一種嬰兒洗澡水溫度監(jiān)測報警器的設(shè)計*

宋秦中，周 宇

（蘇州市職業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇蘇州 215104）

0 引言

嬰兒皮膚嬌嫩、體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)還不成熟，對溫度不敏感，在洗澡時為了防止燙傷，應(yīng)嚴格控制寶寶洗澡水的水溫，不宜太熱也不宜太冷。一般在家里給嬰兒洗澡時，很多家長都習慣了先倒點熱水，然后慢慢加冷水，接著用手腕或者手背部來測試水溫。醫(yī)學(xué)推薦的水溫在37～40 ℃是合適的，但成年人靠手腕或者手背部感受水溫不準確，某些溫度對成年人來說可能沒有任何感覺，但對嬰幼兒影響卻比較大，因此設(shè)計一款經(jīng)濟適用的水溫監(jiān)測報警器，科學(xué)、準確地進行水溫監(jiān)測報警具有一定的現(xiàn)實意義。從經(jīng)濟角度出發(fā)，采用單片機作為溫控系統(tǒng)，通過對外部水溫進行溫度的檢測，設(shè)定上下限溫度，當檢測水溫低于或超過設(shè)定溫度，蜂鳴器報警，從而提醒添加冷熱水。

1 方案設(shè)計

設(shè)計的溫度監(jiān)測報系統(tǒng)包括3 個部分：主控芯片、溫度檢測部分和溫度顯示部分，如圖1所示。與傳統(tǒng)的溫度計相比，其具有讀數(shù)方便、測溫范圍廣、測溫準確等優(yōu)點。另外，輸出溫度采用數(shù)字顯示，測溫準確、直觀。

圖1 總體設(shè)計方框圖

具體要求如下：（1）測溫范圍37～40 ℃；（2）精度誤差0.1 ℃；（3）數(shù)碼管直讀顯示；（4）具有擴展功能，可以設(shè)置任意的溫度來檢測上下限報警溫度。

從性價比和開發(fā)的難易程度考慮，使用STC89C51 單片機作為主控芯片，使用數(shù)碼管作為顯示溫度部分。剩下的是溫度監(jiān)測部分的選型，其核心是溫度傳感器的選擇[1-6]。傳統(tǒng)的方案是采用熱敏電阻，這種設(shè)計需要使用一個模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，測溫電路比較麻煩。而采用數(shù)字型溫度傳感器，從成本考慮還是在軟硬件的設(shè)計方案復(fù)雜程度上，都占一定優(yōu)勢。因此，最終選定STC89C51單片機作為主控芯片，數(shù)字溫度傳感器DS18B20 構(gòu)建溫度檢測部分，數(shù)碼管作為溫度顯示部分。

圖2 溫度傳感器電路原理圖

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計包括單片機最小系統(tǒng)、溫度傳感器系統(tǒng)、報警電路、顯示電路和電源電路等部分等設(shè)計，設(shè)計的溫度監(jiān)測報警器電路原理圖如圖2所示。

最小系統(tǒng)包括晶振電路、復(fù)位電路、按鍵設(shè)置部分，具體電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 單片機最小系統(tǒng)電路

溫度傳感器系統(tǒng)采用DS18B20 數(shù)字型溫度傳感器，通過編程實現(xiàn)9～12位數(shù)字讀出模式，如表1所示。DS18B20 實現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換之后，就把測得的溫度值與RAM 中的TH、TL 字節(jié)內(nèi)容作對比。如果所測得的溫度高于上限值或低于下限值時，則向主系統(tǒng)發(fā)出的報警命令作出呼應(yīng)。另外，根據(jù)本系統(tǒng)的特點，溫度傳感器的電路設(shè)計利用單線進行數(shù)據(jù)傳輸。

表1 DS18B20部分溫度對應(yīng)值表

報警電路主要由蜂鳴器、三極管、電源等所組成的。顯示電路中主要的組成部分為數(shù)碼管和三極管，數(shù)碼管主要是來顯示所需要的信息。電源電路采用的是USB 接口供電，而自鎖開關(guān)來控制電源的開關(guān)，當按下自鎖開關(guān)時，數(shù)碼管就會顯示并工作。

2.2 軟件設(shè)計

依據(jù)方案設(shè)計以及單片機的主要芯片設(shè)計主程序的流程圖：先是程序的初始化設(shè)計，然后再讀取報警溫度，之后判斷所設(shè)置的溫度是否超過40 ℃或者低于37 ℃，如果在這范圍之間就會執(zhí)行測溫的程序，如果不在就會報警，然后返回讀取報警溫度的程序，直至其在這溫度范圍才進行下一步的程序；緊接著就是進行測溫的程序，然后判斷溫度是否超標，如果超標就報警，如果沒有超標就執(zhí)行判斷的程序看其是否超過所設(shè)置的溫度。主程序的系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

一個完整的軟件程序的系統(tǒng)，離不開主程序與子程序的組成，本設(shè)計由DS18B20 溫度傳感器的初始化子程序、顯示溫度子程序、顯示報警溫度子程序、報警子程序、中斷子程序等組成。在子程序設(shè)計當中，主要的是DS18B20 溫度傳感器子程序的設(shè)計，其流程如圖5所示。

圖5 DS18B20溫度傳感器子程序流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試與測試

3.1 仿真測試

用Keil 進行程序編譯，將生成的HEX 文件導(dǎo)入Proteus 電路圖的單片機中，進行仿真測試。在電路初始化的過程中通過調(diào)整DS18B20 溫度傳感器的溫度值，數(shù)碼管將顯示相應(yīng)的數(shù)值。

設(shè)置報警溫度上限時，按一下設(shè)置按鈕，從溫度顯示模式進入溫度上限設(shè)置模式，可以通過仿真圖中的加減按鈕來設(shè)置其上限溫度值，當溫度超過系統(tǒng)下限時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警，蜂鳴器會發(fā)出報警聲，黃燈閃爍。當溫度超過設(shè)定上限時，系統(tǒng)會報警，蜂鳴器會響，紅燈閃爍，如圖6所示。

3.2 實物測試

通過本設(shè)計的電路原理圖以及PCB 原理圖對其進行實物焊接，先將焊接好的實物進行軟件程序的燒錄，之后對其進行調(diào)試。

（1）初始狀態(tài)調(diào)試

首先將焊接好實物平整地放在桌面上，再利用USB接口來連接電源與實物，按下自鎖開關(guān)，然后檢查其初始狀態(tài)。

（2）傳感器檢查

檢驗溫度傳感器是否起作用，用手觸摸它來發(fā)現(xiàn)其溫度是否改變。

（3）按鍵檢查

先檢查復(fù)位按鍵是否有作用，按下復(fù)位按鍵，看顯示屏是否變成初始狀態(tài)。

（4）實物測試

檢驗溫度設(shè)定按鈕，先按下溫度范圍設(shè)置按鈕，按一下設(shè)置按鍵，調(diào)動溫度上調(diào)按鍵來設(shè)置最高上限為40°C，如圖7（a）所示。當測量熱水時高于其上限溫度，紅燈亮，蜂鳴器報警，如圖7（b）所示。

圖6 超過上限報警仿真圖

圖7 實物測試

4 結(jié)束語

使用STC89C51單片機作為主控芯片，采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20 作為溫度檢測部分，選用數(shù)碼管作為溫度顯示部分，完成了一種水溫監(jiān)測報警系統(tǒng)的設(shè)計。仿真和實物調(diào)試證明，設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)崟r測量及顯示溫度，超出溫度范圍聲光報警，上下限溫度可通過按鍵設(shè)定等。

將設(shè)計的系統(tǒng)進行產(chǎn)品化設(shè)計與包裝后能夠應(yīng)用于嬰兒洗澡水水溫監(jiān)測與報警，溫控系統(tǒng)對洗澡水水溫進行溫度檢測，按照實際情況設(shè)定適宜的上下限溫度，當檢測水溫低于或超過設(shè)定溫度，蜂鳴器報警，從而提醒添加冷熱水，從而保護嬰兒洗浴安全。

設(shè)計的系統(tǒng)具有簡單、易上手、易操作，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，可以拓展到多種溫度監(jiān)測報警場合。