基于單片機(jī)的數(shù)字測溫計(jì)

于海嬌 宋曉旭 王金龍 王祖宇

【摘要】? ? 隨著社會(huì)的變遷，與溫度密切相關(guān)的測量裝置已經(jīng)逐漸普及。本論文介紹了測溫計(jì)的設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)方法，測溫計(jì)的主要組成部分有：AT89C52單片機(jī)、溫度傳感器DS18B20、按鍵電路、顯示電路和報(bào)警電路。它可以隨時(shí)的測量溫度并且可以設(shè)置溫度的上限值和下限值，完成對被測對象溫度的測量。此種測溫計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，溫度測量范圍在35℃-37.5℃，當(dāng)測量的溫度超過設(shè)定的限值時(shí)，報(bào)警器將發(fā)出警報(bào)。通過研究與測試，本設(shè)計(jì)很大程度上提高了溫度測量的效率，讓更多年齡階段的人簡單且方便使用裝置。

【關(guān)鍵詞】? ? 單片機(jī)? ? 溫度檢測

引言：

隨著科技的進(jìn)步和人們生活質(zhì)量的提高，近些年來單片機(jī)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域越來越普遍，例如氣體檢測、超聲波測距、溫度檢測等等[1-3]。正常的溫度測量不但設(shè)計(jì)起來比較繁瑣，而且精確度上也是不夠理想，但是使用單片機(jī)讓這個(gè)難題迎刃而解。無論是生活中，還是其他各個(gè)領(lǐng)域中，溫度都是一個(gè)極為重要的測量數(shù)據(jù)[4-6]。測溫技術(shù)也在不斷發(fā)展，不僅測量精確度不斷提升，而且測溫產(chǎn)品也不斷向著小型化、智能化發(fā)展。 由于單片機(jī)具有集成度高，體積小，可靠性好，單片機(jī)把各功能部件集成在一塊芯片上，構(gòu)成了一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，通過控制各個(gè)引腳的電平狀態(tài)，進(jìn)而控制與單片機(jī)引腳連接的外圍電路，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。單片機(jī)可以廣泛的嵌入到家電、機(jī)器人、儀器儀表、工控單元、自動(dòng)化設(shè)備、交通電子系統(tǒng)、個(gè)人終端設(shè)備，甚至兒童玩具中，已經(jīng)成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的智能化工具。本文就是以單片機(jī)作為核心元器件，設(shè)計(jì)了一款數(shù)字測溫計(jì)。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字測溫計(jì)目標(biāo)是能夠快速精準(zhǔn)的讓被測量對象進(jìn)行溫度檢測，并且能夠?qū)⑺鼫y出地溫度值顯示到LED數(shù)碼管上，再與之前設(shè)定的溫度上下限值比較，如果超過溫度限制，蜂鳴器報(bào)警，并且報(bào)警器顯示燈閃爍，這樣父母或者是監(jiān)護(hù)人能夠及時(shí)的發(fā)覺孩子的體溫狀況，以至于及時(shí)的就醫(yī)。

總結(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟：

1.開啟裝置，檢查每個(gè)元器件能不能正常的工作。

2.溫度測量的基本范圍是0℃～50℃。

3.軟件預(yù)設(shè)上限溫度37.5℃，下限溫度35℃。

4.超出溫度上下限將開始報(bào)警功能，報(bào)警器顯示燈閃爍，蜂鳴器振動(dòng)。

1.2系統(tǒng)原理

本文設(shè)計(jì)是通過單片機(jī)連接形成溫度測量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)溫度的檢測。DS18B20溫度傳感器是一種集成度較高的測量溫度元器件，體積小，組合電路比較簡單，它可以依據(jù)當(dāng)時(shí)溫度環(huán)境的改變形成數(shù)字信號，其對溫度的變化非常敏銳，它可以將溫度迅速精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)變成電信號，并通過顯示器實(shí)時(shí)顯示。該溫度傳感器的測溫范圍-55℃～+125℃，符合體溫測量需求。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本方案設(shè)計(jì)的數(shù)字測溫計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由單片機(jī)控制電路、溫度傳感器電路、數(shù)碼管顯示電路和報(bào)警電路組成，如圖1所示。

本系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心結(jié)構(gòu)，在開始運(yùn)行它向主機(jī)先發(fā)送初始化命令使DS18B20啟動(dòng)，再發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令使數(shù)字溫度傳感器DS18B20把測得的模擬溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供單片機(jī)運(yùn)算。與此同時(shí)顯示器上顯示出當(dāng)前環(huán)境的溫度，當(dāng)溫度超出設(shè)定的溫度上、下限值得范圍時(shí)，蜂鳴器就會(huì)開始報(bào)警。

2.2 測溫電路設(shè)計(jì)

目前，在控制、自動(dòng)化、傳感領(lǐng)域，傳感器已經(jīng)向著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，本文設(shè)計(jì)的數(shù)字測溫計(jì)使用的溫度傳感器是Dallas公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20。DS18B20用的是單總線（1-wire）串行接口技術(shù)，只有一根數(shù)據(jù)輸入輸出線DQ，總線上所有器件都掛在DQ上，電源也經(jīng)該信號線供給。DS18B20溫度傳感器耗電量很小，從總線上饋送電量（空閑時(shí)幾微瓦，工作時(shí)幾毫瓦）到大電容中，就可以正常工作，不需要另附電源。另外，該芯片體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、支持多個(gè)設(shè)備多點(diǎn)測量、使用便捷等，因此適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。

DS18B20溫度傳感器集成度高，所用的應(yīng)用模塊都集中在一個(gè)普通三極管大小的芯片中，在使用中不需要外圍元件。該傳感器結(jié)構(gòu)獨(dú)特，具有一線接口結(jié)構(gòu)，只需要一條口線即可完成通信。

芯片的工作電壓范圍廣，電壓范圍可以從3.0V到5.5V之間，并且可以使用寄生電容供電的方式。DS18B20的測溫范圍大，可測溫區(qū)間為-55℃～ +125℃之間，在-10℃～+85℃時(shí)測量精度可以達(dá)到±0.5℃。其測量分辨率可變，通過編程可以將測量分辨率設(shè)置為9～12位，溫度分辨率只和選擇的采用精度位數(shù)有關(guān)，9位采樣精度對應(yīng)的分辨率為0.5℃，10位采樣精度對應(yīng)的分辨率為0.25℃，11位采樣精度對應(yīng)的分辨率為0.125℃，12位采樣精度對應(yīng)的分辨率為0.0625℃，且轉(zhuǎn)換速度快，在9位精度時(shí)，轉(zhuǎn)換速度最快，可達(dá)93.75ms，精度位數(shù)提高，轉(zhuǎn)速速度相應(yīng)變慢。測量的結(jié)果以數(shù)字信號的形式傳送給CPU，完全滿足本文設(shè)計(jì)的數(shù)字測溫計(jì)的實(shí)際需求。

三、系統(tǒng)功能

3.1系統(tǒng)主功能

系統(tǒng)在讀DS18B20芯片進(jìn)行初始化之后，進(jìn)行測量溫度并顯示溫度。將測量溫度與設(shè)定的溫度上下限值進(jìn)行對比，判斷測量溫度是否超限。如果測量溫度超限，則蜂鳴器進(jìn)行鳴叫報(bào)警，如果測量溫度未超限值，則只顯示溫度。通過按鍵可對溫度上下限值進(jìn)行調(diào)整。

DS18B20有嚴(yán)苛的通信協(xié)議來確保各個(gè)數(shù)據(jù)運(yùn)行與傳送的準(zhǔn)確性。DS18B20的工作程序包括：1.復(fù)位一總線。2.當(dāng)同一條總線上存在多個(gè)DS18B20時(shí)匹配ROM，否則跳出。3.設(shè)置DS18B20的報(bào)警溫度上下限。4.啟動(dòng)采集且等待采集結(jié)果。5.先讀取溫度數(shù)據(jù)低位，后讀取溫度數(shù)據(jù)高位。

3.2 DS18B20溫度讀取及顯示

當(dāng)DS18B20檢測到初始化時(shí)的電平，就準(zhǔn)備開始接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。初始化完成后讀取溫度，即讀出溫度寄存器中數(shù)據(jù)。在讀取時(shí)必須進(jìn)行CRC檢查，檢查有誤時(shí)就不能繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的編寫。DSBl820能夠從單總線中獲得電源，當(dāng)信號線為高電平時(shí)，把能量儲(chǔ)存到內(nèi)部電容器里;當(dāng)單信號線為低電平時(shí)，把電源斷開，直到信號線變?yōu)楦唠娖皆俅谓由想娙轂橹埂?/p>

讀取溫度數(shù)據(jù)后，low的低四位為溫度的小數(shù)部分，low的高四位和high的低四位為溫度的整數(shù)部分，high的高四位都是1示為負(fù)數(shù)，都是0示為正數(shù)，所以要把數(shù)據(jù)先提取出來，然后分為三個(gè)部分：小數(shù)部分、整數(shù)部分以及符號部分。大于0.5℃的時(shí)候，個(gè)位進(jìn)1;小于0.5℃的時(shí)候，舍掉。但是當(dāng)數(shù)據(jù)是個(gè)負(fù)數(shù)的時(shí)候，在顯示之前要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將其整數(shù)部分取反加一。

3.3溫度設(shè)置及警示

當(dāng)被測環(huán)境溫度超過溫度上、下限值時(shí)，我們需要用到蜂鳴器裝置進(jìn)行報(bào)警處理。

顯示系統(tǒng)是單片機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，本設(shè)計(jì)采用LED數(shù)碼管作為顯示器，這種顯示器具有耗電低、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)采用四位共陰極動(dòng)態(tài)顯示方式，可以直接讀取溫度值，顯示溫度可以精確到0.5℃。

該系統(tǒng)支持手動(dòng)設(shè)置溫度上下限，而按鍵掃描的主要功能就是手動(dòng)設(shè)置溫度的上下限。系統(tǒng)默認(rèn)的溫度上下限是35℃～38.2℃，若被測溫度沒有超過上下限，則蜂鳴器不鳴叫，否則蜂鳴器鳴叫;當(dāng)被測溫度值處于35℃以下時(shí)，蜂鳴器鳴叫較急促。

按鍵K4、K1、K2、K3分別與單片機(jī)的P2.4-P2.7引腳連接。默認(rèn)狀態(tài)設(shè)置溫度上限，若按下按鍵K4，也就是使P2.4為低電平時(shí)，進(jìn)入溫度下限的設(shè)置，再按一次進(jìn)入溫度上限的設(shè)置;在每個(gè)溫度上下限設(shè)置里面，按下K1一次增加1℃溫度值，按下按鍵K2一次減小1℃溫度值，最后按K3確定。

四、系統(tǒng)仿真結(jié)果

Keil C51編譯器是目前最流行的開發(fā)MCS-51系列單片機(jī)的軟件，它提供了包括C編輯器、編譯器、宏匯編、連接器、庫管理以及一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器在內(nèi)完整開發(fā)方案，并通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（μVision3）將這些部份組合在一起。

當(dāng)檢測溫度在35℃-37.5℃之間時(shí)溫度指示燈亮，報(bào)警指示燈不閃爍，蜂鳴器不鳴叫。當(dāng)檢測溫度處于38.2℃，由于此時(shí)溫度不在溫度上下限35℃～37.5℃之間，所以溫度指示燈高電平亮，報(bào)警指示燈閃爍，蜂鳴器鳴叫。

五、結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字溫度計(jì)的基本測量范圍是35℃～37.5℃，具有自動(dòng)報(bào)警功能，可以手動(dòng)設(shè)置溫度上、下限值，用四位一體的數(shù)碼管顯示溫度。使用DS18B20溫度傳感器作為感溫器件，其能夠測量的范圍是-55℃～125℃，并且它在測量溫度為-10℃～85℃區(qū)間溫度分辨率0.5℃，如果當(dāng)前檢測溫度在設(shè)置的上、下限值之間，則報(bào)警器不鳴叫;假若當(dāng)前環(huán)境溫度在設(shè)定的溫度上、下限值以外，則報(bào)警指示燈閃爍，蜂鳴器鳴叫。本設(shè)計(jì)符合實(shí)際使用需求。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]關(guān)爽，蔣志豪，陳茜，徐紀(jì)明，劉夢平，胡安正.基于非接觸式的紅外智能測溫系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)測量與控制，電子制作，2021（11）：32-33.

[2]呂耀輝，呂晨暉，余昊，楊文海，鄧周虎，李強(qiáng).超聲波陣列系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，電子電路設(shè)計(jì)與方案，2021（11）：3-4.

[3]李志偉，劉紅江，趙戰(zhàn)國.家用天然氣濃度監(jiān)控裝置設(shè)計(jì).機(jī)械工程與自動(dòng)化， 2021（3）：156-158.

[4]翁飛印.免校正高精度溫度檢測的設(shè)計(jì).集成電路應(yīng)用. 2021，38（05）：66-67.

[5]夏凡.溫度、濕度和風(fēng)速對紅外檢測絕緣子的影響分析.電工材料. 2021，（02）：13-15.

[6]嚴(yán)海云.全血標(biāo)本保存時(shí)間和溫度對血常規(guī)檢測結(jié)果的影響.黑龍江科學(xué). 2021，12（06）：64-65.