度高、测量时间短、并且方便读数。

同时它具有记忆功能并能完成蜂鸣提示回警。

最后它不含有对人体有害的水银，对人体环境无害，在普通家庭和医院是绝佳的选择。

关键词：

电子体温计；DS18B20传感器；AT89S51单片机；显示屏

ABSTRACT

Thethermometerisessentialinpeople'sdailylives,basicallyeveryfamilyisnotlackofit.Microcontroller-basedapplicationsinmodernindustrialproductionisverywide,andeverywherewelive,work,scientificresearch,itisalreadyaroundusisaveryusefultool.

Inviewoftheabovetwopoints,thepaperwillintroduceamicrocontroller-basedcontrolelectronicthermometer.Thedesignofthehardwareselectionandstructuredesign,andtheuseofanewtypeofprogrammabletemperaturesensorDS18B20,ithastheadvantagedirectlywiththeMCUtocompletethedataacquisitionandprocessing,convenient,highprecision,stableperformance,anddoesnotrequirecomplicatedsignalconditioningcircuitandA/Dconversioncircuit.JustneedtomakesensorDS18B20withhumancontact,temperaturesensor,DS18B20cansensetemperatureandfeddirectlytoAT89S51single-chipmicrocontrollersignalprocessingandsentthroughtheLCD1602digitaltubedisplay.Theadvantageisthatcanquicklyandaccuratelymeasurethebodytemperature,comparedwithtraditionalmercurythermometer,ithastheadvantageofhighmeasurementaccuracy,themeasurementtimeisshortandeasytoread.AtthesametimeithasamemoryfunctionandcancompleteBeeperbacktothepolice.Finally,itdoesnotcontainharmfulmercury,environmentallysoundonthehumanbody,isanexcellentchoiceinordinaryhomesandhospitals.

KEYWORDS:

Digitalthermometer；DS18B20sensor；AT89S51microcontroller；LCDscreen

1绪论

现在已经有许多家庭和医院在采用数字温度计，而且单片机智能化仪表也是测量仪表的发展一个主要发展趋势。

我们的日常生活因为有了它更加方便，为了要满足人们的需要，数字体温计也发展的越来越快。

测温在物理实验、医疗卫生、食品生产都是必不可少的。

但是现在使用的温度计还有很多是分辨力为1～0.1℃的水银温度计。

这些温度计虽然构造简单，但是它们刻度间隔通常都很密，非常难于分辨，会造成读数困难，同时他们的热容量很大，达到稳定的读数要很长时间，因此非常难于读准，在使用过程中非常不方便。

本设计研究和介绍的数字体温计，比传统体温计读数方便，测温范围广，测温准确，并且其输出温度采用数字显示，主要用于对测温要求比较准确的场所。

温度计的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、半导体集成数字温度计等。

在电子式温度计中，传感器是它的重要组成部分，温度计的精度、灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。

温度传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型温度传感器，从而构成性能优良的温度监控系统。

1.1体温计的发展与现状

体温测量的历史，可以追溯到l6世纪。

当时Saatorio用空气热膨胀的原理，制出了第一支测量口腔温度的体温计。

本世纪初，开始用水银来制作体温计，至今在临床上得到了广泛的应用。

根据1928年Ebstein的报告，当时除测量口腔及腋下的温度外，还可以测量直肠、颈部、大腿根部，外耳及尿温。

这些都是用被测皮肤温度与玻璃球内积存的水银温度相等的原理实现的。

由于水银体温计使用方便、精度高，因而应用很广。

再加上测温方法及其结构都已成熟，没多大改进余地，人们对它的研究失去了信心，至今几乎没有什么进展。

由于用水银体温计进行体温监测很不方便，水银的污染的可能也很严重等，为了正确测量人体局部温度，促使人们开发了各种不同的测温仪器和测温方法。

虽然水银体温计仍不愧是一个精度高、便宜、使用方便的测温仪器。

现在已有许多医院采用了电子体温计，用其它电子仪器测量体温也日益普及。

这一事实至少表明，电子测温仪器的性能已接近水银温度计的性能。

因此，鉴于传统的水银体温计汞的污染及其携带不方便易破碎，尤其是测量时间过长等缺点，本课题为解决此问题设计出一种数字式电子体温计。

它在稳定性及响应时间上比传统的水银体温计有着显著的优势，精度要求也能和传统的水银体温计相媲美。

1.2任务要求

温度广泛应用于人们的生产和生活中，人们使用普通温度计来采集温度和测量温度，这样测量的温度精度低、实时性差。

即使有些用户采用半导体二极管作温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。

本设计由于采用了新型单片机对温度进行采集和测量显示，以其测量精度高、操作简单、可运行性强、价格低廉等优点，特别适用于生活、医疗、工业生产等方面的温度测量。

本设计是一个数字温度测量及报警系统，能测人体和环境的温度，并能在超限的情况下进行报警。

1.3设计思路

本研究旨在设计一个电子体温计，主要控制器采用单片机AT89S51，传感器采用美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20智能型传感器。

该传感器检查的温度是35℃～42℃之间，检查的分辨率为±0.2℃。

当温度出现不同寻常的时候，不在设置范围内时，可以报警，且是通过蜂鸣器。

研究工作总体包括以下多个方面：

了解电子体温计的工作原理，典型结构，发展历史及国内外的研究和发展的现状，研究电子体温计的两个最主要的核心模块，DS18B20传感器控制和AT89S51单片机主控制器，根据器件的优缺点设计外围电路和软件程序。

2方案设计与论证

2.1方案分析

方案一

本电路设计的电子温度计，如图2-1，热敏电阻器件在测温电路中的感温效应。

随被测温变化，采集的电压或电流，进行模数转换后，再用单片机进行加工处理采样的数据就可以通过显示电路显示出来。

但是热敏电阻测量体温有许多问题，如存在测量时间较长等问题。

图2-1基于热敏电阻的电子体温计系统框图

方案二

红外体温计是非接触式的，算是高端的技术，最近几年才发展起来的。

主要是靠红外传感器感应接收人体辐射的红外线,通过模数转换后，用单片机处理采样的数据，显示电路就可以显示出来数据。

但是这个方案制作成本费用高，耗时比较长，主要是体现在硬件电路与软件程序复杂。

方案三

数字温度计采用单片机的温度传感器设计，各种各样的精度高的温度计不断出现，不断发展。

电子体温检测的一项重要的性能参数其中有一项就是测量精度，数字体温检测追求的一个目标就是高精度。

在检测手段不断更新的现代化社会中检测已经能达到很高的灵敏度、精度及更广的测量范围等，同时，科学技术的发展达到的水平越高，又为检测技术、传感器技术提供了新的技术支持。

本电子体温计采用温度传感器作为检测元件，温度传感器有精度高的优点，可适用于体温检测。

它具有小型化、性能高、耗能低、抗干扰能力强、易配微处理器等优点。

并且经过单片机处理之后输出到液晶屏，可以直接读出被测的温度值，而且减少了外部的硬件电路设计，具有低成本和易使用的特点。

方案确定

根据以上需求分析，本次设计采用方案三来设计电子体温计。

2.2温度传感器的选择

2.2.1采用模拟集成温度传感器

集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。

模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

图2-2是用AD590测量热力学温度的基本应用电路。

因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kΩ时，输出电压V随温度的变化为1mV/K。

但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。

调整的方法为：

把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使V=273.2mV。

或在室温下（25℃）条件下调整电位器,使V=273.2+25=298.2（mV）。

但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。

AD590把被测温度转换为电流再通过放大器和A/D转换器，输出数字量送给单片机进行温度控制。

图2-2基于AD590测温基本应用电路

2.2.2采用数字单片智能温度传感器

智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。

目前，已开发出多种智能温度传感器系列产品。

智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。

有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）.智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线（1-WIRE）总线、I2C总线、SMBUS总线和SPI总线。

温度传感器作为从机，可通过专用总线接口与主机进行通信。

智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。

典型产品有DS18B20,智能温度控制器适配各种微控制器，构成智能化温控系统，它们还可以脱离微控制器单独工作，自行构成一个温控仪。

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。

同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内，精度为0.5℃。

DS18B20的精度较差为±0.2℃。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

适合于恶劣环境的现场温度测量。

如：

环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

与前一代产品不同，新的产品支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。

而且新一代产品更便宜，体积更小。

DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。

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，为测量系统的构建引入全新概念。

现在，新一代的“DS1820”体积更小、更经济、更灵活。

使您可以充分发挥“一线总线”的长处。

DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器。

由于DS18B20将温度传感器、信号放大调理、A/D转换、接口全部集成于一芯片，与单片机连接简单、方便，与AD590相比是更新一代的温度传感器，所以温度传感器采用DS18B20。

2.3显示器的选择

2.3.1LED显示器

采用传统的七段数码LED显示器。

LED虽然价格便宜，但在现代的许多仪表、各种电子产品中逐渐被LCD所取代。

2.3.2LCD液晶屏

采用LCD液晶屏进行显示。

LCD液晶显示器是一种低压、微功耗的显示器件，只要2～3伏就可以工作，工作电流仅为几微安，是任何显示器无法比拟的，同时可以显示大量信息，除数字外，还可以显示文字、曲线，比传统的数码LED显示器显示的界面有了质的提高。

在仪表和低功耗应用系统中得到了广泛的应用。

优点为：

1显示质量高，由于液晶显示器的每一个点收到信号后就一直保持那种色彩和亮度恒定发光，因此液晶显示器的画质高而且不会闪烁。

2数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机的接口简单操作也很方便。

3功率消耗小，相比而言液晶显示器的主要功耗在内部电极和驱动IC上，因而耗电量比其他器件要小很多。

虽然LCD显示器的价格比数码管要贵，但它的显示效果好，是当今显示器的主流，所以采用LCD作为显示器。

2.4单片机的选择

2.4.1采用凌阳单片机

随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处

理、数据处理以及数字信号处理（DSP，DigitalSignalProcessing）等领域。

凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。

它的CPU内核采用凌阳最新推出的µ’nSP™（MicrocontrollerandSignalProcessor）16位微处理器芯片（以下简称µ’nSP™）。

围绕µ’nSP™所形成的16位µ’nSP™系列单片机（以下简称µ’nSP™家族）采用的是模块式集成结构，它以µ’nSP™内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件。

µ’nSP™内核是一个通用的核结构。

除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小或可有可无。

借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合。

这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。

利用凌阳单片机有一定的好处，凌阳的优势是硬件性能，抗干扰能力强，但是其价格要比89S51昂贵一些。

2.4.2采用AT89S51单片机

单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，MCS-51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。

单片机的诞生意味着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两个分支。

单片机是最典型的嵌入式系统，其微小的体积和极低的成本，所以它被广泛应用于家电、仪器仪表、工控领域中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。

MCS系列单片机集成了完善的中央处理单元。

它的处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，这给我们利用单片机提供了极大的便利。

单片机把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，使得数据传送距离大大缩短，运行速度更快，可靠性更高，抗干扰能力更强。

由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达到最优化，工作也相对稳定。

51的优点是价钱便宜,I/O口多,程序空间大。

因此，测控系统中，使用51单片机是最理想的选择。

单片机的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，开发工具和语言也大大简化。

单片机的典型代表是Intel公司在20世纪80年代初研制出来的MCS51系列单片机。

MCS51单片机在我国得到了广泛的推广应用，成为电子系统中普遍的应用手段，并在工控、交通运输、家电、仪器仪表等领域取得了大量应用成果。

基于以上几点，选择STC89S51单片机。

综上，根据已选择的方案及器件，该系统的总体设计思路如下：

温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89S51单片机上，经过51单片机处理，将把温度在显示电路上显示，本系统显示器为点阵字符LCD1602液晶模块。

检测范围5摄氏度到60摄氏度。

本系统除了显示温度以外还可以通过按键设置两个上下限温度值，对所测温度进行监控报警，当温度高于或低于上下限时，进行蜂鸣器和信号灯报警，系统框图如图2-3：

图2-3电子体温计系统框图

3硬件选择及电路设计

3.1单片机最小系统的设计

目前的单片机开发系统只能够仿真单片机，却没有给用户提供一个通用的最小系统。

由设计的要求，只要做很小集成度的最小系统应用在一些小的控制单元。

其应用特点是:

（1）全部I/O口线均可供用户使用。

（2）内部存储器容量有限（只有4KB地址空间）。

（3）应用系统开发具有特殊性

图3-1最小系统图

单片机最小系统如图3-1所示，其中有4个双向的8位并行I/O端口，分别记作P0、P1、P2、P3，都可以用于数据的输出和输入，P3口具有第二功能为系统提供一些控制信号。

时钟电路用于产生MCS-51单片机工作所必须的时钟控制信号，内部电路在时钟信号的控制下，严格地按时序指令工作。

MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片的引脚XTAL1，输出端为XTAL2。

这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。

电路中的微调电容通常选择为30pF左右，该电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。

晶体的振荡频率为12MHz。

把EA脚接高电平，单片机访问片内程序存储器，但在PC值超过0FFFH（4Kbyte地址范围）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。

MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现。

采用最简单的外部按键复位电路。

按键自动复位是通过外部复位电路的来实现的.我们选用时钟频率为12MHz,C1取47μf。

3.2温度传感电路设计

DS18B20的性能特点：

1.采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）

2.测温范围为-55℃～125℃，测量分辨率为0.0625℃

3.内含64位经过激光修正的只读存储器ROM

4.适配各种单片机或系统机

5.用户可分别设定各路温度的上、下限

6.内含寄生电源。

7.DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。

DS18B20的管脚排列如图3-2所示。

图3-2DS18B20管脚图

在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时VDD、GND接地，I/O接单片机I/O。

无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻.我们采用的是第一种连接方法，如图3-3所示:

把DS18B20的数据线与单片机的13管脚连接，再加上上拉电阻。

图3-3温度传感电路图

DS18B20有六条控制命令，如表3-1所示：

表3-1DS18B20控制命令

指  令

约定代码

操     作   说     明

温度转换

44H

启动DS18B20进行温度转换

读暂存器

BEH

读暂存器9个字节内容

写暂存器

4EH

将数据写入暂存器的TH、TL字节

复制暂存器

48H

把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中

重新调E2RAM

B8H

把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节

读电源供电方式

B4H

启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU

CPU对DS18B20的访问流程是：

先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，

最后才能对存储器操作，数据操作。

DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。

如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：

每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。

3.3报警电路的设计

图3-4蜂鸣报警电路

实际电路如图3-4所示,通过键盘设定温度的上下限。

把实际测量的温度和设定的上下限进行比较，来控制P0.0端口的高低电平。

把端口与三极管的基极连接来控制温度和报警。

当测量的温度超过了设定的最高温度，由高电平变成低电平，就相当于基极输入为“0”，反之，当基极输入为“1”时，三极管不导通，报警器不工作。

只要控制单片机的P0.0口的高低电平就可以控制模拟电路的工作。

3.4键盘电路的设计

图3-5键盘硬件电路图

本系统四个按键占用了四个I/O口，分别接在AT89S51单片机的P2口的P2.4、P2.5、P2.6、P3.4引脚上。

采用独立式键盘接口，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态很容易判断哪个键被按下。

根据多功能数字钟设置键，加一键，减一键，确定键，通过键盘可以随时手动设置温度上限和下限数值报警功能。

3.5显示电路的设计

液晶显示器是一种将液晶显示器件，连接器件，集成电路，PCB线路板，背光源，结构器件装配在一起的组件。

根据显示内容和方式的不同可以分为，数显LCD，点阵字符LCD，