電子溫度計的設計與制作

張海龍

(焦作技師學院，河南 焦作 454000)

0 引言

2019年底新冠肺炎疫情的暴發給全球人民生命安全帶來了嚴重威脅，疫情初期，口罩、酒精、溫度計等醫療用品出現了嚴重短缺和供應不足的現象。伴隨疫情的常態化，溫度計作為識別發熱人群和新冠癥狀患者的重要工具，在日常生活中不可或缺。普通水銀溫度計由于測量時間較長，每次測量需要5～10 min，對于人數多、流量大的待檢測人群非常不實用。電子溫度計具有測量時間短，每次測量只需幾秒鐘即可完成，非常適合需要快速高效測量的場合。所以電子溫度計在車站、學校、商場等人員較為密集的場合應用非常廣泛。另外，電子溫度計也可用于需要對工作環境溫度進行實時監測的場合。

1 硬件設計方案

該電子溫度計采用 DS18B20數字溫度傳感器進行溫度的測量，DS18B20將測量得到的數字信號發送給單片機，單片機再將接收到的數字信號進行變換處理后，發送給數碼管進行顯示，完成溫度測量。總體設計框圖如圖1所示。

圖1 總體設計思路框圖

硬件電路包含按鍵控制、溫度測量、數據運算和處理、顯示輸出和報警處理五部分。其中，按鍵控制用于啟動溫度測量；溫度測量由DS18B20數字溫度傳感器來完成；數據運算和處理采用AT89C2051單片機來實現；顯示輸出采用經濟實用的數碼管，當測量溫度高于程序設定溫度(如測量體溫高于37.3℃)時蜂鳴器報警提示。該系統具有電路簡單、功能實用、便于維護和價格低廉等特點。

1.1 溫度傳感器的選取

該電路的溫度測量采用了Dallas半導體公司的數字化溫度傳感器 DS18B20，是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。適合于惡劣環境的現場溫度測量，如環境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產品等。

DS18B20數字溫度傳感器提供9～12-Bit的攝氏溫度測量精度和用戶可編程的非易失性且具有過溫和低溫觸發報警的報警功能。該傳感器的溫度檢測范圍為-55℃～125℃，并且在溫度-10℃～85℃時，還具有±0.5℃的精度。不僅能滿足人體測溫需要，還適用于各種溫度測量場合。此外，DS18B20可以直接由數據線供電而不需要外部電源供電。

DS18B20的核心功能是直接溫度-數字測量。其溫度轉換可由用戶自定義為9、10、11、12位，精度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.062 5℃分辨率。值得注意的是，上電默認為12位轉換精度。

1.2 單片機的選取

因該系統電路簡單、程序簡短，所用單片機I/O接口較少，所以選用了ATMEL公司的AT89C2051單片機，AT89C2051是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，只有20引腳。片內含有2K字節可反復擦寫的只讀程序存儲器和128字節的隨機數據存儲器，兼容標準MCS-51指令系統，內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元。

該系統中AT89C2051作為總控芯片，具有對測量結果進行運算處理、控制顯示及保證系統正常工作等功能。

1.3 顯示單元的設計

該電路具有測量溫度顯示輸出功能，顯示電路采用了較為經濟實用的三位一體數碼管作為顯示輸出。前兩位顯示十位和個位，第三位顯示小數部分。電路采用動態掃描方式可以節省單片機I/O接口。

1.4 報警輸出

該測量系統具有報警輸出功能，報警輸出采用蜂鳴器來實現。當測量溫度高于程序設定溫度(如測量體溫高于37.3℃)時蜂鳴器報警提示。報警時蜂鳴器每隔0.5 s發出提示，周期為1 s。

2 軟件設計

該程序采用模塊化設計，主要包含初始化、溫度檢測、顯示、報警處理等內容。初始化用于啟動DS18B20和數碼管的清屏，主程序完成溫度檢測、顯示和報警處理的循環執行。

2.1 DS18B20的程序控制

DS18B20采用的是1-Wire總線協議方式，即用一根數據線實現數據的雙向傳輸，而對AT89C2051單片機來說，硬件上并不支持單總線協議，因此必須采用軟件的方法來模擬單總線的協議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。

DS18B20控制程序包含初始化、讀、寫操作。數據和命令的傳輸都是低位在先。初始化包括主機發送的復位脈沖和器件向主機返回的存在脈沖。主機總線最小發出480μs的低電平復位脈沖，接著釋放總線并進接收狀態，器件在接收到總線的電平上升沿后，等待15～60 μs發出60～240 μs的低電平存在脈沖信號，通知主機器件已接在總線上。

DS18B20的訪問程序如圖2所示。

圖2 DS18B20的訪問程序

2.2 數碼管顯示程序

為了提高數碼管顯示亮度，顯示電路設計了段碼端和位碼端的驅動電路，段碼和位碼由同一數據端口發出，通過片選信號進行選擇。顯示控制程序如圖3所示。

圖3 顯示控制程序

3 結語

該電子溫度計采用AT89C2051單片機作為核心控制元件，通過DS18B20數字溫度傳感器進行溫度測量，具有測量速度快、性能可靠、電路簡單、成本低等特點，注重實用性。