基于单片机设计与实现的电子体温计.docx

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基于单片机设计与实现的电子体温计

摘要

体温是人体健康的一个很重要的指标，体温过高或过低都是身体健康异常的信号。

传统的测试体温方法，一般是用水银体温计测量体温，水银体温计测量固然十分准确，但是响应时间长，而且会造成环境的严重污染。

随着科技的发展，单片机已经广泛的应用到了物理实验、医疗卫生、食品生产各个领域。

本文设计一种基于单片机设计和实现的电子体温计。

本设计分为硬件设计和软件设计两个部分，其中硬件设计部分主要包括温度采集电路、显示电路、报警电路，软件设计部分用KEIL作为编程软件，使用C语言进行编程。

本设计采用传感器DS18B20采集人体的温度，经过模数转换后的电信号传输到51单片机，最后再传输到LCD液晶显示器显示。

该电子体温计响应时间短，工作稳定，读数方便，测量精度高，当超过人体体温正常值是会发出蜂鸣警报声。

并且其中不含汞，不会对环境造成污染，在家庭、医院等场合都能得到广泛应用。

关键词：

电子体温计51单片机DS18B20LCD

Abstract

Temperatureisoneofthemostimportantindexesofhumanhealth,itistoohighortoolowsignalahealthexception.Temperaturemeasurementmethodoftraditional,isgenerallymeasuredbodytemperaturewithamercurythermometer,Mercurythermometertomeasureisveryaccurate,butthelongresponsetime,andwillcauseseriouspollutionoftheenvironment.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,MCUhasbeenwidelyappliedtophysicsexperiments,medicalandhealth,foodproductioninvariousfields.

Thispaperdesignakindofelectronictemperaturemeterbasedon51singlechipmicrocomputer.Thedesignisdividedintotwoparts:

hardwaredesignandsoftwaredesign,thehardwaredesignmainlyincludestemperatureacquisitioncircuit,displaycircuit,alarmcircuitandkeyboardcontrolcircuit,thepartofsoftwaredesignusesKEILasprogrammingsoftware,usingCprogramminglanguage.

WithsensorDS18B20collectingtemperatureofhumanbody,afterittransferstotheanalogtodigitalconverter,theelectricalsignalwillbetransfertoa51singlechipmicrocomputer,thentransfertotheLCDliquidcrystaldisplay.Theelectronicthermometerwithshortresponsetime,stablework,convenientreading,highmeasuringaccuracy,whenmorethanthenormalhumanbodytemperature,itwillsoundabuzzeralarm.Andwhichdoesnotcontainmercury,harmlesstothehumanbodyandthesurroundingenvironment,particularlysuitableforfamilies,hospitalsandotheroccasions.

Keyword:

Electronicthermometer51singlechipmicrocomputerDS18B20LCD

引言

早在16世纪，伽利略就发明了水银体温计，但是由于各种原因，直到300年后才设计出使用方便、性能可靠的体温计。

当水银受热膨胀时，它会沿着玻璃管上升，即使微小的温度变化也能够引起水银大幅度的上升，当水银的温度和被测皮肤温度一样时，水银停止上升，此时便可读取温度值了。

测量完成后，还需有力甩体温计，使水银回到玻璃球，方能继续测量体温。

在此之后，人们也陆陆续续的发明了各式各样的体温计，1714年，加布里埃尔·华伦海特研制了在水的冰点和人的体温围设定刻度的水银体温计，最终因为体积过大而未被医生们所接纳，1868年，当时体温计的体积依旧过大，测量体温大概要花20分钟。

水银体温计测量精度高，便于携带，各方面都已经非常成熟了，人们也就没有再研发其他种类的体温计，但随着工业发展的步伐加快，环境遭到了严重的破坏，环境保护俨然迫在眉睫，促使人们开发出对环境无害的电子体温计。

计算机的发展十分迅速，短短几十年就已经普与到我们生活、工作等各个领域，我们的生活因此得到了极大的便利。

近些年来，微型计算机（单片机）的发展与应用更是在数码家电产品中引发了一场革命。

鉴于单片机的强大功能，具有可编程性，体积小，价格低廉，人们开发出了基于单片机控制的电子体温计。

本文介绍一种基于51单片机控制的电子体温计，由温度传感器DS18B20负责温度的采集和模数转换，单片机将采集到的温度经过转换，最后在LCD上显示出温度值，当被测皮肤温度高于预定温度时，会发出蜂鸣警报声。

此设计的关键是编程，从而实现温度的采集、转换、显示、上下温度报警，结构比较简单，易于实现。

与传统水银体温计相比，电子体温计采集温度的能力更强，响应时间短，测量精度高，更安全，不必担心因为水银泄漏而造成的人体伤害和环境污染。

1设计任务与方案分析

1.1 设计任务与要求

本设计是以51单片机为核心设计的电子体温计。

其中数字温度传感器和单片机相连，对其采集到的温度电信号进行滤波和放大，然后把温度的标准电信号经过A/D转换，最终得到测量的温度值并用液晶显示器显示出来。

设计出的电子体温计在功能上应达到以下要求。

（1）体温计的测量围为0°C～50°C，显示精度为0.1°C。

（2）当温度高于37°C或低于32°C时，LED亮，达到警报的目的。

（3）用液晶显示器显示出温度值。

1.2设计总体方案与方案论证

随着生活水平的不断提高，人们对体温计的要求越来越高，例如要求体温计响应时间短，测量准确。

传统的测温元件一般是热电偶，是通过将采集到的电压转换相应的温度，这不仅需要很多繁琐的硬件支持，而且调试起来非常复杂，应用起来需要大笔的花销。

DS10B20作为常用的温度传感器，具有精度高，抗干扰能力强，成本低廉，体积小等特点。

该传感器具有独特的单线接口方式，只需要和单片机连接一条线即可实现单片机与传感器的双向通讯，并且在使用过程中不需要外接任何元件，因此它的硬件电路比较简单。

其测量围是0°C～50°C，固有误差1°C，可以满足本次设计的要求。

工作电压是3.0～5.5V/DC,适用于小电源工作电路。

故采用温度传感器DS18B20作为本次设计系统中的温度检测元件。

根据设计要求，整个系统有5个部分构成：

单片机AT89C52，数码管显示电路，键盘控制电路，报警电路，温度传感器。

方案设计的目的是为了使软件编程更为简单，测量精度更高，实现起来更加容易，测温围更广。

1.3体温测量的方案与分析

1.3.1元件的选择

本次设计所采用的测温元件是温度传感器DS18B20，DS18B20数字温度传感器接线方便，因此硬件电路比较简单，成本低，在管道式，螺纹式等多种场合都比较适用，该传感器有多种型号，如LTM8874，LTM8877等。

其封装形式多样，不同的应用场合下其外观也不同。

封装后的DS18B20在农业大棚测温上可以得到应用，电缆沟温度测量，机房温度测量，高炉水循环温度测量，洁净室温度测量等各种非极限温度场合。

使用便捷，所占空间小，适用于各种狭小空间中的数字温度测量和控制领域。

单片机AT89C52属于51系列单片机，它能够和计算机进行通讯，完成数据的传输，还能够独立控制多点DS18B20的工作，它安装起来比较方便，体积也小，硬件的实现也比较容易，最关键的是，针对51系列单片机的软件编程自由度很大，大多数的逻辑控制和算术算法都可以通过软件编程实现。

为了使显示更加清晰，本次设计的显示电路所采用的是串口显示，这样做是为了减少使用的资源。

该系统使用LCD1602液晶显示数码管构成显示电路，从P3口TXD，RXD串口输出段码。

该系统之所以使用单片机AT89C52控制DS18B20温度传感器测量温度并使温度值在液晶显示器上显示，是因为这样的系统会有很强的扩展性、能够根据实际需求设置上下限报警温度值、测量温度的响应时间短。

为了使在处理数据的同时显示时间，可以在系统设计中使用时钟芯片来获取时间的数据。

某些时间点的温度数据可以存储在单片机AT89C52中，此时单片机AT89C52俨然成为了一个存储元器件。

键盘的作用是温度查询与调时，测得的温度数据能够通过PC机的接口和单片机AT89C52进行串口通讯，使温度数据的采集与整理变得格外方便。

1.3.2总体结构框图

温度传感器DS18B20负责采集温度，采集到的温度信号传输给单片机AT89C52，单片机再将输出信号传输给数码管显示电路，如果超过预定值，单片机还会发送信号给警报电路，蜂鸣器会发出警报声。

按键电路（连个按键）和主控制器相连。

图1.1电子体温计的系统总体结构框图

1.3.3测温流程图

图1.2测温流程图

2主要元器件功能的介绍

2.1单片机

2.1.1AT89C52芯片简介

本次设计所采用的主控制器是AT89C52，它是由ATMEL公司生产的，生产过程中使用非易失性、高密度技术，使得其性能十分稳定。

AT89C52是一个8位单片机，具有高性能、低电压的特点。

片含有256字节的RAM（随机存取数据存储器）和8KB的可反复擦写的FLASHROM（只读程序存储器），最多可擦写1000次。

AT89C52兼容MCS-51指令系统，因此对于单片机初学者来说是一个不错的入门级学习工具。

AT89C52是AT89C51的增强型，AT89C52较之AT89C51,RAM空间更大，AT89C51的RAM空间只有AT89C52的一半；FLASH更大，AT89C51部的FLASHROM的容量只有4KB；中断源更多，AT89C52在AT89C51的基础上增加了一个定时器/计数器T2。

图2.1单片机的引脚排列图

该单片机体积较小，允许低电压供电，只需要两个端口就能满足设计电子体温计系统的需求，因此它可以用两节电池供电。

2.1.2AT89C52的引脚功能介绍

（1）P0口：

P0口也可以说是地址/数据总线复用口，它是一组漏极开路型双向I/O口，有8位。

当对P0端口写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在作为输出口使用时，其输出缓冲级可驱动8个TTL逻辑门电路。

程序校验时，输出指令，校验时，要求外接上拉电阻。

，而在Flash编程时，P0端口接收指令。

（2）P1口：

P1的每位能输出电流能驱动4个TTL逻辑门电路。

它一个带部上拉电阻的双向I/O口，共8位，在作为输入口用时，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流，这是因为其部有上拉电阻存在。

当对端口P1写“1”时，现在P1可当做输入口，这是因为部上拉电阻将端口拉到高电平。

AT89C52的P1.0与P1.1还能够分别作为定时/计数器2的外部计数输入和输出，因此总的来说，AT89C52是AT89C51的增强型。

图2.2P1.0和P1.1口的附加功能

（3）P2口：

P2的部带有上拉电阻，它的输出电流可以驱动4个TTL逻辑门电路，它是是一个8位双向I/O口。

如果对P2口写“1”时，此时该端口可以作为输入口使用，这是因为上拉电阻将P2口拉到高电平，与此同时，某个引脚会输出一个电流（当该引脚被外部信号拉低时）。

闪存校验或编程时，端口会接收一部分的控制和高位地址信号。

在访问8位地址的外部datamemory时，P2锁存器的容会由P2端口输出。

在访问6位地址的外部datamemory或外部programmemory时，P2端口会输出高8位地址数据。

（4）P3口：

P3口的部带有上拉电阻，它的输出电流可以驱动4个TTL逻辑门电路，它是一组8位双向I/O口。

相对P3口的一般功能，它的第二功能更为重要，它可接收一些用于程序校验与Flash闪速存储器的控制信号。

当对P3端口写“1”时，该端口可以作为输入口使用，这是因为上拉电阻将P3口拉到高电平，与此同时，它将用上拉电阻输出电流，这是由于P3口被外部信号拉低的缘故。

（5）XTAL1：

部振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。

（6）XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端口。

（7）PSEN：

programmemory允许PSEN输出时外部programmemory的读选通信号，当单片机由外部programmemory取数据，每个机器周期输出两次脉冲。

在这个过程中，如果访问外部datamemory时，会跳过两次PSEN信号。

（8）RST：

复位输入端。

当振荡器工作时，当RST的引脚产生两个机器周期以上的的高电平时，会使AT89C52复位。

（9）EV/VPP：

外部访问允许端口。

只有当EA端接地时，才能使CPU只允许外部programmemory，其中地址是0000H-FFFFH。

闪存存储器编程时，EV/VPP端口接+12V的编程允许电源。

（10）ALE/PROG：

ALE是地址锁存允许端口，PROG是输入编程脉冲端口。

当访问外部datamemory或datamemory时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

大多数情况，ALE是以1/6的时钟振荡频率输出恒定的脉冲信号，所以它可用于定时目的或对外输出时钟。

值得注意的是：

每当访问外部datamemory时会跳过一个ALE脉冲。

在对Flashmemory编程的期间，该端口还将用于PROG（输入编程脉冲）。

2.1.3AT89C52的特殊功能

在单片机的片datamemory中，字段位在80H到FFH之间的128个单元称为SFR（特殊功能寄存器），在这个字段位围，只有一部分字节被定义，还有很大一部分字节没有被定义。

无法对未被定义的单元进行读写操作，写入的数据将丢失，读出的数据也都不准确。

这些单元的数值在复位后总是“0”。

2.1.4AT89C52的数据存储

单片机有256个字节的部随机存取存储器，SFR（特殊功能寄存器）与80H至FFH间的高128个字节的地址是重叠的，但它们在物理上是分开的。

当指令访问的部单元的地址在7FH以上，指令所使用的寻址方式会有不同，如果指令是以间接寻址的方式访问的，那么它将访问高128字节的随机存取存储器，例如下面指令是采用间接寻址的，R1的容为080H，则说明它访问数据的地址是080H。

MOVR1,#data

如果指令是以直接寻址的方式访问的，那么它将访问特殊功能寄存器，例如下面指令是采用直接寻址的，它访问的是特殊功能寄存器080H地址单元,而不是说它访问数据的地址是080H。

MOV080H,#data

2.1.5AT89C52的中断

AT89C52单片机有6个中断源：

一个串行中断，0、1、2三个定时中断定时器，INT0、INT1两个外部中断。

每个中断源都能通过清除特殊寄存器IE中的相关中断允许控制位使中断源无效，通过置位使中断源有效。

其中，IE还含一个能使所有中断禁止的中断总控制位，它就是EA。

如下表所示，IE.6是无用的。

对于单片机AT89S52而言，IE.5同样不可用。

这些是为AT89系列的新型单片机预留的，用户在编程时不必给他们写1。

当定时器0、1的标志位TF1和TF0在计数溢出时，在这个周期中，S5P2被置位，电路会在下个周期捕捉它们的值。

当定时器2的标志位TF2在计数溢出时，同个周期S5P2被置位，并且电路会在同一个周期捕捉它的值。

寄存器T2CON中的EXF2和TF2的或逻辑能够触发定时器2。

上述标志位会在程序入中断服务后被硬件清零。

在现实情况当中，中断服务程序一定会判断是否是EXF2或者TF2激活中断。

标志位也务必被软件清零。

图2.3中断允许控制位

2.1.6AT89C52的两种工作模式

（1）掉电工作模式：

使单片机AT89C52进入掉电模式的指令一般都是最后被执行的一条指令，在这个模式下，特殊功能寄存器与片Random-AccessMemory（随机存取存储器）的容将被冻结，振荡器也会停止工作。

只能通过硬件复位退出掉电模式，复位后的AT89C52芯片的RAM中的容不会改变，只是会将所有的特殊功能寄存器重新定义。

值得注意的是，当Vcc还没有恢复到正常工作电压时，是无法对AT89C52芯片进行复位的，除此之外，还应在Vcc恢复到正常工作电压后保持一定时间使得振荡器重启并稳定工作方可进行复位操作。

（2）空闲工作模式：

在这种工作模式下，全部片的外接设备处于激活状态，CPU则保持睡眠状态，与此同时，全部的特殊功能寄存器和片Random-AccessMemory（随机存取存储器）的容将被冻结，和掉电工作模式不同的是，硬件复位或任何允许的中断请求都可以退出空闲工作模式。

通过硬件复位的方式退出空闲工作模式只需要两个机械周期的有效复位信号，在此期间，允许访问端口引脚，但禁止片硬件访问部Random-AccessMemory（随机存取存储器），为了避免在退出空闲工作模式期间对端口意外写入，激活空闲工作模式的指令的后一条指令不应该是对外部存储器或端口的写入指令。

2.2温度传感器

2.2.1DS18B20简介

DS18B20作为常用的温度传感器，具有精度高，抗干扰能力强，成本低廉，体积小等特点。

其测温围是-55°C～125°C，固有误差1°C。

工作电压是3.0～5.5V/DC，适用于小电源工作电路。

2.2.2DS18B20的引脚说明

（1）GND地信号

（2）DQ数据输入/输出引脚。

开漏单总线接口引脚。

当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。

（3）VDD可选择的VDD引脚。

当利用寄生电源工作时，此引脚务必接地。

图2.4DS18B20的引脚分布图

2.2.3DS18B20的测温原理

温度传感器采集温度信息，单片机传送温度转换指令给温度传感器，DS18B20会启动转换，经过转换后的温度值就以带符号的16位二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1,2字节中。

通过数据线，AT89C52可读到该数据，读取的方式是高位在后，低位在前，格式是0.0625°C/LSB。

将转化后所得的16位数据，存储在温度传感器的两个8bit的随机存取存储器中，其中前5位表示符号位，当测得的温度低于0°C，这5位数值置1，，将通过测量得到的数值取反后加1，并乘0.0625，就能够得到实际温度值。

当测得的温度高于0°C，这5位数值都为0，只需将测得到数据乘以0.0625，便可得到实际的温度值。

例如+25.0625°C的输出数字是07D0H。

图2.59比特格式

2.2.4DS18B20的外形和部结构

DS18B20温度传感器的部构造主要由四部分组成：

配置寄存器、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TL和TH、64位光刻只读存储器。

图2.6温度传感器的管脚排列图

图2.7温度传感器的部结构图

图2.8温度传感器的测温原理图

2.2.5DS18B20的应用电路

温度传感器的测温系统有很多优点，比如接线口较少、方便连接、测量的精度高、测温系统简单。

DS18B20有几种不同的应用方式（外部电源供电方式、寄生电源强上拉供电方式、寄生电源供电方式），其对应的测温电路图也不同，因为它的外部单元供电方式是温度传感器最佳的工作方式，电路简单，抗干扰能力强，而且工作稳定，可以开放出可靠稳定的多点温度监控系统，所有下面介绍它的外部电源供电方式。

在外部电源供电方式下，引脚VDD接入温度传感器的工作电源，此时电源电流足够可以保证精度的转换，因此I/O线没有必要强上拉，理论上来讲，总线上还可以接多个温度传感器DS18B20，组成多点温度测量系统。

当利用外接电源进行供电时，可以将温度传感器DS18B20的款电源电压围的优点发挥得淋漓精致，即便电源电压降到3V，依旧可以保证测量温度的精度。

图2.9温度传感器的外部电源供电方式

图2.9.1温度传感器的多点测温电路原理图

2.2.6使用DS18B20的注意事项

DS18B20的测温系统简单、方便连接、接线口少、测量精度高，但在实际应用的过程中还是应该注意以下几点问题：

（1）温度传感器DS18B20具有独特的单线接口方式，只需要和单片机连接一条线即可实现单片机与传感器间的双向通讯，并且在使用过程中不需要外接任何元件，因此它的硬件电路比较简单。

DS18B20扁平的一面，接线方式变为右正左负，如果接反就会有发热现象，严重的有可能烧毁。

如果传感器总是显示85°C，可以首先判断是否接反，如果不是因为接反的缘故，那么可以检查DS18B20的引脚GND是否悬空，悬空，则无法转换温度。

（2）在使用C语言等高级语言对DS18B20的操作部分进行编程时，最好采用汇编语言。

由于DS18B20的硬件部分较为简单，因此要想实现完善的功能，就需要复杂的软件编程对它进行补偿，并且AT89C52与DS18B20之间是通过串行数据进行出生的，只有在对温度传感器进行读写编程时严格的保证其读写时序，才能读取测温的结果。

（3）温度测量电缆线建议使用屏蔽4芯双绞线，其中一对则接信号线和GND，另一组接GND和VCC，屏蔽层在远端单点接地，因为在测温过程中，当AT89C51向DS18B20发送温度转换指令后，总要等待DS18B20返回信号后程序才会继续执行，如果某个温度传感器断线或者接触不良，该温度传感器在接收到单片机的温度转换指令后就不会发送回返回信号，如此一来，程序会进入死循环。

采用上述接线的方法，可以最大程度上避免此类问题的发生。

（4）在设计使用温度传感器进行长距离测温时，需要考虑阻抗匹配和分布电容的问题，由于总线分布是信号波发生畸变，当使用超过50米的普通电缆线进行传送时，测温数据的读取会发送错误。

当使用双绞线带屏蔽电缆时，其通讯距离一般为150米，当使用的双绞线带屏蔽电缆的每米绞合次数增多时，其通讯距离也会加长。

（5）在介绍DS18B20的外部电源供电方式时，提到过其总线上还可以接多个DS18B20传感器，组成多点测温系统，可是并未说明总线上所挂的温度传感器的数量是否有限制，容易使人误解，其实当总线上所挂温度传感器的数量超过8个时，AT89C52的总线驱动就会产生问题，所以在利用DS18B20组成多点测温