柯睿医用数字温度计的设计 精品.doc

医用数字温度计的设计0引言随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，温度传感器DS18B20具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、使用方便等优点，广泛应用在日常生活中温度的测量和控制。传统的温度计有反应速度慢、读数麻烦、测量精度不高、误差大等缺点，本文作者利用温度传感器DS18B20设计并制作了一款基于4位LED管显示的医用数字温度计，其电路简单，软硬件结构模块化，易于实现。1数字温度计的介绍温度是我们日常生产和生活中实时在接触到的物理量，但是它是看不到的，仅凭感觉只能感觉到大概的温度值，传统的指针式的温度计虽然能指示温度，但是精度低，使用不够方便，显示不够直观，数字温度计的出现可以让人们直观的了解自己想知道的温度到底是多少度。数字温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器（如铂电阻，热电偶，半导体，热敏电阻等），将温度的变化转换成电信号的变化，如电压和电流的变化，温度变化和电信号的变化有一定的关系，如线性关系，一定的曲线关系等，这个电信号可以使用模数转换的电路即AD转换电路将模拟信号转换为数字信号，数字信号再送给处理单元，如单片机或者PC机等，处理单元经过内部的软件计算将这个数字信号和温度联系起来，成为可以显示出来的温度数值，如25.0摄氏度，然后通过显示单元，如LED,LCD或者电脑屏幕等显示出来给人观察。这样就完成了数字温度计的基本测温功能。数字温度计根据使用的传感器的不同，AD转换电路，及处理单元的不同，它的精度，稳定性，测温范围等都有区别，这就要根据实际情况选择符合规格的数字温度计。2 DS18B20温度传感器2.1 DS18B20温度传感器的主要特性（1）适应电压范围宽，电压范围：3.0-5.5V，在寄生电源方式下可以由数据线供电；（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测量。（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，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；（5）温度范围-55+125，在-10+85时精度为0.5；（6）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5，0.25，0.125，0.0625，可以实现高精度测温；（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；（8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可以传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因为发热而烧毁，但是不能正常工作。2.2 DS18B20的内部结构及工作原理DS18B20的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，配置寄存器。DS18B20的测温度原理如图（Fig1）所示。图中低温度系数晶震的震荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶震随温度变化其震荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度积存器被预置在-55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶震产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预制将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行技术，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。LSB置位/清除斜率累加器高温度系数晶振预置比较低温度系数晶振计数器 1预置加1停止温度寄存器计数器 2=0Fig1 DS18B20测温原理框图3 医用数字温度计的设计3.1 医用数字温度计的设计标准与要求1、基本范围-501102、精度误差小于0.53、LED数码直读显示3.2 整体设计方案按照系统设计功能的要求，确定系统由4个模块组成：温度检测部分、按键控制部分、报警部分和显示电路。温度计电路设计总体设计方框图如图（Fig2）所示：温度检测部分按键部分AT89C2051单片机控制器报警部分LED显示部分扫描驱动电路Fig2总体设计方框图3.3 各模块基本功能与设计方案设计与论证系统由单片机最小系统、显示电路、按键部分、温度传感器等组成，下面我就各个模块进行逐个介绍。3.3.1 单片机最小系统单片机ATC89C2051 具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。晶振采用11.0592MHZ。复位电路采用上电加按钮复位。单片机最小系统的硬件连接如图（Fig3）所示：Fig3 片机最小系统3.3.2温度采集模块的设计与论证(1)方案一 采用二极管做温度传感器晶体二极管或三极管的PN结的结电压是随温度而变化的。例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1时，下降-2mV，利用这种特性，一般可以直接采用二极管（如玻璃封装的开关二极管1N4148）或采用硅三极管（可将集电极和基极短接）接成二极管来做PN结温度传感器。这种传感器有较好的线性，尺寸小，其热时间常数为0.22秒，灵敏度高。测温范围为-50+150。典型的温度曲线如图1所示。同型号的二极管或三极管特性不完全相同，因此它们的互换性较差。(2)方案二 采用LM35做温度传感器LM35是一种得到广泛使用的温度传感器。在使用单一电源时，LM35的一个缺点是无法指示低至零度的温度。据称利用LM35可测出20mV的电压，这一值相当于2（一些情况下甚至可测出02mV的电压！），但要指示零度或更低的温度时，最好还是再提供一个负电源和一只下拉电阻。(3)方案三 采用可编程器件DS18B20做温度传感器DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。 从以上三种方案，很容易看出，采用方案三，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案。DS18B20 可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20 的1 脚接地，2 脚作为信号线，3 脚接电源。为保证在有效的DS18B20 时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET 管来完成对总线的上拉。当DS18B20 处于写存储器操作和温度A/D 转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD 端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。其硬件连接如图（Fig4）所示：Fig4 温度传感器电路3.3.3显示模块的方案设计与论证(1)方案一：采用液晶显示液晶显示器(lcd)是现在非常普遍的显示器。它具有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点。液晶显示器（lcd）的原理与阴极射线管显示器（crt）大不相同。lcd是基于液晶电光效应的显示器件。包括段显示方式的字符段显示器件；矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件；矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。也仅显示虽然方便，但是显示亮度不够，比较模糊，而且需要软件对其进行驱动。方案二：采用LED数码管进行显示LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，以共阴式为例，如把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。当然，LED的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。假如我们将b和c段接上正电源，其它端接地或悬空，那么b和c段发光，此时，数码管显示将显示数字“1”。而将a、b、d、e和g段都接上正电源，其它引脚悬空，此时数码管将显示“2”。数码管不仅价格便宜而且容易驱动，亮度好且比较稳定。其管脚图如图(Fig5)所示： rdebcgaFig5 数码管引脚图显示电路采用4 位共阴极LED 数码管，P0 口由上拉电阻提高驱动能力，作为段码输出并作为数码管的驱动。P2 口的低四位作为数码管的位选端。采用动态扫描的方式显示。具体的硬件连接如图（Fig6）所示：Fig6 显示电路3.3.4报警温度调整按键本系统设计三个按键，采用查询方式，一个用于选择切换设置报警温度和当前温度，另外两个分别用于设置报警温度的加和减。均采用软件消抖。硬件连接如图（Fig7）所示：Fig7 按键电路3.3.5 报警部分本系统提供蜂鸣器、发光二极管电路，当温度超过设置警戒温度时，声光报警。具体的硬件连接如图（Fig8）所示：Fig8 声光报警电路3.4 软件设计3.4.1主程序读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图（Fig9）所示： 3.4.2温度子程序读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图（Fig10）所示 4 调试性能分析和注意事项4.1调试性能分析 系统的调试以程序为主。硬件调试比较简单，首先检查电路的焊接是否正确，然后可用万用表测试或通电检测。软件调试可以先编写显示程序并进行硬件的正确性检验。由于DS18B20与单片机采用串行数据传送，因此，对DS18B20进行编程时必须严格地保证读写时序，否则无法读取测量结果。 性能测试可用制作的温度计和已有的成品温度计来同事测量比较，由于DS18B20的精确度很高，所以误差指标可以限制在0.1以内，另外-55+125的测量范围使用得该温度计完全适合医用的标准。4.2 DS18B20使用中的注意事项 DS18B20温度计还可以在高温报警、远距离多点控制等方面开发应用，但在实际应用中也应该注意以下几方面的问题：（1）DS18B20从测量温度结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间，这是必须保证的，不然会出现转换错误的现象，使温度输出总是显示85。（2）在实际使用中发现，应使电源电压保持在5V左右，若电源电压过低，会使所测得的温度与实际温度出现偏高现象，经过试验发现，一般在5V左右。（3）在DS18B20的有有关资料中未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此，当单总线上所挂DS18B20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需要加以注意。（4）在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号旦某个DS18B20接触不好或短线，当程序读DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环，这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。结论本文设计的数字温度计能测量-55+125的温度值，用LED显示实际测量的温度值。本设计预想可以显示-55+125范围的温度值，可实现温度检测，温度报警等多种功能的医用数字温度计。由于时间关系，有的功能未能实现，有待进一步提高。用DS18B20温度传感器设计数字温度计，应该注意的问题：DS18B20三线制应用时，应将VDD、DQ、GND三线焊接牢固：两线应用时，应将其的VDD与GND接在一起，焊接牢固，若VDD脱开未接，只显示+85.0的温度值。以DS18B20温度传感器的医用数字温度计线路简单、应减少、成本低廉、软件设计简单优点，有着广阔的应用前景。附录:程序源代码#include reg51.h#include intrins.h /_nop_();延时函数用#define dm P0 /段码输出口#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ=P27; /温度输入口sbit w0=P20; /数码管4sbit w1=P21; /数码管3sbit w2=P22; /数码管2sbit w3=P23; /数码管1sbit beep=P17; /蜂鸣器和指示灯sbit set=P26; /温度设置切换键sbit add=P24; /温度加sbit dec=P25; /温度减int temp1=0; /显示当前温度和设置温度的标志位为0 时显示当前温度uint h;uint temp;uchar r;uchar high=35,low=20;uchar sign;uchar q=0;uchar tt=0;uchar scale;/*温度小数部分用查表法*/uchar code ditab16= 0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09;/小数段码表uchar code table_dm13= 0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09,0xff,0xfd,0x00;/共阳LED 段码表0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 不亮 - 全亮uchar code table_dm1= 0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef; /个位带小数点的段码表uchar data temp_data2=0x00,0x00; /读出温度暂放uchar data display5=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00; /显示单元数据，共4 个数据和一个运算暂用/*11us 延时函数*/void delay(uint t)for (;t0;t-);void scan()int j;for(j=0;j0;i-)DQ=1;_nop_();_nop_(); /从高拉倒低DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /5 usDQ=val&0x01; /最低位移出delay(6); /66 usval=val/2; /右移1 位DQ=1;delay(1);/*DS18B20 读1 字节函数*/从总线上取1 个字节uchar read_byte(void)uchar i;uchar value=0;for(i=8;i0;i-)DQ=1;_nop_();_nop_();value=1;DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4 usDQ=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4 usif(DQ)value|=0x80;delay(6); /66 usDQ=1;return(value);/*读出温度函数*/read_temp()ow_reset(); /总线复位delay(200);write_byte(0xcc); /发命令write_byte(0x44); /发转换命令ow_reset();delay(1);write_byte(0xcc); /发命令write_byte(0xbe);temp_data0=read_byte(); /读温度值的第字节temp_data1=read_byte(); /读温度值的高字节temp=temp_data1;temp6348) / 温度值正负判断tem=65536-tem;n=1; / 负温度求补码,标志位置1display4=tem&0x0f; / 取小数部分的值display0=ditabdisplay4; / 存入小数部分显示值display4=tem4; / 取中间八位,即整数部分的值display3=display4/100; / 取百位数据暂存display1=display4%100; / 取后两位数据暂存display2=display1/10; / 取十位数据暂存display1=display1%10; /个位数据r=display1+display2*10+display3*100;/符号位显示判断/if(!display3)display3=0x0a; /最高位为0 时不显示if(!display2)display2=0x0a; /次高位为0 时不显示if(n)display3=0x0b; /负温度时最高位显示-void BEEP()if(r=high&r129)|r128)horl=256-horl;n=1;display3=horl/100;display3=display3&0x0f;display2=horl%100/1