基于單片機的醫療設備溫濕度的監控設計

周紀鉉

（中山大學新華學院生物醫學工程學院 廣東·廣州 510000）

1 系統總體方案設計

系統的實現原理：本系統使用溫濕度傳感器，并與單系統微型計算機連接共同組成溫濕度監測系統，從而完成監測溫濕度。溫濕度傳感器對溫濕度的變化反饋十分迅速，它能夠及時準確的把測得的溫濕度轉化為一連串的電平信號，這時我們可以通過LCD數碼管將其測得的溫濕度值顯示出來，可供參考和讀取。如，溫度傳感器DS18B20是一種高集成度的溫度傳感器，它能夠根據當前試驗檢測環境溫度的變化產生一串實時數字信號。不同的環境溫度將會產生的差異性數字信號，通過該電平信號能夠準確及時地得到當下實驗環境的溫度值，從而實現溫度的實時監測。

2 系統硬件設計

2.1 系統總體結構

本設計的系統結構由單系統微型計算機系統、溫濕度傳感器模塊、數碼管顯示模塊和電源模塊以及報警電路組成，系統總體結構如圖1：

圖1：系統總體結構圖

該系統以AT89C52單系統微型計算機為核心，初始化啟動，使DS18B20數字溫度傳感器和HS1101濕度傳感器向其發送溫濕度實時數據，再發送溫濕度轉換命令使傳感器模擬溫度信號轉換為數字信號。同時，顯示器上顯示出當前實驗環境的溫度,當溫濕度超出事先設定的上下限范圍時，蜂鳴報警器發出警報。

2.2 DS18B20簡介

溫度和濕度傳感器最常用作不同溫度傳感器之一。早期使用模擬溫度和濕度傳感器，如熱敏電阻，隨著環境溫度的變化，它們的電阻值根據一定的函數關系線性變化，然后收集儲層上的電壓，然后收集其電阻值根據線性變化函數計算當前環境溫度。

DS18B20是第一個驅動達拉斯半導體一線接口的溫度傳感器。它具有結構緊湊、功耗低、效率高、抗干擾能力強、易于微處理器配置等優點。用于處理器處理的專用數字信號。

HS1101這些相對濕度傳感器可以根據電容器元件的批量生產。當需要補償時，可以廣泛應用。它是完全可更換的，不需要在標準環境下校準，長期飽和，可靠性高，長期穩定，干燥快，響應時間快。

2.2.1 DS18B20內部結構與特點

DS18B20的內部結構主要用于寄生電源，溫度傳感器，64位ROM接口和單主機接口，用于中間數據存儲的高速RAM存儲器，用戶自定義的溫度上限和下限存儲設備TH和TL觸發器，存儲邏輯操作和控制，8位CRC生成器等。

DS18B20中的溫度傳感器可以監測溫度并可以監測溫度。例如，12位轉換。它以2位讀取補碼的形式提供，具有16位字符擴展，其中S是字符節拍，12位被轉換。戰斗數據存儲在兩個8位Ramach DS 18 B 20中。溫度格式DS 18 B 20以二進制表2.2示出，前五位是字符位。通過將監測值乘以0.0625可以獲得實際溫度。溫度小于0,5位數為1，監測值必須反轉，再乘以0.0625得到實際溫度。

2.2.2 DS18B20溫度監測通信協議

MCU AT89S51不在設備上運行單個主協議，因為DS18B20使用1-Wire主協議，在一條數據線中執行兩種數據傳輸方式，我們DS您需要使用該軟件模擬一個主要約會，以便在DS18B20完成數據處理。

DS18B20有嚴格的通信協議來保證各位數據傳輸的正確性。該協議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設備，單總線器件作為從屬設備，而每一次命令和數據的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始。

DS18B20的一線工作協議流程是：初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數據傳輸，其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。

它們的工作的時序如下圖所示。

圖2：（a） 初始化時序

圖2：（b） 寫時序

圖2：（c） 讀時序

DS18B20的初始化過程：

（1）先將數據線置“1”。

（2）延時時間要盡可能短。

（3）數據線拉到“0”。

（4）延時600微秒（該時間的時間范圍可以從480到960微秒）。

（5）數據拉到“1”。

（6）延時等待。

（7）若CPU讀取數據線值“0”后，還要做延時，其延時的時間從發出的高電平算起（第（5）步的時間算起）最少要達到最小值。

（8）將數據線再一次拉高至“1”后結束。

DS18B20的寫操作過程：

（1）數據線先置“0”。

（2）延時確定的時間為15微秒。

（3）按從低位到高位的順序依次發送字節，一次只發送一位。

（4）延時的時間即為45微秒。

（5）將數據線拉到‘1’。

（6）重復上（1）到（6）的操作直到所有的字節已經全部發送完。

（7）最后將數據線拉高。

DS18B20的讀操作過程：

（1）將數據線拉高至“1”。

（2）延時時間兩微秒。

（3）將數據線拉低至“0”。

（4）延時時間為15微秒。

（5）將數據線拉高到“1”。

（6）延時15微秒。

（7）在讀數據線的狀態時候得到了1個狀態位，并對其進行數據處理。

（8）延時時間即為30微秒。

2.3 系統硬件設計

2.3.1 復位電路模塊

該系統接管按鈕復位電路。如果未按下按鈕，請重置電容器。此時，只要RST在兩個及以上的周期內為通路高電平，就可以正常復位，按下按鈕，用兩個諧振器去給VCC電源分壓，并復位到RST引腳。產生重置執行。復位電路如圖3所示。

圖3：復位電路

2.3.2 時鐘電路設模塊

采用統計學軟件spss21.0分析數據,所有計量資料通過“ ±s”表示,對比結果采取t檢驗;計數資料通過“n(%)”表示,對比采用X2檢驗。如果P<0.05,則說明數據間差異具有統計學意義。

時鐘系統的作用：將外部振蕩器連接到振蕩器，并且在頻率共享處理之后傳送的高頻脈沖變為單系統微計算機的內部時鐘信號，其用作用于系統中元件的協調操作的控制信號。必須這樣做。如果沒有時鐘信號，則無法更改發射器的狀態。

2.3.3 報警電路模塊

當被測環境溫度超過設置的溫度上下限時，我們需要進行報警處理，這里用到的是蜂鳴報警器。

通常，蜂鳴報警器電流為10mA，端口I/OMCU可承受幾毫安的電流。這就是您需要向驅動器添加試用版的原因。當4級為低電平時，三極管導通并且曲柄上施加電壓5 V，因此當P1.4上為高電平時，聲音信號擴散，三極管關閉，曲柄不振鈴。

報警電路如下圖所示：

圖4：報警電路

2.3.4 顯示電路模塊

顯示系統是單芯片控制系統的組成部分，單芯片應用系統通常使用7段數字LED燈作為顯示器。

LED數碼管顯示器可以分為共陰極和共陽極兩種結構。

（1）共陰極結構：如果所有的發光二極管的陰極接在一起，稱為共陰極結構；

（2）共陽極結構：如果所有的發光二極管的陽極接在一起，稱為共陽極結構。

七段LED顯示器是由7個LED按—定的圖形排列組成，七段 LED 顯示器的各個二極管分別稱為 a、b、c、d、e、f、g 段，有些七段顯示器增加一個dp段表示小數點，也稱為八段LED顯示器。

本設計使用了四位共陰極動態顯示方式，可以直接讀取溫度值，顯示溫度可以精確到1.0攝氏度。下圖為顯示電路的連接圖。

圖5：顯示電路的連接圖

2.3.5 按鍵電路模塊

該電路采用彈性按鍵K1,K2,K3,K4。按鍵電路的可以手動設置溫度的上下限。按下K4鍵，即進行溫度的上下限報警切換，通過了按K1鍵和按K2鍵調節溫度上限和下限后，最后，再按下K3鍵確認設置。

按鍵電路圖如下圖6。

圖6：按鍵電路圖

2.3.6 溫度檢測電路模塊

該電路中的溫度傳感器使用DLS的數字DS18 B20溫度傳感器。該芯片具有極簡的硬件接口，易于使用，具有很強的實用性。在該系統中，引腳P 1.1MCU連接到傳感器DS18B20的數據端口。

具體的溫度檢測電路如圖7。

圖7：溫度檢測電路圖

2.3.7 濕度檢測電路模塊

該電路中濕度傳感器采用了 HS1101數字濕度傳感器。該芯片的硬件接口不復雜，使用方便，并無需過多的電路，具有良好的連通性。該系統中具體的濕度監測部分原理如圖8。

圖8：濕度采集原理圖

3 系統軟硬件調試

本設計采用Keil uVision2編寫C語言程序，通過它的編譯器進行編譯、連接，最后將生成的代碼下載到單系統微型計算機上。

Keil C51編譯器是目前最實用的軟件，用于創建MCU系列MCS-51，編輯器C，宏焊接，鏈接器，庫管理和強大的仿真調試功能以及集成開發。

在Proteus ISIS編輯窗口中元件列表之上單擊“P”按鈕，添加元件及放置元件。

按照正確的方法，合理地布局將各個元器件連線，得到如下界面，如圖9所示。

圖9：整體電路圖

把剛產生的可執行文件下載到單系統微型計算機中，點擊運行按鈕，電路導通，程序首先進入Logo函數進行開機檢測。此時單系統微型計算機給正負溫度指示燈和報警指示燈高電平，給溫度上限指示燈低電平，使其正常發光，給共陰極數碼管相應的位高電平，使其動態顯示溫度為85℃。由于85℃不在默認溫度上下限10℃～32℃之間，所以此時正溫度指示燈亮，報警指示燈閃爍，蜂鳴報警器也開始鳴叫。大約1s后，開機檢測結束，設置當前環境溫度5℃，由于默認的溫度上下限是10℃～32℃，所以正溫度指示燈亮，報警指示燈閃爍，蜂鳴報警器鳴叫。仿真結果如圖10所示。

圖10：數字溫度計仿真圖

默認情況下設置溫度上限，若按下K4鍵進入溫度下限設置。通過按鍵K1鍵和K2鍵增加或減少溫度值，最后按下K3鍵確認。比如設置溫度上下限為13℃～45℃，當環境溫度處于35℃時，而35℃在設置的溫度上下限13℃～45℃之間，因此報警電路不工作。

仿真電路如圖11所示。

圖11：數字溫度計仿真圖

當環境溫度處于12℃時，當溫度在溫度上下限13℃～45℃之間時，報警電路開始工作，報警指示燈閃爍，蜂鳴報警器鳴叫。

仿真電路如圖12所示。

圖12：數字溫度計仿真圖

4 總結

本文介紹并設計的數字溫度計的基本監測范圍是-30℃～65℃，并且具有自動報警功能和默認溫度上下限（10℃～35℃），還可以手動設置溫度上下限，用4位一體數碼管顯示設置溫度的上下限和當前環境的溫度。如果當前環境溫度在默認的溫度上下限之間，主函數不會調用報警子程序，報警電路不會工作，蜂鳴報警器也不鳴叫；如果當前環境溫度在默認的溫度上下限之外，主函數就會調用報警子程序，直到環境溫度回到默認的溫度上下限之間。