基于51单片机的电子体温计设计

德州学院物理系2011届电子信息科学与技术专业毕业设计1电子体温计设计摘要本文设计一种基于单片机控制的电子体温计，实现了实时测量显示和语音播报与声音报警的功能。主要由电源电路模块，A/D转换电路模块，温度控制模块，自动控制模块，温度设制、显示及报警电路模块，串行通信模块和语音播放模块组成。自动控制模块采用双AT89S52构成主从串行处理结构实现对系统的自动控制。温度控制模块选用AD590集成温度传感器来采集外界温度，转换为线性电压信号。线性电压经由OP07构成高精度低温漂的放大电路处理后，由A/D转换电路模块中的ADC0809完成A／D转换，得到8位的数字信号送入自动控制模块的主机中。主机将采集到温度值在LED数码管上显示出来，并通过串口通信将温度信号传到从机。此外，主机完成温度预制和报警电路模块功能，从机完成温度值的语音播放功能。关键词单片机；AD590；ADC0809；ISD25601绪论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。温测量的历史，可以追溯到l6世纪。当时Saatorio用空气热膨胀的原理，制出了第一支测量口腔温度的体温计。本世纪初，开始用水银来制作体温计，至今在临床上得到了广泛的应用。根据1928年Ebstein的报告，当时除测量口腔及腋下的温度外，还可以测量直肠、颈部、大腿根部，外耳及尿温。这些都是用被测皮肤温度与玻璃球内积存的水银温度相等的原理实现的。由于水银体温计使用方便、精度高，因而应用很广。由于用水银体温计进行体温监测很不方便，水银的污染的可能也很严重等，为了正确测量人体局部温度，促使人们开发了各种不同的测温仪器和测温方法。现在已有许多医院采用了电子体温计，用其它电子仪器测量体温也日益普及。电子温度测量方式是随着电子技术的兴起而发展的一门学科。它利用材料随温度变化的参数转换成电信号[1]对温度进行测量。早期的电子温度测量均采用模拟技术的方法，对传感器的非线性补偿采用分立式电路进行各种方法的补偿，线路复杂、体积庞大、可靠性低，应用受到很大的制约，微电子技术的发展使这一希望逐步变成了现实。现在数字集成电路技术和相应的数字信号处理理论相对成熟，开发制造成本大幅下降，为新一代电子体温计的开发创造了良好的先决条件，以数字技术为主要技术的新一代电子体温计[2,3]又一次成为关注和研究的对象。因此，鉴于传统的水银体温计汞的污染及其携带不方便易破碎，尤其是测量时间过长等缺点，本课题设计出一种数字式电子体温计。2系统方案与论证德州学院物理系2011届电子信息科学与技术专业毕业设计22.1方案论证与比较方案一：采用热电偶温差电路测温，温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成，通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。数据采集部分使用带有A/D通道的单片机，在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，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来。系统包括对A/D的数据采集，温度的显示等，这几项功能信号通过输入输出电路由单片机处理。[4]此外还有复位电路，晶振电路等。现场输入硬件有手动复位键、A/D转换芯片，处理芯片为51芯片，执行机构有数码管、报警器等。系统框图如图2-1所示。图2-1热电偶温差电路测温系统框图方案二：采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。该系统利用单片机控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可根据需要设定上下限报警温度。该系统扩展性非常强，在数据处理同时显示时间，利用键盘来进行调时和温度查询，获得的数据可通过MAX232芯片与RS232接口进行串口通信，方便采集和整理时间温度数据。系统框图如图2-2所示。数码管报警电路测温点路晶振电路复位电路按键防抖动单片机数据传送按键输入电路驱动电路测温电路时钟电路复位电路显示电路单片机德州学院物理系2011届电子信息科学与技术专业毕业设计3图2-2DS18B20温度测温系统框图方案三：外部温度信号经过集成温度传感器采集转换成相应的电压信号，经过信号放大后成为模拟输入信号，AD将该模拟信号转换成数字信号，通过并口送入到主机。主机处理这些信号后通过LED数码管显示出来，同时还处理按键和报警模块的程序。温度值由主机通过串行通信传送给聪机，从机控制语音芯片报出对应的温度值。系统框图如图2-3所示。图2-3系统框图2.2方案选择方案一：热电偶在测温范围内热电性质稳定，比热小，导电率高，但热电偶的体积较大，使用不易，价格高[5,6]。而电子体温计的温度传感器要求易用，方便携带，体积小，故不用采用。方案二：测温装置电路简单、精确度较高、实现方便，但DS18B20一般用于工业测温度，故不采用。放大电路AD温度采集A/D转换电路模块键盘预制、报警电路模块主机串行通信语音播放模块从机显示模块德州学院物理系2011届电子信息科学与技术专业毕业设计4方案三：采用集成温度传感器。集成温度传感器一般且有具有线性好、精度高、灵敏度高、体积小、使用方便等优点如上所述，故选用方案三来进行设计。3系统硬件电路设计电子体温计主要由电源电路模块，A/D转换电路模块，温度控制模块，自动控制模块，温度设制、显示及报警电路模块，串行通信模块和语音播放模块组成。3.1自动控制模块3.1.1单片机的概述单片机，又称为微控制器。是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统[7,8]。单片机的主要特点：有优异的性能价格比；集成度高、体积小、可靠性高；控制功能强；低电压、低功耗。单片机的主要应用领域有:工业控制、仪器仪表、电信技术、办公自动化和计算机外部设备、汽车和节能、制导和导航等。[9,10]3.1.2AT89S52芯片自动控制模块选用AT89S52，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。[11](1)标准功能：8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。(2)在外部结构上,AT89S52单片机和MCS-51系列单片机的结构相同，有三种封德州学院物理系2011届电子信息科学与技术专业毕业设计5装形式，分别是PDIP形式，为40针脚；PLCC形式，为44针脚；TAFP形式，也为44针脚。其中，常用的为PDIP形式，如图3-1所示。图3-1AT89S52的引脚图3.2串行通信模块串行通信模块的主要功能是主机把温度值数据发送到从机,从机接收数据并控制语音芯片报出当前的温度值。主机与从机串行通信电路图如图3-2所示。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:30-May-2007SheetofFile:D:\比赛\比赛.ddbDrawnBy:EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U2AT89S52EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U3AT89S52图3-2主机与从机串行通信电路图3.3电源电路模块德州学院物理系2011届电子信息科学与技术专业毕业设计6如图3-3所示，220V交流电经变压器降压、桥式整流、电容滤波后由7905、7805、7812三端集成稳压管分别得到-5V、+5V、＋12V电压，整个系统供电。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:30-May-2007SheetofFile:D:\比赛\比赛.ddbDrawnBy:C210.1UT1TRANS4C220.1UC230.1U+C202200U+C192200UAC220V+C182200U231VVGNDINOUTU257905132VVGNDINOUTU237812132VVGNDINOUTU2478051234D1BRIDGE1+12V+5V-5VGND图3-3电源电路图3.4温度控制模块温度控制模块选用AD590，主要功能是负责采集温度，把温度值进过放大后传送给A/D转换电路模块3.4.1AD590概述集成温度传感器AD590是美国模拟器件公司生产的集成两端感温电流源。AD590属于电流型集成温度传感器，电流型集成温度传感器是一个输出电流与温度成比例的电流源，由于电流很容易变换成电压，故使用十分方便。AD590集成温度传感器的输出电流是整个电路的电源电流，而这个电流与施加在这个电路上的电源电压几乎无关。[12,13]AD590主要特性如下：(1)具有线性输出电流。(2)宽广的操作温度范围(-55℃~150℃)。(3)宽广的工作电压范围(+4V~+30V)。(4)良好的隔离性。AD590的包装与等效电路如图3-4所示。德州学院物理系2011届电子信息科学与技术专业毕业设计7图3-4AD590外形及符号AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡，AD590的后缀以I，J，K，L，M表示。AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V＋；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。它是两端子的半导体温度感测组件，另有一端子是外壳接脚，可接地以减少噪声干扰。AD590如同一个随温度而改变输出电流的定电流源，输出电流与外壳的开氏(K)温度成正比。开氏温度与摄氏温度的单位相等，0℃等于273.2K，100℃等于373.2K。当温度为0℃时，AD590的输出电流是273.2μA。而温度为100℃时，输出电流是373.2μA。温度每升高1℃，输出电流增加1μA，及温度系数为1μA/℃。3.4.2温度检测、放大电路原理AD590当温度增加1℃时，其输出电流会增加1μA。即AD590的温度系数为1μA/℃。所以在T(℃)时的电流I1(T)为TCAITI/1011（式3.1）而温度每变化1℃时，V2的电压变化是为CmVkCA/1010/1（式3.2）表示温度每增加1℃，V2会增加10mV。在0℃时V2就已经有电压存在，其值为VkAV732.2102.27302（式3.3）则T(℃)时TCmVVTV/10022，VV732.202（式3.4）如图3-3所示，OP3