基于单片机体温检测仪系统的设计与实现

基于单片机体温检测仪系统的设计与实现 I In this paper a temperature detection system based on a single chip microcomputer is designed to detect human body temperature display it in digital form and play the detected human body temperature specific value through the mode of voice playback The system is composed of several parts SCM sensor LCD and voice module The hardware structure is designed with the microcontroller STC89C52 as the core It detects the human body temperature through the temperature sensor DS18B20 displays the human body temperature value on the LCD1602 and then plays the detected value through the voice module Part of the system software through the software keil C language program development and design debugging The designed electronic body temperature detector has realized temperature detection digitization and electronization which is of great help to the development of future thermometers The electronic thermometer can gradually replace mercury toxic element thermometers which greatly improves the use value of thermometers makes readings clear and reduces Human body damage safety and environmental protection have further improved the smart life of people Keywords Body temperature detector Electronic STC89C52 microcontroller LCD1602 基于单片机体温检测仪系统的设计与实现 II 目录目录 摘要摘要 I Abstract II 目录目录 III 1 绪论 1 1 1 背景 1 1 1 1 项目背景 1 1 1 2 国内发展状况 1 1 1 3 项目研究内容和要求 2 2 系统分析与设计 3 2 1 系统分析 3 2 1 1 系统流程 3 2 2 概要设计 3 2 2 1 程序流程 3 2 2 2 功能模块介绍 3 3 系统实现 12 3 1 读ROM地址 12 3 2 读取温度 13 3 3 显示温度 14 4 测试结果 16 4 1 测试计划 16 4 2 仿真结果 18 5 总结与展望 IV 参考文献参考文献 V 致谢致谢 VI 基于单片机的体温探测仪设计 1 1绪论绪论 1 1背景背景 体温是人们身体状况的重要指标之一 体温的高低影响着人们的健康状况 会引起一系列的疾病 所以在生病的时候 体温的数值至关重要 而温度检测仪是 人们常用的手段 1 1 1项目项目背景背景 在正常的健康状态下 体温是稳定的 保持在约 36 2 至 37 2 具体的温度 数值产生状况可以区分为 低热 37 4 38 中等度热 38 1 39 高热 39 1 41 超高热 41 以上 体温的变化会影响人们的健康 所以检测体温 就显得非常重要 在现代发展过程中 体温探测器是最重要的手段之一 我们经常 使用的水银温度计就是其中之一 然而 由于包含有毒元素和电子技术的水银温度 计的发展 电子温度计逐渐发展并渐渐取代水银温度计 最早的温度计产生在 16 世纪 由意大利发明家伽利略发明 后来伽利略的学 生和其他科学家 在这个基础上反复改进 华氏温度计诞生了 华氏温度计制成后 又经过 30 多年 瑞典人摄尔修斯改进了华伦海特温度计的刻度 他把水的沸点定 为 100 度 把水的冰点定为 0 度 后来施勒默尔把两个温度点的数值又倒过来 就 成了现在的百分温度 即摄氏温度 用 表示 成为了人们常用方式 在现代技术的高速发展 电子体温检测仪逐步出现发展壮大 渐渐取代普通体 温计 电子体温计由温度传感器 LCD 显示器 和集成电路等电子元件组成 电 子体温检测仪可以快速准确地测量一个人体温 与传统的水银温度计相比 电子温 度检测仪具有读数方便 测量时间短 精度高 记忆性好等优点 特别是电子体温 计不含水银 对人体和环境没有影响 特别适合家庭 医院等场合使用 1 1 2国内发展状况国内发展状况 中国的电子温度计产业起源于 1998 年 发展速度超过 30 并在一年内超过 10 年 利润率 政策壁垒和技术壁垒低一倍甚至 10 倍以上 吸引了大量公司进入 该行业 目前 拥有 80 多个电子温度计的国产品牌是行业领先的国外品牌 如 欧姆龙 夏尔 网关 等 有 海尔 Delcon Yucon 和 Hypercon 华辰 华安 康复 冲等迅速发展 未来国内品牌扩张 试图进入 该行业的厂商将达到 50 家以上 由于电子温度计行业逐步标准化和高新类的电子 产品的兴起 电子体温计产品行业进入空前高速发展阶段 常用的电子温度计有三种类型 硬棒温度计 广泛应用于家庭的温度计 使用 腋下测量和口腔测量 软棒类型 软头电子体温计可以任意弯曲 多方位 无死角 适合所有部位的测量 一般可以使用口 腋 肛三种测量方法 安抚奶嘴类型 婴 儿安抚奶嘴电子体温计是根据宝宝的生理特点精心设计和制造的 所有部件都设计 基于单片机体温检测仪系统的设计与实现 2 成圆弧形 曲率基于婴儿嘴巴的形状 硅胶奶嘴中的温度传感器包含一个温度传感 器 与以往传统市场的体温计相比 它的误差一般不超过 0 1 易于读取和携 带 但是当由体温 时间和外界空气 体内不同部位测得的体温和温度差异导致稳 定性差 1 1 3项目研究内容和要求项目研究内容和要求 在本项目中 设计的体温检测仪要求便于携带 精度准确 具有播报功能 所 以在设计中选取了单片机 STC89C52 为核心 因为 STC89C52 它具有便携性 易用 性和高性能等优点 它内部具有存储器 4K 宽度 8bit 128 内存 本设计使用它 可以满足我们所有的需求 此外还选用了温度传感器 DS18B20 为主的检测体温模 块 检测体温温度 用 LCD1602 显示体温数值作为体温检测仪的显示器 最后加 以来实现体温检测到的数值播报功能 在本项目中研究的主要是体温检测 经过温 度传感器进行温度采集 再进行数字转换 通过单片机转发给显示模块 LCD1602 在进行数值播报这一系列功能实现的过程 具体功能 1 显示温度范围 0 摄氏度到 85 摄氏度 2 温度精确到小数点后一位 3 LCD1602 显示 DS18B20 检测到的温度数值 4 当温度超过一定上限的数值 会进行温度交警 LCD 显示 temp is too high 基于单片机体温检测仪系统的设计与实现 3 2系统分析与设计系统分析与设计 2 1系统分析系统分析 在这个设计当中选用了单片机 STC89C52 作为核心 主要起主控作用 控制着 整个系统的运行 这个体温检测仪系统采用了温度传感器 DS18B20 进行温度的检 测 当传感器检测温度之后 会在 LCD1602 上显示相应的温度数值 2 1 1系统流程系统流程 系统设计流程图如图 1 1 所示 图 2 1 系统设计框图 2 2 概要设计概要设计 2 2 1程序流程程序流程 程序流程图如图 2 2 程序流程图所示 图 2 2 程序流程图 2 2 2功能模块介绍功能模块介绍 基于单片机体温检测仪系统的设计与实现 4 单片机系统模块单片机系统模块 主要由 STC89C52 单片机 复位电路和晶振电路三个部分组成 STC89C52 单片机是 ATMEL 公司制造的低电压 高性能 CMOS 8 位微控制器 它采用 ATMEL 的高密度非易失性存取技术 内置 8 个字节的只读存储器 EPROM 和 128 字节内部 RAM k 字节 Flash 闪速存储器 STC89C52 单片机 拥有较高的性能 而且成本低 可用于各种控制领域 它集成了微型计算机的主要 组件 包括 CPU 存储器 可编程 I O 端口 定时器 计数器和串行端口 芯片参数 1 工作电压 3 3V 5 5V 2 工作频率范围 0 40MHz 3 8 位 CPU 4 片集成 256 字节 RAM 5 4 个 8 位的并行 I O 接口 P0 P1 P2 P3 6 单片机下载程序直接通过 P30 P31 RXD 和 TXD 串行端口 7 具有 EEPROM 功能 8 2 个 16 位定时 计数器 9 5 个优先级别的 5 个中断源 10 定时器可以用来模拟许多异步串行端口 它的基本结构如图 3 1 所示 图 2 3 单片机基本结构图 电源电路 此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的 USB 口供 基于单片机体温检测仪系统的设计与实现 5 给 也可使用外部稳定的 5V 电源供电模块供给 电源电路中接入了电源指示 LED 图中 R2 为 LED 的限流电阻 当 LED 发亮时 这表示 USB 电源电路供电成功 图 2 4 电源电路图 晶振电路晶振电路 电路中的 C1 非极性电容器和 C2 非极性电容器是启动电容器 当 12MHz 晶体振荡器工作在高频时 它会产生一定的寄生电感 为了平衡电感并产 生谐振 可以添加两个 10 33pf 的非极性电容 单片机内部有一个振荡电路 我们需要将晶振电路连接到外部工作 晶体和 电容以及内部电路组成一个振荡电路 只要 MCU 接通电源 电容就开始振荡 晶 体振荡器工作 从而使 MCU 具有连续的时钟信号 51 单片机有一个 12 路分频器 所以时钟周期为 t 1 12000000 1us 基于单片机体温检测仪系统的设计与实现 6 图 2 5 晶振电路图 LCD 显示模块显示模块 LCD1602 是一种用于显示字母 数字 符号等的点阵式液晶 模块 由多个 5X7 或 5X11 点阵字符位组成 每个点字符位都可以显示一个字符 每一位在点线之间有一个间隔 每行也有一个间隔 它会播放一个字符间距和行 间距的作用 LCD1602 指显示内容为 16X2 表示可显示两行 每行 16 个字符的 LCD 模块 可显示字符或者数字 我们可以通过单片机的端口来控制 LCD1602 的数据引脚 数据命令和使能引脚由 SCM 的 P1 5 P1 6 和 P1 7 端口控制 通过 遵循 LCD1602 通信时序控制 我们可以显示要显示的数据 通过 P2 端口发送给 LCD 实时显示 图 2 6 LCD显示电路图 LCD1602 采用标准的 16 脚接口 其中 1 GND 是电源地 2 VCC 连接到 5V 电源的正极 3 V0 是 LCD 对比度调节端子 当正电源连接时 对比度最弱 当电源接地时 对比度最高 对比度过高 会产生 鬼影 使用时可用 10K 电位器调节对比 度 基于单片机体温检测仪系统的设计与实现 7 4 RS 为寄存器选择 高电平为 1 时选择数据寄存器 低电平为 0 时选择指令 寄存器 5 RW 是读 写信号线 读操作在高电平 1 下执行 写操作在低电平 0 下执行 6 E 或 EN 端为使能端 高电平时读信息 1 负跳时执行指令 7 14 D0 D7 为 8 位双向数据终端 第 15 至第 16 脚 空脚或背光电源 15 针背光正极 16 针背光负极 功能特点 3 3V 或 5V 工作电压 对比度可调 包括复位电路 提供多种控制 命令 如 清屏 字符闪烁 光标闪烁 显示移位等功能 具有 80 字节数据显存 DDRA 内存是 192 个字符发生器 CGROM 与 5X7 点阵和 8 个用户可定义的 5X7 字符发 生器 CGRAM 特点应用 微功耗 体积小 显示内容丰富 超薄轻便 常用于袖珍仪器和低 功耗应用 LCD1602 指令 功能令 指令码如下图所示 图 2 7 LCD1602指令集图 测温模块测温模块 由 DS18B20 传感器组成 单总线结构 DS18B20 的 DQ 与单片机 P3 口连接 通过上拉电阻接电源 只要发送 DS18B20 传感器相应的 ROM 地址 就能访问该器件 本系统通过 DS18B20 传感器检测到人体温度 再调用单片机中 的读取 DS18B20 温度的程序 向总线放启动温度转换命令 启动连接总线上的 基于单片机体温检测仪系统的设计与实现 8 DS18B20 模块温度装换 根据传感器的 64 位 ROM 地址 发送到总线匹配对应 的传感器模块 向总线发读取暂存器命令读 DS18B20 模块转换的温度值 图 2 8 测温模块电路图 DS18B20 传感器的工作原理 DS18B20 的读写时序和温度测量原理与 DS1820 相 同 但由于温差取得的位数不同 温度转换延时时间从 2s 到 750ms 不等 DS18B20 温度测量原理 低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小 用于产生固 定频率的脉冲信号给计数器 1 高温度系数晶体振荡器随着温度显着地改变其振荡 速率 并且所产生的信号用作计数器 2 的脉冲输入 计数器 1 和温度寄存器预设为 对应于 55 C 的基准值 计数器 1 对由低温度系数晶体振荡器产生的脉冲信号进 行倒计数 当计数器 1 的预置值减小到 0 时 温度寄存器值将增加 1 计数器 1 的 预置再次被加载 并且计数器 1 重新启动 对由低温度系数晶体振荡器产生的脉冲 信号进行计数 并且重复该周期直到计数器 2 达到 0 温度寄存器值的累积被停止 此时 温度寄存器中的值是测量温度 斜率累加器用于补偿和校正温度测量过程中 的非线性 其输出用于校正计数器的预设值 技术性能 1 独特的单线接口模式 DS18B20 只需要一条端口线即可连接微处理器 实 现微处理器与 DS18B20 的双向通信 2 温度范围 55 C 125 C 固有温度误差 注意 不是分辨率 以前出 错了 1 C 3 支持多点联网功能 多个 DS18B20 可以并行连接在三根线上 最多只能并 联 8 根 实现多点温度测量 如果数量过多 会使电源电源电压过低 导致信号传 输不稳定 4 电源 3 0 5 5V DC 数据线寄生供电 5 不需要使用任何外部组件 6 测量结果以 9 12 位串行传输 7 不锈钢保护管直径 6 8 适用于 DN15 25 DN40 DN250 各种传媒行业管道和狭小空间设备的测温 9 标准安装螺纹 M10X1 M12X1 5 G1 2 可选 基于单片机体温检测仪系统的设计与实现 9 10 PVC 电缆直接出线或德式球接线盒出线 方便与其他电器设备连接 接线方法 面对传感器平坦的一面 左正右负 一旦逆转 它们会立即变热 并可能燃烧 同时 反过来也是传感器始终显示 85 C 的原因 在实际操作过程中 正负旋转 反转 传感器立即发热 液晶屏不显示读数 正负极端显示 85 C 另外 如果 使用 51 单片机 中间引脚必须连接 4 7K 10K 的上拉电阻 否则 由于高电平不能 正常输入 输出 或者在电源显示 85 C 后立即或 使用几个月后温度升至 85 C 并 正常 特点 独特的第一线接口只需要一个端口通信 简化了分布式温度检测应用 不需要 外部组件来提供数据总线电力 电压范围为 3 0 V 至 5 5 V 不需要备用电源 测 量温度范围为 55 C 至 125 C 华氏度相当于 67 C 至 257 F 10 C 至 85 C 0 5 C 温度传感器可编程分辨率为 9 至 12 位 温度转换为 12 位数字格式 最大可达 750 毫秒 用户可定义的非易失性温度报警设置 应用包括温度控制 工业系统 消费类电子产品温度计 敏感系统 描述 DS18B20 的数字温度计提供 9 到 12 位 可编程设备温度读数 由于 DS18B20 是一种端口通信 中央微处理器只有一个与 DS18B20 的端口连接 对于读 写和温度转换 可以从数据线本身获得能量 无需外部电源 由于每个 DS18B20 包 含一个唯一的序列号 所以同一条总线上可以同时存在多个 DS18B20 这使得温度 传感器可以放置在许多不同的地方 它有许多用途 包括空调环境控制 建筑物中 温度设备或机器的传感 以及过程监控和控制 DS18B20 使用单线通信接口 由于第一线通信接口 必须先完成 ROM 设置 否 则存储器和控制功能将不可用 主要提供以下功能命令之一 1 读取 ROM 2 ROM 匹配 3 搜索 ROM 4 跳过 ROM 5 报警检查 这些指令在没有设备的 64 位平版 ROM 序列号上运行 可以选择一条线上的多个设备来选择一个设备 同时 总线可以知 道总线上有多少设备以及总线上有哪些设备 如果指令成功完成 DS18B20 温度测量 则数据将存储在 DS18B20 的存储器中 控制功能指示 DS18B20 执行温度测量 测量结果将被放入 DS18B20 的存储器中 并 可由存储器功能的指令器读取 读取内容的片上存储器 温度报警触发 TH 和 TL 有 一个字节的 EEPROM 数据 如果 DS18B20 不使用警报检查指令 则这些寄存器可用 于一般用户存储目的 片内还包含配置字节以理想地解决温度数字转换问题 写入 TH TL 指令和配置字节是使用存储器功能指令完成的 通过寄存器读寄存器 所 有数据的读写从最低位开始 部件描述 DS18B20 的存储器由暂存 RAM 和电可擦除 RAM 组成 电可擦除 RAM 又包括温度触发器 TH 和 TL 以及配置寄存器 内存可以完全确定第一线端口的通信 用写入寄存器的命令将数字写入寄存器 然后读取寄存器的命令也可用于确认这些 基于单片机体温检测仪系统的设计与实现 10 数字 当进行确认时 可以使用命令复制寄存器将这些数字传送到电可擦除 RAM 中 当寄存器中的数字被修改时 此过程确保数字完整性 高速缓冲存储器 RAM 由 8 个字节的存储器组成 读取寄存器的命令可以读取第 九个字节 该字节用于验证前八个字节 64 位光刻 ROM 其前 8 位是 DS18B20 自己的代码 接下来的 48 位是连续的数 字代码 最后 8 位是 CRC 校验的前 56 位 64 位光刻 ROM 还包含五个 ROM 功能命 令 读取 ROM 匹配 ROM 跳转 ROM 查找 ROM 和报警查找 外部电源连接 DS18B20 可以使用外部电源 VDD 或内部寄生电源 当 VDD 端口 连接到 3 0V 至 5 5V 的电压时 使用外部电源 当 VDD 端口接地时使用内部寄生电 源 无论是内部寄生电源还是外部电源 I O 端口线都必须连接一个约 5K 的 上拉电阻 配置寄存器配置有不同的位数 以确定温度和转换次数 可以看出 R1 和 R0 是温度决定位 可以通过 R1 和 R0 的不同组合来配置为 9 位 10 位 11 位和 12 位 温度显示 这样 可以知道对应于不同温度转换位的转换时间 四种配置的分辨率 分别为 0 5 0 25 0 125 和 0 0625 出货时配置为 12 位 温度读数 DS18B20 配置为 12 位 读取温度时 读取 16 位数据 前 5 位是符 号位 当前 5 位为 1 时 读取温度为负值 目前的 5 位 在 0 时 读取温度为正值 当温度为正值时 读取方法为 将十六进制数转换为十进制数 当温度为负值时 读数方法为 将 16 加到 16 的倒数 然后转换为 10 进制 例 0550H 85 度 0 16 0 5 16 1 5 16 2 0 16 3 1360 1360 0 0625 85 FC90H 55 度 ROM 指令表如下所示 图 2 9 ROM 指令表图 RAM 指令表 基于单片机体温检测仪系统的设计与实现 11 图 2 10 RAM 指令表图 时序 使用时间间隙来读写 DSl8B20 的数据位和写命令 1 初始化 时序见图 2 11 总线 在 to 时段发送一复位脉冲 最短为 480us 的低电平信 号 接着在 tl 时段释放总线并进入接收状态 DSl8B20 在检测到总线的上升沿之 后 等待 15 60us 接着 DS18B20 在 t2 时段发出存在脉冲 60 240 us 如图中 虚线所示 图 2 11 初始化时序 2 写时间隙 当总线 t0 时段从高电平到低电平时 就产生写时间隙 见图 2 12 和 图 2 13 从 t0 时段开始在 15us 之内应将所需写的位送到总线上 DSl8B20 在 t 后 15 60us 间对总线采样 若低电平 写入的位是 0 见图 2 12 若高电平写入的 是 1 见图 2 13 连续写 2 位间的间隙应大于 1us 图 2 12 写 0 时序 图 2 13 写 1 时序 3 读时间隙 见图 2 13 主机总线 to 时段从高拉至低电平时 总线只须保持低电平 l 7us 之 后在 t1 时段将总线拉高 产生读时间隙 读时间隙在 t1 时段后 t 2 时段前有效 t z 距 to 为 15us 也就是说 t z 时段前主机必须完成读位 并在 t o 后的 60 us 一 120 us 内释放总线 基于单片机体温检测仪系统的设计与实现 12 图 2 14 读时序 读取温度过程 调用初使化子程序 送入跳过 ROM 命令 0 xcc 送入温度 转换命令 0 x44 温度转换 再次初使化 ds18B20 送入跳过 ROM 命令 0 xcc 送入读温度暂存器命令 0 xbe 读出温度值低字节 读出温度值高字节 报警模块 当检测到的体温数值超过 37 摄氏度时 系统会进行报警显示 LCD1602 进行报警提示 LCD 第二行会显示 temp is too high 3系统实现系统实现 3 1 读读 ROM 地址地址 读 ROM 地址程序要把 DS18B20 模块连接到单总线上 并把当前 DS18B20 模 块的 ROM 地址读取 过程如下 首先计算存储当前 DS18B20 模块 ROM 地址的存 储单元的偏移地址 然后初始化 DS18B20 发送和读取 ROM 命令 并将 ROM 地 址读入内存位置 读 ROM 地址部分程序 void read ROM uchar j j NUM1 8 DS18B20 init write byte 0 x33 ROM j read byte 基于单片机体温检测仪系统的设计与实现 13 图 3 1 ROM读取地址程序的流程图 3 2 读取温度读取温度 读取 DS18B20 温度时 首先向总线放启动温度转换命令 启动连接总线上的 DS18B20 模块温度装换 再根据传感器的 64 位 ROM 地址 发送到总线匹配对应 的传感器模块 最后向总线发读取暂存器命令读 DS18B20 模块转换的温度值 读取温度部分程序 void read temp DS18B20 init write byte 0 xcc write byte 0 x44 delay 400 DS18B20 init write byte 0 xcc write byte 0 xbe DATA L read byte DATA H read byte temp1 DATA H 256 DATA L temp temp1 0 0625 基于单片机体温检测仪系统的设计与实现 14 temp2 temp 10 图 3 2 DS18B20读取温度程序的流程图 3 3 显示温度显示温度 显示温度传感器读出的温度值 DS18B20 传感器的温度值是 12 位 存放在 2 个字节中 其中高字节的高 5 位为符号位 如果温度值是正数 则符号位 0 如果 温度值是负数 则符号位为 1 在显示温度程序时 首先根据高位字节的高 5 位确 定是正数或者负数 并提取高位字节的百位 十位和十位数字 并将其转换为字符 代码并将其放入相应的缓冲区 将其内容显示在液晶监视器上 显示温度部分程序 void disp temp uchar k wc51r 0 x80 LCD1 line 10 temp2 100 10 0 x30 LCD1 line 7 temp2 100 0 x30 LCD1 line 8 temp2 100 10 0 x30 LCD1 line 9 LCD1 line 12 基于单片机体温检测仪系统的设计与实现 15 LCD1 line 13 C for k 0 k 370 wc51r 0 xc0 for k 0 k 16 k wc51ddr LCD2 line k delay 2 else wc51r 0 xc0 for k 0 k Options Output HEX 80 中选择 HEX Format 列 然后勾选 Create HEX File 列 如下 图所示 基于单片机体温检测仪系统的设计与实现 18 图 4 2 keil配置图 接下来我们把编译生成的 hex 文件 下载到仿真软件中的模拟单片机 进行仿 真测试 Proteus 软件是英国 Lab Center Electronics 公司发布的 EDA 工具软件 该软件 是广州飞马电子科技有限公司的总代理 它不仅具有其他 EDA 工具软件的仿真 功能 而且还可以仿真 MCU 和外围设备 它是模拟微控制器和外围设备的更好工 具 尽管目前国内的推广工作刚刚起步 但单片机爱好者 从事单片机教学的教师 以及致力于单片机开发和应用的科技工作者对此表示赞赏 Proteus 是英国着名的 EDA 工具 仿真软件 从原理图布局和代码调试到单 片机和外围电路的协同仿真 一键切换到 PCB 设计 真正实现了从概念到产品的 完整设计 它是世界上唯一将电路仿真软件 PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件 相结合的设计平台 该处理器型号支持 8051 HC11 PIC10 12 16 18 24 30 DsPIC33 AVR ARM 8086 和 MSP430 等 2010 年又增加了 Cortex 和 DSP 系 列处理器 并继续增加其他系列处理器模型 在编译方面 它也支持许多编译器 如 IAR keil 和 MPLAB 特征 1 原则布局 2 PCB 自动或手动布线 3 SPICE 电路仿真 革命性的特点 1 交互式电路仿真 用户甚至可以使用 RAM ROM 键盘 电机 LED LCD AD D