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电子体温计的设计
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电子体温计的设计
滨江学院
毕业论文（设计）
题目电子体温计的设计
院系电子工程系
专业电子科学与技术
学生姓名吴麟
学号
指导教师陶在红
职称讲师
二Ｏ一五年五月八日
电子体温计的设计
吴麟
南京信息工程大学滨江学院滨江学院电子工程系，江苏南京
摘要：
在我们如今的现代化工业的生产当中，温度通常是属于测量以及被控参数，然而随着我们的时代的发展和进步，我们现在的生活、工作、学习还有科研等各个领域都有着单片机技术带来的影响。
它现在已然被当成了一种简便而又高效的辅助工具。
此篇论文介绍了一个以STC89C52型号的单片机为主要控制器的一个电子体温计的设计。
我们选用DS18B20为此次设计的温度传感器，它可以编程是它的最大的特点，不需要那么多的复杂的信号处理以及转换的电路系统，它能能够将搜集到的信息和单片机完成一对一的直接交互，十分的方便，而且它的性能相对很稳定。
在温度传感器感应到了温度之后，会将信号传送到单片机中，处理单元将控制我们的LCD1602数码管实时显示。
而且所测到的温度一旦超过了我们事先设定好的温度上下限的话，它的蜂鸣控制系统会发出警示声音。
此系统能够迅速而又精确地测量人体的实际温度，和我们的传统水银玻璃体温计相比，具备读数容易明显，精确度较高，测量耗时较短等等优点。
【关键词】DS18B20型温度感应器；电子体温计；STC89C52型单片机；显示屏LCD1602
Designofelectronicthermometer
LinWu
DepartmentofElectronicEngineering，Binjiangcollege，NUISTNanjing
Abstract:
Thethermometerisessentialnecessitiesinpeople'slives，andsingle-chiptechnologyasaneffectivetoolisappliedinvariousfield,suchasliving,working,andresearchinginvariousfieldswiththedevelopmentofsociety.AelectronicthermometersystembasedonSTC89C52isdesignedinthispaper.DS18B20asanewtypeofprogrammabletemperaturesensorisusedtomeasuretemperature,whichcanrealizethedataacquisitionandprocessingwithoutcomplicatedsignalprocessingcircuitandtheA/Dconversioncircuit.Itiseasytoachievehighaccuracyandstableperformance.SensorDS18B20hasmeasuredthetemperature,andthenthesignalsaresenttotheSTC89C52.FinallytheLCD1602displaythedatesbycontrollingofSTC89C52.Itcanalarmifthetemperatureistoohigh.Thissystemcanquicklyandaccuratelymeasurethebodytemperature,comparedwithtraditionalmercuryglassthermometer,andhastheadvantagesofeasyreading,shortmeasurementtime,highmeasurementaccuracy.
【Keywords】DS18B20;DigitalThermometer;STC89C52;LCD1602
1引言
如今的单片机智能化仪表已经成为了仪表测量的进展趋向。
我们现在的生活都离不开单片机，例如现在医院、家庭到处都可以见到的数字温度计，出于使人们的需要更能得到满足的目的，数字体温计现在正在一步一步的更新换代。
温度的测量在进行物理试验、医疗卫生的检测、食品的生产等方面有着十分重要的意义。
目前所使用的温度计还有许多都是用分辨力在1℃～℃的水银、煤油或酒精为测温材料的温度计。
这些个温度计它们的刻度之间的距离经常都很紧密，不方便正确的辨别，读数也是一个难题，并且它们的热容量都很大，到达热平衡所需要花费的功夫都比较长，因此很难读准，使用起来非常的不方便。
本篇文章的设计当中介绍的数字体温计，与传统的温度计相比，具备读数容易，测温限度大，测温精确等长处，我们用数字显示来表示所测到的温度值，适用在测温要求精准的地方，或者用在科研实验中。
温度计发展很快，一开始使用的是玻璃管温度计，到现了如今热电阻温度计、热电偶温度计、半导体集成数字温度计等等都各式各样的发展了起来。
在我们的电子温度计这块里面，它的最主要的成分就是它的传感器了，一个温度计的精度大小、能测范围及控制范围的大小和用途等等都是由它的精度和灵敏度来决定的。
温度传感器现在以及遍及到了各个领域，现在的新式传感器已经有着各式各样的种类，形成了一个性能非常优良的这样的一个温度监控系统。
体温测量的历史，从l6世纪就开始了。
当时的Saatorio运用空气热膨胀原理，制造出第一支用于测量口腔温度的体温计。
本世纪最初使用的是水银来制造温度计，如今水银温度计的使用十分的普遍。
根据我们调查的的在1928年Ebstein所提到的报告当中，那个时候的体温计不仅能测量口腔和腋下的温度，还能测出颈部、直肠、大腿的根部，外耳以及尿温。
它测量的原理是被测量的皮肤温度等于球体内的水银的温度。
由于水银体温计用起来十分的简易便利、精确度高，所以它的使用是很普遍的。
然而它的测温方式和内部构造都趋于成熟，没有在需要改造的必要了，人们慢慢的对水银温度计的研究失去了兴趣，到了现在就更加没什么改良以及发展了。
我们在使用水银温度计测温的时候还是不怎么方便，还有水银容易造成非常有害的污染，然而为了我们更加准确的测量我们的体温，激发了人们研究各种不同测温仪器和测温方法的兴趣，从而取代水银温度计，不可否认水银体温计目前依然是一个精度高、便宜、便于测量的测温仪器。
当前电子体温计已然被多家医院所选用，利用别的电子测量仪器来测量我们的体温也变得越来越普遍了。
这件事说明电子测温器件的性能甚至能够取代了传统的水银温度计。
水银体温计里的水银污染很大，又不方便携带，还容易碎掉，所谓我们设计了电子式的温度计来解决这些个问题。
它的高稳定性和较短的测量时间跟水银体温计比起来有明显的长处，并且它的精度又高，跟水银温度计的测量值相差很小。
本文主要内容：
本文包括了体温计设计的系统设计、硬件电路、软件系统的设计以及调试和测量等几个模块，着重介绍温度传感器以及单片机电路，通过系统方案的论文来确定合适的器件选择，然后按要求进行电路的设计，最后进行一下系统的调试。
2系统设计
任务要求
我们设计此系统的目的是用作体温的测量，它能够很快的测量出我们人体温度，而且它具有实时性，随时随地的准确地显示当前的体温状态。
和水银温度计对比一下，我们可以明显的读出当前的温度示数，很方便快捷，而且其准确度很高，所消耗的时间很短，甚至有记忆的功能，方便我们的温度对比与查看分析，同时如果温度高于或低于了我们预先设置范围的换，它的蜂鸣装置会发出报警的声音。
我们设计的体温计测温范围应为35°C~42°C，误差要保持在±°C之间，如果温度查过了38℃的话，报警系统会发出报警提示，我们的显示是选用LCD数码显示，能及时地检测较宽范围的温度，数据的显示要明显。
设计思路
我们这次设计的这个电子体温计，主要的控制器件为STC89C52型单片机，我们用来设计体温计的传感器是美国半导体公司DALLAS生产的DS18B20型号的温度传感器。
此传感器测量幅度为35°C~42°C，有±°C的测量误差。
在温度不正常的情况下或者所测温度不在我们预先设置的限度内时，蜂鸣器会立刻报警。
我们主要提到的一些研究内容有熟悉电子体温计的工作原理以及它主要的内部构造，研究一下国内外对温度计的发展历史。
DS18B20传感器控制和STC89C52单片机主控制器[12]是我们本文主要的研究对象。
系统设计
为了满足系统的三个需求：
（1）实时温度检测。
（2）数据能够清楚的显示与读出。
（3）温度的改变的曲线要能及时的描述出来。
下面是我们设计电子体温计系统的主要组成部分：
（a）.温度采集模块。
（b）.显示模块。
（c）.串口通信接口模块。
（d）.核心系统模块。
方案设计与论证
方案一：
这个电子体温计的设计如图1所示，在测温电路中用选用热敏电阻来感测温度的变化情况。
我们把因为温度变化引起的感应电压与电流通过模数转换，用单片机对电压及电流的变化进行加工处理，之后得到的数据通过显示电路系统把它给显示出来。
然而用热敏电阻测量温度需要的时间较长，不利于我们快速的得到我们需要的温度值。
图1以热敏电阻为基础的电子体温计系统框图
方案二：
红外体温计是一种非接触的方式，是种高端技术，它是近几年才发展起来的。
它的红外线的感应器器能采集到人的红外辐射，经模拟和数字之间的转换之后，送到单片机里面来处理收集到的信息，显示电路就能够吧数据显示出来。
然而这个方案制作成本高，所需要的时间比较长，最主要的是硬件电路与软件程序设计起来复杂。
因此通过上述的分析，这次的设计我们采用方案三来设计电子体温计：
将温度传感器作为我们的温度采集模块，通过单片机处理输出到显示器，此方案方便快捷，对外部条件的要求低，下面来介绍一下第三方案的内容：
系统框图
下面是方案三的系统框图：
图2电子体温计的系统框图
3硬件电路设计
硬件原理图
所设计的原理图如下图所示：
图3电子体温计的总原理图
该原理图包括：
18b20温度传感器模块，电源模块，按键电路，单片机主控电路，报警电路，显示电路几个模块，下面介绍一下其中的几个主要部分。
测量单元
下图为温度传感器测温电路图：
图4传感器DS18b20原理图
DS18B20温度传感器[1]接线很简单，拼装以后形式多样，能在多种场所中使用，比如说管道型的，螺纹型的，磁铁吸附型的，不锈钢封装型的，型号也很多，比方说LTM8877型，LTM8874型这些都是它的子型号。
主要是跟应用的场合不同改变它的外观。
封装完了以后的DS18B20适用于电缆沟的测温，锅炉的测温，机房的测温，农业大棚中的测温，洁净室里的测温，弹药库的测温等等各种各样的场合。
并且它的抗磨损性强，体积小，便于我们的使用，有各种各样的封装的方式，能放在一些窄小的空间里面，不便于我们直接接触的空间领域。
图5DS18b20引脚图
下面概括一下DS18B20的主要特性：
（1）测量的电压范围的限度可以更大，能够达到～之间，既支持数据线供电方式，也支持寄生电源的方式供电方式；
（2）DS18B20还有一些独特的功能，这些功能里面的一个是它能支持多点组网，可以把多个DS18B20并联在我们为一个的三线上，从而使得能够在多处测量温度，提高了它的准确性；
（3）它还有着单线接口方式的特性，在和与微处理器连接的时候，我们只需要用一条接口连接线就可以完成微处理器与DS18B20的双向的通讯；
（4）它可以在不需要其他的外部的元件就可以独立的工作，它的本身的集成型的电路已经包括了全部的感应元件以及所需要的转换电路；
（5）测温范围在－55℃+125℃，在-10～+85℃的时侯精度在±℃左右，它的固定测温误差为1℃；
（6）我们用来编程的可分辨率有9～12位，可分辨对应的温度是℃、℃、℃和℃，因此使得测量温度的时候提高了准确度；
（7）9位分辨率时把温度解析成数字的时候，最多只需要，在12位分辨率的时候，我们把温度值转换成为数字时，最多只在750ms内，所用的时间更短；
（8）用串行的方式可以把所测到的温度变成准确的数字形式，CPU支持"一线总线"，还能传送CRC检验码，甚至还有很强的抗干扰纠错的能力；
（9）如果我们把电源的正负极给接反了的话，芯片不会因此而发热，也就不会被烧坏了，但是之后就不能正常的工作了，这就是它的负压的特性。
DS18B20应用范围：
1.冷藏仓库、存储仓库、电子通讯房、电力通信机房、电缆沟槽等测温和测控领域都可以使用。
2.轴缸型的物体、纺织机等狭小的空间工业型设备的测温与控制。
3.汽车里的空调系统、电冰箱、冷藏盒等地方。
4.测量供热与制冷管道的热量，测量中央空调分户热能，工业领域的测温与控制等等领域。
DBS18B20存储器：
高速暂存器RAM和可电擦除存储器RAM为DS18B20的两个储存器，可电擦除式的RAM包含温度触发器TH和TL，还有一个配置寄存器。
存储器有着可以确定一线端口通讯的功能，最开始寄存器的命令用数字化的方式给写到寄存器里，读寄存器里的命令可以用来确认一下这些写进的数字。
确认完了将这些数字用复制寄存器里的命令输入到可电擦除的RAM当中。
在修改寄存器中的数时，这个过程我们在修正寄存器里面的数据时可以保证这些数据的完整性。
高速暂存器RAM是将八个字节的存储器所组合起来的。
当读寄存器的命令工作时，它能够会读出来第九个字节，这个字节是为了对钱八个字节进行一下检验[6]。
DS18B20选用一线通信的接口。
一线通信接口务必要先把ROM的设定给完成，不然的话记忆和控制功能会失效。
我们下面要讲的是几个主要的命令功能：
一：
读ROM，二：
ROM匹配，三：
搜索ROM，四：
跳过ROM，五：
报警检查。
这些指令的发出与接收都是在没有一个器件的64位光刻ROM序列号上完成的，在一线上面能够多个元件选用某一个元件，而且，总线也知道上面的元件是哪种，有多少个。
如果对DS18B20发出的指令顺利做完了的温度测量，那么数据就会被存放在DS18B20的存储器里面了。
某一控制指令指示使DS18B20通过演示来测量温度。
测完了的数据放在它的内存里面，并发出带有记忆能力的控制指令可以随时来读取存储器里面记录的数据。
我们的温度报警器TL与TH共同具有的一字节数据是EEPROM。
假定我们不用DS18B20的报警指令D，那么可以将这些个寄存器当做平常的带有记忆能力的工具。
在片上另有让字节怎么用更好的方法完成温度与数字的转换这么一个功能。
我们用一个带有记忆功能的指令来编TH和TL的指令以及选配它的字节。
经过缓存器读寄存器，我们都是最先从最低位读写所有的数据[5]。
DS18B20重要的数据部分具有四个：
（1）我们在生产之前事先刻好光刻ROM中的64位序列号，这个序列号被当成DS18B20的地址代码。
它的光刻ROM布列为：
这个产品的类型标识是最先的那8位，后面的48位是这个DS18B20本体的序列号，循环冗余校验码是最后的那8位。
这个光刻的ROM的目的是为了使DS18B20各不相同，避免重复的干扰，因此可以让多个DS18B20并联在同一个总线上面了。
（2）DS18B20里面的温度传感器可以用来实现温度的测量，例如12位的转换是将16位符号转成二进制补码采用读数的方法完成，用℃/LSB的方式显示，其中的S是符号位。
DS18b20工作原理：
图6DS18b20测温原理图
DS18B20的工作原理跟DS1820差不多，只是根据分辨率不一样，得到的温度数据的位数不一样，并且它的温度转换需要的延时的时间从2s降到了750ms。
DS18B20测温原理如上图4所示[2]。
温度几乎对上图中的低温度系数晶振振荡频率没有什么影响，所以我们吧它产生的频率当做常态，我们把它发出的固有频率的脉冲信号传送到计数器1中。
然而温度对高温度系数的振荡频率的影响很大，它发出的频率脉冲传给计数器2。
我们将计数器1以及温度寄存器先设置在了-55℃对应的一个值。
计数器1用减法计数的方式对低温系数晶振的脉冲进行计算，如果计数器1预置值减到了0的时候，温度寄存器值的结果加1，之后重置计数器1中的值，重新计数低温度系数晶振的脉冲信号，就这样一直的循环下去，直到计数器2的值减到了0的时候，温度寄存器值的累加就此截止，此时我们得到的温度测量值即使我们通过累加得到的温度寄存器里面的值了。
上图的斜率累加器是用作改正我们在测温进程时的非线性问题，它用作修改计数器1中的预置值。
DBS18B20应用[4]注意事项：
即使它有着简易的测温系统、比较高的测温精确度、很方便的连接方式、口线的占用少等长处[3]，然而我们在现实情况的使用中也应当要注意以下几个问题：
1、较弱的硬件条件需要复杂的系统来进行弥补，因为DS1820和微处理器间采取的是串行数据传送，所以，当对DS1820进行读写编程的时候，程序的读写时序要严格按照要求，不然读不出我们的测量结果。
当我们使用一些高级语言来对系统程序进行设计的时候，最好的方式是用汇编语言来编写DS18B20的程序。
2、我们的很多资料都没说明总线可以放置多少个DS18B20传感器，很容易让人产生可以挂任意个18b20的错误认知，其实在实际应用中并不是这样的。
要是我们挂的传感器超过了八个的话，微处理器总线的驱动就会产生问题，所得到的数据就会不准确，我们要多注意这些问题在我们进行用多点方式测量温度的时候。
3、用来连接DS1820传感器的总线是有长度的限定的。
在测试的时候，当用普通的信号线传输超过了50m的话，测温的数据会发生错误。
如果把总线的电缆换了成双绞线带屏蔽电缆的话，正确的通信的距离能够达到150m之远，假如选用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆的时候，正确的通信距离还能再加长。
这是因为总线里电容的布列会让信号波形发生改变。
所以，我们使用DS1820传感器来进行远距离测温系统的设计的时候，应该要密切的注意总线的电容的布列和匹配的阻抗的问题。
4、当进行对DS1820的测温程序设计时，每次对DS1820发出温度转换指令，程序总会要等待它信号的返回，如果其中的一个DS1820发生的接触和断线的问题，在程序读到DS1820时，就会没有返回信号了，从而程序一直死循环下去。
我们在设计程序和电路连接的时候一定要多多注意一下。
测温用的电线我们提议采取屏蔽式的4芯双绞线，其中的一对线接地线和信号线，另一对接地线和电源处，接地用屏蔽层。
主控单元
下图为单片机STC89c52电路图：
图7STC89c52电路图
STC89C52是INTEL公司生产的[7]，它是由ATMEL公司用CMOS工艺技术制造而成的具有高性能的8位单片机，属于标准MCS-51系列的高端产品。
它不仅拥有CMOS的高速和高密度技术，更有着CMOS功耗低的特点，它的基础是在MCS-51单片机体系结构和指令系统上建立的，是89c51单片机的一个加强版，它有着时钟的输出和向上或者向下的计数器等89c51所不具备的特点。
STC89C52单片机内部构造为：
八位的中央处理器、512字节的内存储器RAM、8k的片内存储器，16对双向型的输入、输端口，3个16位定时计数器以及5个两级的中断，一个信号双向传输端口，一个内部的时钟振荡电路。
不仅如此，89C52在低功耗的形式下面持续工作，可以选择空闲或者掉电模式通过两种软件的程序命令。
当选择空闲模式时CPU停止工作，但是RAM定时器、串行口和中断系统则继续工作。
当选择电的模式时，RAM数据被储存，时钟振荡关闭，芯片内的其它功能无法使用[8]。
STC89C52属于CMOS微小型控制器件，它不仅性能很高，而且功耗又低，还有着可编程的Flash存储器，数据容量为8K。
因为STC89c52可以直接在板子上面烧写程序，还有高机灵的cpu，因此可以在单个的芯片中可以放入多个控制器来管理控制我们的系统。
下面是STC89c52的几个基本功能：
512字节的RAM，8k字节的Flash，32位的I/O口线，，MAX810复位电路，内置4KBEEPROM，三个16位的计数器/，单个6向量2级中断结构，双向传输端口，三个16位计数。
除了这个之外，静态逻辑操作是STC89X52下减到0Hz，支持两种。
最高的工作频率35Mhz，6T/12T（可以选择）[10]。
图8单片机STC89c52引脚图
STC89c52的主要参数：
1.属于8051单片机的增强型，可以随意的选用6时钟/机器周期和12时钟/机器周期，指令代码与8051单片机兼容
2.工作电压：
5v的单片机是～，3v的单片机是～
3.工作频率：
0～40MHz，显示情况下的工作频率可以达到48MHz
4.用户应用程序空间为8K字节
5.片上集成了512字节的RAM
个I/O端口，复位之后是P0，P1,P2,P3,P4...，位准双向口、弱上拉，漏极开路输出口为P0，若当做总线扩展时，不需要增用拉电阻，不过在用作I/O端口时，必须增加拉电阻。
7.具有在系统可编程和在应用可编程功能，无需专用编辑器，无需专用仿真器，程序能在串口直接下载，几秒钟就可以做完一片了
8.具备EEPROM功能
9.有3个16位的定时计数器。
那就是T0、T1、T2定时器
10.有4个电路是外部的中断，当在下降沿中断或低电平时会触发电路，PowerDown模式下能够通过外部中断低电平，触发中断电路的方式唤醒
11.通用的异步串行口，还能用定时器程序实现多个异步串行口
12.正常工作温度：
工业级别下-40～+85℃，商业级别下0～75℃
封装
显示单元
LCD1602显示电路图如下图所示：
图9LCD1602电路图
在1602型液晶上面，数字、字母以及符号等的以点阵方式液晶模块可以再它上面显示，能够显示一个字符，它的实现是通过每个点阵字符位来的，并且它是由许多5X7或5X11等的点阵字符位组成的。
在每一位的中间都会有一个点距的间隔，在每一行的中间也会有间隔，它可以看成是字符间距与行间距。
1602LCD的意思是指显示内容能显示出每行16个字符的液晶模块，可以显示两行。
LCD1602液晶显示它的内容很丰富、体积又小、而且功耗又低、超薄又轻便，经常使用在微型仪表和低功耗应用系统当中[11]。
图10LCD1602引脚图
1602LCD的基本参数及引脚功能[14]：
1602LCD有两种：
带背光式和不带背光式。
HD44780作为大部分的基础型的控制器，背光式1602LCD比不带背光式的厚，其实带不带背光在实际的应用中没有差别，下图11为两者的差别：
图111602LCD尺寸图
1602LCD的主要技术参数：
芯片的显示容量:
16×2个字符
芯片的工作电压:
—
芯片的工作电流:
模块最佳工作电压:
1602LCD字符的尺寸:
×（W×H）mm
引脚功能说明：
1602LCD选用的是14脚的无背光式或16脚的带背光式的接口，它们各个的引脚的介绍如下表1所示:
表1：
引脚接口说明表
编号
符号
引脚
编号
符号
引脚
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
升级会员 