数字体温计电路系统的研究与设计.docx

1、数字体温计电路系统的研究与设计摘 要数字温度计(Digital Thermometer) 简称DTM，它是采用数字化测量技术，把连续的温度值转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的温度计功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字温度计，由于精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便得到广泛的应用。本检测系统硬件设计以AT89S51单片机为核心，用温度传感器DS18B20实现测量温度，用LED管显示实际温度和预设温度，制作数字体温计，并可以实现温度报警。单片机系统的软件编程采用单片机汇编进行编程。正文着重给出软硬件系统的各部分电路，介绍STC89C52单片机功能和应

2、用、集成温度传感器DS18B20的原理。与传统的温度计相比，此设计所介绍的数字温度计具有读数方便，测温范围广，测温准确等优点，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。温度控制系统是基于单片机的计算机检测技术的软硬件开发和面向对象的高级可视化程序开发的有机结合。对温度控制的发展有很大的好处。如果投入生产，不仅会创造良好的经济效益，还可提高温控的简单化。本文围绕单片数字体温计集成电路的设计研究开发 对涉及到的相关技术 理论和方法进行了深入的研究讨论 给出了电路的详细设计过程 并结合实际工作方面的经验 给出了工程设计上的一些指导思想和原则关键词：单片机； 数字电子体温

3、计；DS18B20 ；蜂鸣器 ；串行通信 ；仿真ABSTRACTDigital thermometer (Digital Thermometer), hereinafter referred to as DTM, it is the use of digital measurement technology, and continuous temperature value converted to a non-continuous, discrete digital form, and displays them. Traditional thermometers features a si

4、ngle, accuracy is low, can not meet the requirements of the digital age, using single-chip digital thermometer, due to the high accuracy, high anti-interference, scalability, and integration to facilitate a wide range of applications. The detection system hardware design AT89S51 microcontroller as t

5、he coremeasure temperature using the temperature sensor DS18B20, the actualtemperature and preset temperature display with LED tube, the production of digital thermometers and temperature alarm. SCM system software programming microcontroller assembly programming.Body focused on hardware and softwar

6、e systems to various parts of the circuit, STC89C52 SCM functions and described applications, integrated temperature sensor DS18B20. Compared with traditional thermometers, the design described in the digital thermometer temperature measurement with reading, easy to use, accurate temperature measure

7、ment in a wide range of advantages, its output temperature with digital display, it is mainly used to compare accurate temperature measurement places, or research laboratories. This paper analyzes and discusses the technique, principle and method corresponding with the design and manufacture of digi

8、tal one-chip clinical thermometer. It also gives the directive method and ruler of engineering design.Keywords: digital electric clinical thermometer； DS18B20；Serial communication ；simulation摘要 -1 1.1体温计的发展和现状- 1.2本论文研究和解决问题- 1.3本论文的主要内容- 第一章小结-第二章 系统设计指标- 2.1概述- 2.2功能特点和说明- 2.3电气指标- 第二章小结- 第三章小结- 3

9、.3.1 温度检测技术的发展- 3.5 系统整体电路框架设计- 第四章小结- 第五章小结- 第六章小结-致谢第一章 绪论1.1 体温计的发展与现状温度是存在于客观世界的一个基本物理量，它与人类的生活和生存有着密切的联系。 早期人类对温度的认识只能处于自身感知器官去定性地感知它的存在 。长期以来人类一直通过各种努力来认识温度、 表达温度 ，但都没有很好的方法实现 ，直到十七世纪， 随着物理学的兴起 ，人类认识温度的努力才有了突破性的进展 。随着人们生活水平的不断提高,人们对温度计的要求也越来越高，要为现代人工作、科研、生活提供更好的更方便的设施就需要从单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控

10、制方向发展。温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学试验（如：物体的比热容、汽化热、热功当量、压强温度系数等教学实验）中，有特别重要的意义。现在所使用的温度计通常都是精度为1和0.1的水银、煤油或酒精温度计。这些温度计的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，并且使用非常不方便。本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确等优点，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。目前温度计的发展很快，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

11、偶温度计、数字温度计、电子温度计等等，温度计中传感器是它的重要组成部分，它的精度、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。传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型传感器。但是，作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器，并与自己设计的系统连接起来，从而构成性能优良的监控系统。1.2本文研究和解决的主要问题本论文在借鉴他人研究成果的基础上， 借助当代相对成熟的数字信号处理理论和微电子技术，针对温度测量的数字化、灵敏度以及精确度上完成数字体温计的设计，电路功能设计完成后，仍需解决可测性 、可靠性和低功耗是其中较为突出的问题。随着电路规模的日益增大 功能由过去单一功能向

12、片上系统发展 ，如沿用传统的测试模式 不但测试时间太长 、成本和产量无法接受 ，还由于引出管脚有限而使测试覆盖率达不到要求 本文通过在电路设计中增加一些专用测试单元 采用混合测试模式较好地解决了测试效率和测试成本的矛盾可靠性是关系到设计的电路能否真正投入实际使用的关键问题 本文在综合各种可靠性因素前提下 重点对 Latch-Up ESD 等主要因素进行了分析 并提出增加隔离环和保护电路等适合本电路的具体解决办法。1.3 本论文的主要内容第一章首先回顾了温度测量的发展历史和现状， 指出目前产品尚存在测量精度不稳和价格过高等问题。 随着人们生活水平的提高 ，人们希望开发出更小、更准、 更方便的体温

13、计， 本课题从这一需求出发， 借助目前高度发展的微电子技术和相关的数字信号处理理论基础， 结合市场预测的可行性 ，借鉴以往的和其他类似电路开发的经验， 提出开发单片数字体温计电路这一课题。第二章从方便用户使用和提高市场竞争力的角度出发， 对所设计的电路提出了具体的电路设计指标 、总体功能 、人机界面和工作流程等要求。第三章第四章第五章第六章第一章小结:回顾了人类测量温度的历史过程以及体温计产生和改进的历程 ，指出了目前电子体温计的不足之处 。列举了论文中主要解决的问题并对整个论文的主要工作作了介绍。第二章 系统设计指标2.1 概述课题设计的电路是一种电子体温计电路 ,本着使用方便 ,测量准确

14、，成本低廉的设计原则 ，通过液晶数字显示器显示测量的体温值 ，具有闹音提示和自动断电功能， 也可以通过外部开关来开/关机 ，电路内部具有倍压电路 LCD、 驱动电路 、查表电路 、低压报警电路 、闹音发生电路等模块 、电源工作电压 1.5V。2.2功能特点和说明特点：采用 3coms*10segs的 LCD 模式驱动 测量范围-55+125 测量温度误差0.5 精度为 0.1 高温储存功能 每次测量时显示一次上次所测量温度值8 分 40秒自动断电功能 低高温报警功能 静态工作电流 1mA功能说明： 功能说明流程见1. 开关键 PSW用来开关电源2. 当按下 PSW键时 产生 0.125秒的 b

15、eep 声3. 显示所有的 SEG段 2秒4. 显示上次测量温度值 2 秒5. 显示 L 1 秒6. 显示目前所测量的温度值 并且 开始以 1Hz 的速度闪烁7. 如果所测温度小于 32 则显示 L 如果所测量温度大于或等于 42则显示 H 显示的值为测量期间的最大温度值8. 如果 16 秒内所测温度值不变化 则测试结束 同时 停止闪烁9. 测量结束后 如果测量的温度高于 37.5 则闹音器发出 beep-beep-beep- beep-beep-beep- 的声音 4 秒 12 声 如果不高于 37.5则闹音器发出 beep- beep-beep-beep- 的声音 4 秒 4 声 在闹音器

16、发声的 4 秒期间 不进行温度测量10. 测量结束后 如果在 8 分 40 秒内温度没有升高 电源将自动关闭 如果在 8 分 40 秒内温度升高 则符号 将重新开始闪烁 即再来一次测量过程 从第 6 步开始11. 当电池电压较低时 低压报警符号 s 将以 1Hz 的速度开始闪烁 这时所测量的温度值可能不准确 设计的低压报警电压为 1.35V0.05V12. 产品调试过程中 将管脚 TEST2 悬空可以调试参考电阻 Rf的值 此时测量到的温度值就是测量环境的确切温度值 即测量显示的温度值可以升高 也可以降低 而并非总是较高的温度值2.3 电气指标 第二章小结：本章主要介绍了设计中软硬件参数及电气

17、指标第三章 总体设计方案3.1 数字体温计设计方案论证方案一测温电路设计选择可以使用热敏电阻之类的器件，利用其感温效应，将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，然后用单片机进行相关数据的处理，并将被测温度在显示电路上显示出来，由于这种设计需要用到A/D转换电路，热敏电阻的成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，测温准确度低，检测系统也有一定的误差。方案二 我们同样很容易考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，传感器的使用非常普遍，采用专用的集成温度传感器（如AD590、LM35/LM45）和数字化温度传感器（DS18B20、DS1620）测温，数字化温度传感器具有接口

18、简单、直接数字量输出、精确度高等优点。DS18B20是DALLAS公司的最新单线数字温度传感器，它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，它的测量温度范围为55125，在1085范围内，精度为0.5，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，DS18B20支持35.5V的电压范围，使系统设计更灵活、更方便、更便宜、体积更小。DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5，分辨率设定及用户设定的报警温度存储在E2P

19、ROM中，掉电后依然保存。因此，本方案选用DS18B20作为温度测量传感器。在选择显示模块时可以选择四位LED数码管显示和1602液晶显示，但是1602具有显示字符多而且更直观所以选择1602作为显示模块。从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二。采用数字温度芯片DS18B20 测量温度，输出信号全数字化。采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和STC89C52单片机构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,也可直接与计算机连接。采用STC89C52单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体

20、积小，硬件实现简单，安装方便。该系统利用STC89C52芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限温度。该系统扩展性非常强。该测温系统电路简单、精确度较高、实现方便、软件设计也比较简单。温度计电路设计总体设计方框图如图所示，控制器采用单片机STC89C52，温度传感器采用DS18B20，用1602实现温度显示，同时蜂鸣器作为报警电路。方案二的总体设计框图 图1总体设计方框图3.2 功能要求1、基本范围-55+125；2、精度误差小于0.5；3、1602液晶直读显示；4、可以任意设定温度的上下限报警功能；3.3设计思路首先确定课程设

21、计的目标是设计一个数字温度计，由单片机和温度传感器及其它相关部件共同实现。然后根据所要实现的功能，首先在Proteus软件上进行仿真。根据所选用的硬件可以将整个软件设计分为若干个模块子程序，有初始化、查询时间、发送指令、读取数据、显示温度等构成，可将以上子程序分别设计，实现各自的功能，再在子程序中调用，就可以实现预期的目标。最后在Proteus软件里画出相应的电路图，将编写好的程序编译后的文件下载到Proteus电路图的单片机里，进行仿真，并对温度传感器设置不同的参数，检验是否达到了本设计所要求的目标，若不符合要求，需要重新检查程序算法和硬件连接是否有误。若仿真成功，则依照仿真电路图进行硬件连

22、接。最后在硬件上进行调试并实现预定设计功能。第三章小结： 本章主要讨论了数字温度计方案的优化选择，设计出整体方案框图，提出设计需要实现的功能，并详细介绍了该方案设计的整体思路。第四章 电路系统设计4.1 单片机概述4.11单片机简介当今在全世界范围内，已经形成了以计算机（Computer）、通信（Communication）和消费类电子(Consumptive Electron)三足鼎立的发展新格局，而作为一名21世纪的工科大学生，无论是从事科学研究工作，还是开办电子电器制造企业，抑或是经营电子元器件贸易，不仅要求熟练地使用通用计算机进行各种数据处理，还要求把计算机技术运用到本专业领域或相关领

23、域，即具有“开发”能力。单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)，随机存取数据存储器(RAM)，只读程序存储器(ROM)，输入输出电路(I/O口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路(LCD或LED驱动电路)，脉宽调制电路(PWM)，模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。由此来看，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是

24、单片机最大的特征。正是因为单片机功能之强大，应用范围之广，因此我们更要努力的掌握它。4.12单片机的应用单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：1、 在智能仪器仪表上的应用2、 在工业控制中的应用3、 在计算机网络和通信领域中的应用4、 在家用电器中的应用5、 单片机在医用设备领域中的应用4.1.3单片机STC89C52STC89C52是宏晶公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用宏晶公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及

25、引脚，它集Flash存储器既可在线编辑（ISP）也可用传统方法进行编辑及通用8位微处理器于单片芯片中，功能强大STC89C52单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。器管脚图如图 STC89C52管脚图1 、 STC89C52的性能(1) 高速：一个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快8-12倍；(2) 低功耗设计：空闲模式，掉电模式（可由外部中断唤醒）；(3) 工作频率：0-35MHZ，相当于普通8051的0-420MHZ；(4) 时钟：外部晶体或内部RC振荡可选，在ISP下载编程用户程序时可设置(5) 12K/10K/8K/6K/4K/2K片内Flash程序存储器，擦下

26、次数10万次以上；(6) 512字节片内RAM数据存储器；(7) 芯片内EEPROM功能；(8) ISP/IAP在系统可编程/在应用可编程，无需要编程器/仿真器；(9) 2个硬件16位定时器，兼容普通8051的定时器。4路PCA还可以实现4个定时器；(10) 硬件看门狗（WDT）；(11) 高速SP通信端口；(12) 全双工异步串行口（UART），兼容普通8051的串口；(13) 先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，84个8为通用工作寄存器（共32个通用寄存器）；2 、 STC89C52的引脚功能 STC89C52的功能除了上述与如同8051单片机不同外其余大部分都是相同的，有许多特殊功

27、能而我们也并未用到过，下面介绍STC89C52的常用引脚及功能。(1) P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 (2) P1 口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P