基于單片機的數字測溫計

于海嬌 宋曉旭 王金龍 王祖宇

【摘要】? ? 隨著社會的變遷，與溫度密切相關的測量裝置已經逐漸普及。本論文介紹了測溫計的設計原理與設計方法，測溫計的主要組成部分有：AT89C52單片機、溫度傳感器DS18B20、按鍵電路、顯示電路和報警電路。它可以隨時的測量溫度并且可以設置溫度的上限值和下限值，完成對被測對象溫度的測量。此種測溫計結構簡單，溫度測量范圍在35℃-37.5℃，當測量的溫度超過設定的限值時，報警器將發出警報。通過研究與測試，本設計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。

【關鍵詞】? ? 單片機? ? 溫度檢測

引言：

隨著科技的進步和人們生活質量的提高，近些年來單片機的設計領域越來越普遍，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計起來比較繁瑣，而且精確度上也是不夠理想，但是使用單片機讓這個難題迎刃而解。無論是生活中，還是其他各個領域中，溫度都是一個極為重要的測量數據[4-6]。測溫技術也在不斷發展，不僅測量精確度不斷提升，而且測溫產品也不斷向著小型化、智能化發展。 由于單片機具有集成度高，體積小，可靠性好，單片機把各功能部件集成在一塊芯片上，構成了一個完整的計算機硬件系統，通過控制各個引腳的電平狀態，進而控制與單片機引腳連接的外圍電路，實現相應的控制功能。單片機可以廣泛的嵌入到家電、機器人、儀器儀表、工控單元、自動化設備、交通電子系統、個人終端設備，甚至兒童玩具中，已經成為現代電子系統中最重要的智能化工具。本文就是以單片機作為核心元器件，設計了一款數字測溫計。

一、系統設計

1.1系統的設計目的

本文設計的數字測溫計目標是能夠快速精準的讓被測量對象進行溫度檢測，并且能夠將它測出地溫度值顯示到LED數碼管上，再與之前設定的溫度上下限值比較，如果超過溫度限制，蜂鳴器報警，并且報警器顯示燈閃爍，這樣父母或者是監護人能夠及時的發覺孩子的體溫狀況，以至于及時的就醫。

總結系統設計步驟：

1.開啟裝置，檢查每個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.軟件預設上限溫度37.5℃，下限溫度35℃。

4.超出溫度上下限將開始報警功能，報警器顯示燈閃爍，蜂鳴器振動。

1.2系統原理

本文設計是通過單片機連接形成溫度測量系統，以實現溫度的檢測。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，它可以依據當時溫度環境的改變形成數字信號，其對溫度的變化非常敏銳，它可以將溫度迅速精準的轉變成電信號，并通過顯示器實時顯示。該溫度傳感器的測溫范圍-55℃～+125℃，符合體溫測量需求。

二、系統結構設計

2.1 系統結構設計

本方案設計的數字測溫計系統結構由單片機控制電路、溫度傳感器電路、數碼管顯示電路和報警電路組成，如圖1所示。

本系統以AT89C52單片機為核心結構，在開始運行它向主機先發送初始化命令使DS18B20啟動，再發送溫度轉換命令使數字溫度傳感器DS18B20把測得的模擬溫度信號轉換為數字信號供單片機運算。與此同時顯示器上顯示出當前環境的溫度，當溫度超出設定的溫度上、下限值得范圍時，蜂鳴器就會開始報警。

2.2 測溫電路設計

目前，在控制、自動化、傳感領域，傳感器已經向著網絡化、智能化、標準化發展，本文設計的數字測溫計使用的溫度傳感器是Dallas公司生產的數字溫度傳感器DS18B20。DS18B20用的是單總線（1-wire）串行接口技術，只有一根數據輸入輸出線DQ，總線上所有器件都掛在DQ上，電源也經該信號線供給。DS18B20溫度傳感器耗電量很小，從總線上饋送電量（空閑時幾微瓦，工作時幾毫瓦）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、穩定性好、支持多個設備多點測量、使用便捷等，因此適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。

DS18B20溫度傳感器集成度高，所用的應用模塊都集中在一個普通三極管大小的芯片中，在使用中不需要外圍元件。該傳感器結構獨特，具有一線接口結構，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，可測溫區間為-55℃～ +125℃之間，在-10℃～+85℃時測量精度可以達到±0.5℃。其測量分辨率可變，通過編程可以將測量分辨率設置為9～12位，溫度分辨率只和選擇的采用精度位數有關，9位采樣精度對應的分辨率為0.5℃，10位采樣精度對應的分辨率為0.25℃，11位采樣精度對應的分辨率為0.125℃，12位采樣精度對應的分辨率為0.0625℃，且轉換速度快，在9位精度時，轉換速度最快，可達93.75ms，精度位數提高，轉速速度相應變慢。測量的結果以數字信號的形式傳送給CPU，完全滿足本文設計的數字測溫計的實際需求。

三、系統功能

3.1系統主功能

系統在讀DS18B20芯片進行初始化之后，進行測量溫度并顯示溫度。將測量溫度與設定的溫度上下限值進行對比，判斷測量溫度是否超限。如果測量溫度超限，則蜂鳴器進行鳴叫報警，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行調整。

DS18B20有嚴苛的通信協議來確保各個數據運行與傳送的準確性。DS18B20的工作程序包括：1.復位一總線。2.當同一條總線上存在多個DS18B20時匹配ROM，否則跳出。3.設置DS18B20的報警溫度上下限。4.啟動采集且等待采集結果。5.先讀取溫度數據低位，后讀取溫度數據高位。

3.2 DS18B20溫度讀取及顯示

當DS18B20檢測到初始化時的電平，就準備開始接收或發送數據。初始化完成后讀取溫度，即讀出溫度寄存器中數據。在讀取時必須進行CRC檢查，檢查有誤時就不能繼續進行數據的編寫。DSBl820能夠從單總線中獲得電源，當信號線為高電平時，把能量儲存到內部電容器里;當單信號線為低電平時，把電源斷開，直到信號線變為高電平再次接上電容為止。

讀取溫度數據后，low的低四位為溫度的小數部分，low的高四位和high的低四位為溫度的整數部分，high的高四位都是1示為負數，都是0示為正數，所以要把數據先提取出來，然后分為三個部分：小數部分、整數部分以及符號部分。大于0.5℃的時候，個位進1;小于0.5℃的時候，舍掉。但是當數據是個負數的時候，在顯示之前要進行數據轉換，將其整數部分取反加一。

3.3溫度設置及警示

當被測環境溫度超過溫度上、下限值時，我們需要用到蜂鳴器裝置進行報警處理。

顯示系統是單片機控制系統的重要組成部分，本設計采用LED數碼管作為顯示器，這種顯示器具有耗電低、價格低等優點。

本設計采用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0.5℃。

該系統支持手動設置溫度上下限，而按鍵掃描的主要功能就是手動設置溫度的上下限。系統默認的溫度上下限是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;當被測溫度值處于35℃以下時，蜂鳴器鳴叫較急促。

按鍵K4、K1、K2、K3分別與單片機的P2.4-P2.7引腳連接。默認狀態設置溫度上限，若按下按鍵K4，也就是使P2.4為低電平時，進入溫度下限的設置，再按一次進入溫度上限的設置;在每個溫度上下限設置里面，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、系統仿真結果

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

當檢測溫度在35℃-37.5℃之間時溫度指示燈亮，報警指示燈不閃爍，蜂鳴器不鳴叫。當檢測溫度處于38.2℃，由于此時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，報警指示燈閃爍，蜂鳴器鳴叫。

五、結束語

本文設計的數字溫度計的基本測量范圍是35℃～37.5℃，具有自動報警功能，可以手動設置溫度上、下限值，用四位一體的數碼管顯示溫度。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℃區間溫度分辨率0.5℃，如果當前檢測溫度在設置的上、下限值之間，則報警器不鳴叫;假若當前環境溫度在設定的溫度上、下限值以外，則報警指示燈閃爍，蜂鳴器鳴叫。本設計符合實際使用需求。

參? 考? 文? 獻

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