基于at89c51单片机电子体温计设计

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.1系统设计的目的意义1.1目的体温是生命活动的一种表现，是人体新陈代谢的一个重要生理参数。体温既有生理学的意义，又有重要的临床意义，是临床诊断的一个重要指标。因此体温计在现在的生活中有极为重要的作用。传统的水银体温计易破碎，存在水银污染的可能，测量时间较长，不易读数，为此设计一种新型的体温计，它的测量精度与传统的水银体温计相媲美的情况下，大大地缩短了测量时间且携带方便，对环境几乎没有污染。它以AT89C51单片机为核心，结合温度传感器，LED模块等外部设备，在软件的控制下，实现智能化的体温测量，不但能够精确测温，而且能够对温度进行逻辑判断，并且通过LED显示器将测量结果显示出来。若温度高于38摄氏度系统就会自动报警，这就意味着所测得的温度异于人体正常温度，引起人们注意。本设计的创新点在于，不仅完成了电子体温计的要求，而且还增加了一个报警装置。当测量者的体温高于人体正常体温时，体温计就会自动报警，人性化设计，为广大客户带来方便。1.2国内外进展情况中国电子体温计行业最早起源于1998年，以每年高于30%的速度发展至今经历了十多年时间。高达数倍甚至十多倍的利润空间、较低的政策壁垒和技术壁垒吸引了众多企业进入该行业。目前国内涌现了大小80多家电子体温计品牌，既有“欧姆龙”、“婴之侣”、“捷威”等行业领头的外资品牌，也有“华辰”、“世佳”、“华安”、“康复”等迅速发展壮大的国内品牌。今后试图进去该行业的生产厂家将达到50多家。由于行业逐步规范和新一轮电子体温计产品消费热潮的兴起，2009年以后，电子体温计产品行业进入了一个前所未有的高速发展时期，市场的快速发展孕育着巨大的商机。.. .1.3设计思路本系统可以使用ISIS画出原理图，打开ISIS软件，单击命令窗口file——newdesign，创建一个default模板，保存名称为“基于AT89C51单片机电子体温计设计.DSN”。执行菜单命令library——pickdevice/symbol，添加所需元件。本程序中可以使用DS18B20温度传感器，上面有“+”“-”可以模拟外界温度变化。芯片选取74LS137，74LS373。在原理图编辑窗口中放置元件，再单击工具箱中的“原件终端”图标，在对象选择中单击POWER和GROUND放置电源和地。放置好元件后，布好线。左键双击各元件，设置好相应参数，完成电路设计。设计的软件部分在Keil中完成，具体操作步骤在后面仿真步骤中有详细介绍，在此就不一一列出。.. .2系统分析2.1系统总体设计本系统采用AT89C51单片机、DS18B20温度采集模块和LED显示器共同实现。AT89C51集合了温度传感器、放大器、A/D转换器三者的作用。其中AT89C51通过P1.0和DS18B20进行单总线通信，启动DS18B20温度采集功能并取出转化后的体温数值，最后将体温值显示在外接在P0口与P2口的四位共阴LED上。设计思路如图2.1所示。DS18B20单片机LED显示器蜂鸣器图2.1设计思路示意图2.2DS18B20基础知识DS18B20是Dallas公司继DS1820后推出的一种改进型智能数字温度传感器，与传统热敏电阻相比，只需一根线就能直接读出被测温度，并可根据实际需求编程实现9~12位数字值的读数方式。2.2.1DS18B20的封装形式及引脚功能DS18B20有三种封装形式：（1）采用3引脚TO-92的封装形式。（2）采用6引脚TSOC封装形式。（3）采用8引脚SOIC封装形式。DS18B20芯片的引脚功能如下：（1）GND：电源地。（2）DQ：数字信号输入/输出端。（3）VDD：外接供电电源输入端。采用寄生电源方式时，该引脚接地。.. .2.2.2DS18B20的内部结构温度传感器DS18B20的内部结构如图所示，主要由64位ROM、温度传感器及高速缓存器配置寄存器等部分组成，如图2.2所示。VDDDQ64位ROM和单线接口高速缓存器温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器存储与控制逻辑电源检测8位CRC发生器C图2.2DS18B20内部结构示意图下面对DS18B20的相关部分进行简单的描述。（1）64位ROM。64位ROM是由厂家用激光刻录一个64位的二进制ROM代码，是该芯片的标志号，如图2.3所示。8位循环冗余检验48位序列号8位分类编号（10H）图2.364位ROM示意图MSBLSBMSBLSBMSBLSB8位分类编号表示产品分类编号，DS18B20的分类编号为10H;48号序列号是一个大于281x1012的十进数编码，作为该芯片的唯一标志代码；8位循环冗余检验为前56位的CRC循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。由于每个芯片的64位ROM代码不同，因此在单总线上能够并挂多个DS18B20进行多点温度实时检测。（2）温度传感器。温度传感器是DS18B20的核心部分，该功能部件可完成对温度的测量。通过软件编程可将-55~+125摄氏度范围内的温度值按9位、10位、11位、12位的转换精度进行量化，以上的转换精度都包括一个符号位，因此对应的温度量化值分别为0.5、0.25、0.125、0.0625摄氏度，即最高转换精度为0.0625摄氏度.. .。芯片出厂时默认为12位的转换精度。当接收到温度转换指令（44H）后，开始转换，转换完成后的温度以16位带符号扩展的二进制补码形式表示，存储在高速缓存器RAM的第0、1字节中，二进制数的前5位是符号位。如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘上0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘上0.0625即可得到实际温度。（3）高速缓存器。高速缓存器包括一个高速暂存器RAM和一个非易失性可电擦除E2PROM。非易失性可电擦除E2PROM用于存放高温触发器TH、低温触发器TL和配置寄存器中的信息。高速暂存器RAM是一个连续8字节的存储器，前两个字节是测得的温度信息，第1个字节的内容是温度的低8位，第2个字节是温度的高8位。第3个和第4个字节是高温触发器TH、低温触发器TL的易失性复制，第5个字节是配置寄存器的易失性复制，以上字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第6、7、8个字节用于暂时保留为1。（4）配置寄存器。配置寄存器的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时按此寄存器的分辨率将温度转换为相应精度的数值，它是高速缓存器的第5个字节，该字节定义如图2.4所示。图2.4高速缓存器的第5个字节示意图TMR0R111111TM是测试模块位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时，该位被设置为0，用户不必改动；R1和R0用来设置分辨率；其余5位均固定为1。DS18B20的分辨率设置如表2.1所示。表2.1DS18B20的分辨率设置R1R0分辨率最大转换时间（ms）009位93.750110位187.51011位3751112位7502.2.3DS18B20的测温原理.. .DS18B20主要由斜率累加器、温度系数振荡器、减法计数器、温度寄存器等部分组成。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值。温度系数振荡器用于产生减法计数脉冲信号，其中低温度系数振荡器受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数振荡器受温度的影响较大，随温度的变化，其振荡频率明显改变，产生的信号作为减法计数器2的输入脉冲。减法计数器对脉冲信号进行减法计数。温度寄存器暂存温度数值。在图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，从而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器决定，每次测量前，首先将-55摄氏度多对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55摄氏度所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1。之后，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行计数，如此循环，直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器的值的累加。此时，温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器不断补偿和修正测温过程中的非线性，只要计数门未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器的值达到被测温度值。由于DS18B20是单总线芯片，在系统中若有多个单总线芯片，每个芯片的信息交换则是分时完成的，均有严格的读/写时序要求。系统对DS18B20的操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。2.2.4DS18B20的ROM命令（1）ReadROM命令代码33H,允许主设备读出DS18B20的64位二进制ROM代码。该命令只适用于总线上存在单只DS18B20。（2）MatchROM命令代码55H，若主线上有多个从设备，使用该命令可以选中某一制定的DS18B20，即可与64位二进制ROM代码完全匹配的DS18B20才能响应其操作。（3）SkipROM命令代码CCH，在启动所有DS18B20转换之前或系统只有一个DS18B20时，该命令将允许主设备不提供64位二进制ROM代码就使用寄存器操作命令。（4）SearchROM命令代码F0H，.. .当系统初次启动时，主设备可能不知总线上有多少个从设备或者它们的ROM代码，使用该命令可确定系统中的从设备个数及ROM代码。（5）AlarmROM命令代码ECH，该命令用于鉴别和定位系统中超出程序设定的报警温度值。（6）WriteScratchpad命令代码4EH，允许主设备向DS18B20的寄存器写入两个字节的数据，其中第一个字节写入TH中，第二个字节写入TL中。可以在任何时刻发出复位命令中止数据的写入。（7）ReadScratchpad命令代码BEH，允许主设备读取暂存器中的内容。从第一个字节开始，直到CRC读完第九个字节。也可以在任何时刻发出复位命令中止数据的读取操作。（8）CopyScratchpad命令代码48H，将高温触发器TH和低温触发器TL中的字节复制到非易失性E2PROM。若主机在该命令之后又发出读操作，而DS18B20又忙于将暂存器的内容复制到E2PROM时，DS18B20就会输出一个“0”。若复制结束，则DS18B20输出一个“1”。如果使用寄生电源，则主设备发出该命令后，立即发出强上拉并至少保持10ms以上的时间。（9）ConvertT命令代码44H，启动一次温度转换。若主机在该命令之后又发出其他操作，而DS18B20又忙于温度转换，DS18B20就会输出一个“0”。若转换结束，则DS18B20输出一个“1”。如果使用寄生电源，则主设备发出该命令之后，立即发出强上拉并至少保持500ms以上的时间。（10）RecallE2命令代码B8H，将高温触发器TH和低温触发器TL中的字节从E2ROM中复制回到暂存器中。该操作是在DS18B20上电时自动执行，若执行该命令后又发出读操作，DS18B20会输出温度转换忙标志：0为忙，1完成。（11）ReadPowerSupply命令代码B4H，主设备将该命令发给DS18B20后发出读操作，DS18B20会返回它的电源使用模式：0为寄生电源，1为外部电源。2.374LS137基础知识74LS137是一种3线—.. .8线译码器/解调器，在三个地址输入端都加有地址锁存器。当锁存使能输入是低电平时，电路就具有译码器/解调器的功能。当锁存使能输入从低电平转换到高电平时，选择输入A、B和C中的地址便存储在锁存器中。只要锁存使能输入保持高电平，则可不再考虑地址的变化。输出使能控制控制着输出状态，而不管选择或锁存使能状态如何，除非一个输出是高一个输出是低，则所有输出全是高。2.474LS373基础知识引脚功能：（1）1D~8D：8位数据输入端（2）OE：三态允许控制端（低电平有效）（3）LE：锁存允许端（4）1Q~8Q：8位数据输出锁存端74LS373的输出端D0~D7可直接与总线相连。当三态允许控制端/OE为低电平时，Q0~Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，Q0~Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存器允许端LE为高电平时，Q随数据D而变；当LE为低电平时，D被锁存在已建立的数据电平。LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mv。2.5原理图设计本设计以AT89C51单片机为核心，温度传感器给出相应的温度值，通过总线发送到芯片上，在LED显示屏上显示温度传感器上的温度。当温度高于38摄氏度时，在显示出温度的同时，蜂鸣器发出警报声。所需原件如表5.1所示。表2.2电子体温计所用的元件单片机AT89C51瓷片电容CAP30PF麦克风SOUNDER电解电容CAP-ELEC晶振CRYSTAL12MHz三极管2N2905电阻RES滑动变阻器POT-LIN温度传感器DS18B20芯片74LS373芯片74LS137显示屏7SEG-MPX4-CC.. .原理图如图2.5所示图2.5原理图示意图.. .3软件设计3.1流程图设计通过对系统的分析，我们可以对本设计有个大体的了解。如想得到温度，必须得先对DS18B20进行初始化处理。启动定时器，设置延时，并开中断，判断经过多长时间。若是没经过1.112ms，要对其继续判断是否是第一次采集温度，如果是的话那就返回继续判断经过1.112ms；如果不是那就将上次采集的温度返回判断经过1.112ms。以上判断是采集温度并判断延时时间。如果经过1.112ms，那么程序继续执行，关中断并令TR0=0，采集刚才的温度，保存并在LED显示屏上显示出来。此时再判断如果温度高于38摄氏度，那么蜂鸣器报警；如果低于这个温度程序则不报警，等待下次测量或者结束测量。根据以上分析，我们可以画出流程图如图6.1所示。.. .开始Y是否第一次采集DS18B20温度是否经过1.112ms初始化跳过读DS18B20启动定时器DS18B20启动定时器0延时1.112ms开中断N结束Y关中断并使TR0为0显示温度值采集DS18B20温度值并保存是否超过38度蜂鸣器报警显示上次所采集的温度NYN图6.1流程图示意图.. .3.2源程序设计根据以上的分析，我们可以写出程序如下：/****************************************************************//*显示内容：利用18B20单线温度检测的应用程序然后在数码管可以显示XX.XC，C表示摄氏度*//****************************************************************/#include#include#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint/****************************************************************//*定义端口*//****************************************************************/sbitseg1=P0^0;sbitseg2=P0^1;sbitseg3=P0^2;sbitDQ=P3^6;//DS18B20端口sbitbeep=P2^0;//警报sfrdataled=0x90;//显示数据端口P1/****************************************************************//*全局变量*//****************************************************************/uinttemp;ucharflag_get,count,num,minute,second;ucharcodetab[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//七段数码管共阴ucharstr[6];.. ./****************************************************************//*函数声明*//****************************************************************/voiddelay1(ucharMS);unsignedintReadTemperature(void);voidInit_DS18B20(void);unsignedcharReadOneChar(void);voidWriteOneChar(unsignedchardat);voiddelay(unsignedinti);/****************************************************************//*主函数*//****************************************************************/voidmain(){unsignedcharTempH,TempL;TMOD|=0x01;//定时器设置TH0=0xef;TL0=0xf0;IE=0x82;TR0=1;P0=0x00;count=0;while(1){str[5]=0x39;//显示C符号str[1]=tab[TempH/100];//百位温度str[2]=tab[(TempH%100)/10];//十位温度str[3]=tab[(TempH%100)%10]|0x80;//个位温度，带小数点.. .str[4]=tab[TempL];if((TempH%100)/10==3&&(TempH%100)%10>=5&&TempL>0||(TempH%100)/10==3&&(TempH%100)%10<8){beep=1;}elsebeep=0;//温度高于38摄氏度就报警if(flag_get==1)//定时读取当前温度{temp=ReadTemperature();if(temp&0x8000){str[0]=0x40;//符号标志temp=~temp;//取反加1temp+=1;}elsestr[0]=0;TempH=temp>>4;TempL=temp&0x0f;TempL=TempL*6/10;//小数近似处理flag_get=0;}}}/****************************************************************//*定时器中断*//****************************************************************/voidtim(void)interrupt1using1//中断，用于数码管扫描和温度检测间隔.. .{TH0=0xef;//定时器重装值TL0=0xf0;num++;if(num==50){num=0;flag_get=1;//标志位有效second++;if(second>=60){second=0;minute++;}}count++;if(count==1){P0=0;dataled=str[0];}//数码管扫描if(count==2){P0=1;dataled=str[1];}if(count==3){P0=2;dataled=str[2];}if(count==4){P0=3;dataled=str[3];}if(count==5){P0=4;.. .dataled=str[4];}if(count==6){P0=5;dataled=str[5];count=0;}}/****************************************************************//*延时函数*//****************************************************************/voiddelay(unsignedinti)//延时函数{while(i--);}/****************************************************************//*初始化*//****************************************************************/voidInit_DS18B20(void){unsignedcharx=0;DQ=1;//DQ复位delay(8);//稍作延时DQ=0;//单片机将DQ拉低delay(80);//大于480usDQ=1;//拉高总线delay(10);x=DQ;//稍作延时后，如果x=0，则初始化成功；如果x=1，则初始化失败delay(5);}.. ./****************************************************************//*读一个字节*//****************************************************************/unsignedcharReadOneChar(void){unsignedchari=0;unsignedchardat=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;//给脉冲信号dat>>=1;DQ=1;//给脉冲信号if(DQ)dat|=0x80;delay(5);}return(dat);}/****************************************************************//*写一个字节*//****************************************************************/voidWriteOneChar(unsignedchardat){unsignedchari=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;DQ=dat&0x01;.. .delay(5);DQ=1;dat>>=1;}delay(5);}/****************************************************************//*读取温度*//****************************************************************/unsignedintReadTemperature(void){unsignedchara=0;unsignedintb=0;unsignedintt=0;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xcc);//跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0x44);//启动温度转换delay(200);Init_DS18B20();WriteOneChar(0xcc);//跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0xbe);//读取温度寄存器等（共可读9个寄存器）前两个就是温度a=ReadOneChar();//低位b=ReadOneChar();//高位b<<=8;t=a+b;return(t);}.. .4系统仿真调试4.1程序调试与运行打开keil程序，执行菜单命令project——newproject创建“基于AT89C51单片机电子体温计设计”项目，并选择单片机型号为AT89C51。执行菜单命令file——new创建文件，输入上述C程序，保存为“基于AT89C51单片机电子体温计设计.C”。在project栏的file管理窗口中右击文件组，选择“addfiletogroup‘sourcegroup1’”,将源程序添加到项目中。执行菜单命令project——opinionsfortarget‘target1’，在弹出的对话框中选择output选项卡，选中createhexfile。在debug选项卡中，选中use：proteusVSMsimulator。执行菜单命令project——buildtarget，编译源程序，如果编译成功，则在outputwindow窗口中显示没有错误，并创建了“基于AT89C51单片机电子体温计设计.HEX”文件。在已绘制好的原理图proteusisis菜单栏中，执行菜单命令debug——useremotedebugmonitor将该项选中，是proteus与keil真正连接起来，使它们联合调试。在keil中执行菜单命令debug——start/stopdebugsession，进行keil调试环境。同时在proteusisis窗口中可以看出proteus也进入了程序调试状态。在keil中按F5键运行程序。4.2结果分析调整DS18B20上的“+”“-”符号，可以看到在显示屏上显示相应的温度。当温度在35~38（不含38）摄氏度时，只显示温度不报警，说明被测者体温正常，如图4.1a、4.1b所示；温度超过38摄氏度时，蜂鸣器会发出报警声，说明被测者发烧了，如图4.2a、4.2b所示。.. .4.3存在问题虽然仿真通过了，但是每次一开机时系统都会显示85度，然后报警，过一会儿后才显示DS18B20上的温度图4.1a37摄氏度显示屏示意图图4.1b37摄氏度DS18B20示意图图4.2a38摄氏度显示屏示意图图4.2b38摄氏度DS18B20示意图.. .5收获与展望通过对“基于AT89C51单片机电子体温计设计”程序的设计与仿真，让我在教材温度测量的设计的基础上更加深入地了解了定时/计数器、中断、总线、A/D转换器等等的应用以及单片机C程序的编写与单片机软件的简单操作和应用。一开始编写程序时总是运行不了，系统一直报错。但是经过本人不断地去改变运行，程序终于得以通过。但是在仿真时又出现了问题，系统的报警总是没有规律地报。仔细查看程序后也终于仿真成功。这让我信心增加了很多，对单片机产生了浓厚的兴趣。虽然可能存在很多问题，比如说对于汇编语言的掌握不是很好以及对软件的操作不是很熟练，但是我相信，随着学习的深入以及我对单片机知识的渴望，不久后一定会克服这些问题的。.. .6对本课程改革意见时光荏苒，岁月如歌，时间如白驹过隙，转眼间一学期就过去了。这学期可谓是一个非常充实的学期，我不仅仅学到了很多知识，更主要的是掌握了很多的应用技能。在此特别感谢张老师，您的精心指导和谆谆教诲让我没齿难忘。您独到的教学方法和耐心的讲解以及创新的教学模式让我受益匪浅，对将来踏入社会将会有极大的帮助。自我感觉本课程的改革很好，方式新颖，学生可以接收地更快，学得更加扎实。唯一不暇之处在于开设的课时有限，不能很好地去完成更深入的学习，尤其是实物操作部分，现在还不具备设计一个产品的能力，希望相关部门以后能多加课时，把实际操作加进去，相信这种方式对大家都会有很大的帮助，与此同时，大家的积极性也会大大地提高。最后衷心的感谢张老师，道一句：“老师，您辛苦了！”7期望成绩A..