医用体温监测系统

1、长春工业大学毕业论文1摘摘要要本人设计了一种医用体温监测系统，该系统通过以单片机AT89C51为核心的前端体温测量装置实时采集病人的体温，然后通过RS485将体温传送到病区PC机，实现对每个病人体温数据的自动或手动选择采集、处理、实时显示和对温度报表的查询、打印等。体温测量装置采用温度传感器ds18b20，然后将数值传送到单片机AT89C51,通过单片机AT89C51完成数据采集和处理，最后经数码管显示所测的温度值。在该系统中单片机对温度传感器进行控制和数据传输，借助串行通信实现了人机交互控制，系统控制方便，工作稳定，能实现可靠的数据传输。关键词：体温；：体温；RS485RS485；AT89C

2、51AT89C51；ds18b20ds18b20长春工业大学毕业论文2The Research of Monitoring System for Body Temperature of Medical UseAbstract：The monitoring system for body temperature of medical use is designed and realized in this paper. Patient sbody temperature is gathered in real time by a measuring device whose kernel is

3、AT89C51 ,and is transmitted to PC by RS485.The software can setup the system parameter, can recollect, process, record the data of body temperature, and can inquire, print the temperature report forms, it is the command center of the whole system.This text, to the little controllerAT89C51, integrate

4、d temperature sensor ds18b20 , and has described the operation principle of each part and plan of design of system emphatically.We use single chip microcomputer to control the temperature sensor and communicate the data, thus, man-machine conversation comes into true in virtue of serial communicatio

5、n .The running of system shows that it is easy to control and it works stably to perform reliable data transmission.KeywordsKeywords : :bodybody temperaturetemperature ；RS485RS485 ；AT89C51AT89C51 ；ds18b20;ds18b20; 1 目目 录录第一章 绪论.2 11系统背景.212系统概述.213技术参数.2第二章 系统方案确定.321 系统整体方案论证.322 方案概述.523 人体多个检测点的选

6、择.524 系统元器件的选择.6241 测温传感器地选择.7242 主机的选择.10第三章 系统硬件设计.1131ds18B20 的测温原理与结构.11311 温度传感器 ds18b20 的结构原理.11312 信号采集电路设计.1332 主机及接口电路.19321 AT89C51 结构原理及外围扩展 MAX7219.19322 键盘/显示器设计.24323 单片机的串行通信.26第四章 系统软件设计.2941 软件设计的基本要求.2942 该系统设计主要考虑的问题.2943 上位机与单片机串行通信软件设计.2944 体温检测系统下位机软件设计.30441 下位机主程序流程.30442 单片机

7、中断程序流程.31443 键盘扫描子程序流程.33第五章 温度采集系统的校准及结果分析.3451 温度传感器 ds18b20 的精度处理.34511 线性度.34512 灵敏度及灵敏度误差.35513 分辨力和分辨率.35514 抗干扰性和稳定性.3652 RC 并联回路的精度讨论 .3653 键盘的重建处理.36结束语.37参考文献.38致谢.39长春工业大学毕业设计2第一章第一章 绪论绪论1.1 系统背景系统背景 随着现代医学的发展和医院管理现代化的强烈要求，ICU 是英文 Intensive Care Unit 的缩写，意为重症加强护理病房。重症医学监护是随着医疗护理专业的发展、新型医疗

8、设备的诞生和医院管理体制的改进而出现的一种集现代化医疗护理技术为一体的医疗组织管理形式。重症监护病房是利用各种各样的现代化设备及先进的治疗手段，如呼吸机、监护仪、输液泵、起搏器、冰毯、胃肠道外营养等治疗手段，对各种各样的危重病人，特别是对那些死亡迫在眉睫的病人进行非常密切的观察并用特殊的生命支持手段，以提高这些病人存活机会的一个特殊治疗护理病区。ICU 是危重病人进行抢救和严密监测的场所，要求病房环境合理、简洁、方便、利于观察和抢救。体温是进行生命体征监测的重要指标之一，体温监测系统也是重症监护病房所必备的。我们过去常用的体温检测仪器是水银体温计，这种温度计易碎，读数比较难，而且误差比较大，不

9、符合 ICU 病房快速、准确的诊断要求。基于上述原因，本人设计了医用体温监测系统，它能同时对人体多个点的温度进行检测，测量结果运用数码管实时显示，而且能够根据医生的需求，将测量的结果传送到计算机中进行储存、打印以及形成温度报表等。除此之外，本系统不测体温时采集病房的温度，而且具有超限报警的功能，大大减轻了医护人员的工作负担，提高了工作效率，而且更准确的检测人体的温度，有效的完成ICU 的体温检测工作。本论文采用的是接触式的温度采集系统，传感器具有体积小，导热快，对温度场的干扰小的特点。医用人体多点温度采集系统的仪器结构简单，使用灵活方便。1.2 系统概述系统概述本设计运用主从分布式思想，由一台

10、上位机（PC 微型计算机）和下位机（单片机）组成两级分布式多点温度测量系统。该系统采用 RS-485 串行通讯标准，下位机（单片机）进行现场温度采集，然后将测得的温度值传给上位机。温度值既可以送回主控 PC 机进行数据处理，显示器显示，也可以由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值。下位机是单片机基于集成温度传感器 ds18b20 的测温系统。ds18b20 可以方便的实现多点温度的测量，轻松的组建传感器网络，系统的抗干扰性好、设计灵活、方便，非常适用于医院病人的体温测量。1.3 技术参数技术参数1、测量的温度范围：2050；2、系统检测的分辨率：0.5；长春工业大学毕业设计3第二章第二章

11、系统方案确定系统方案确定2.1系统整体方案论证系统整体方案论证温度是一个十分重要的热工参量。从微观上说，它反映物体分子运动平均动能的大小，而宏观上则表示物体的冷热程度。在各种热工实验中几乎都离不开温度，所以，温度测量是最重要的热工测量。各种测温方法大都是利用物体的某些物理化学性质（如物体的膨胀率、包阻率、热电势、辐射强度和颜色等)与温度具有定关系的原理。当温度不同时，上述各参量中的个或几个随之发生变化，测出这些参量的变化，就可间接地知道被测物体的温度。测温方法可分为接触式与非接触式两大类。用接触式方法测温时，感温元件需要与被测介质直接接触，液体膨胀式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计等均属于此

12、类。当用光学测温计、辐射测温汁、红外探测器测温时，感温元件不必与被测介质相接触，故称为非接触式测温方法。方案一：采用非接触式测温的方法方案一：采用非接触式测温的方法非接触式温度计主要分为全辐射温度计和红外温度计，下面我们来介绍一下这两种温度计的原理以及优缺点。 全辐射温度计全辐射温度计全辐射温度计由辐射感温器、显示仪表及辅助装置构成。被测物体的热辐射能量，经物镜聚集在热电堆(由一组微细的热电偶串联而成）上并转换成热电势输出，其值与被测物体的表面温度成正比，用显示仪表进行指示记录。补偿光栏由双金属片控制，当环境温度变化时，光栏相应调节照射在热电堆上的热辐射能量，以补偿因温度变化影响热电势数值而引

13、起的误差。 红外测温法红外测温法任何有一定温度的物体，都会以电磁波的形式向外界辐射能量。所辐射能量的大小，直接与该物体的温度有关，具体地说是与该物体热力学温度的 4 次方成正比，利用这个原理制成的温度测量仪表叫红外温度仪表。这种测量不需要与被测对象接触，因此属于非接触式测量。红外温度仪表可用于很宽温度范围的测温，从50直至高于 3000。在不同的温度范围，对象发出的电磁波能量的波长分布不同，在常温（0-100）范围，能量主要集中在中红外和远红外波长。用于不同温度范围和用于不同测量对象的仪表，其具体的设计也不同。下面我们来总结一下非接触式测温法的优缺点：其优点是：其优点是： 与被测对象不接触，在

14、测体温时不会造成不必要的感染； 快速，通常测量时间小于 1s，一般不会超过 2s；长春工业大学毕业设计4因此十分适合于在 SARS 预防检测中应用。其缺点是：其缺点是： 仪表本身准确度不如接触式的医用温度计，通常不会优于 0.2； 测量结果受许多因素影响，重要的是被测对象辐射率的不确定性，不容易测出被测对象 的真实温度； 仪表本身比较复杂，使用也比接触式医用温度计复杂，使用者要经一定培训才能正确使 用； 价格较高；方案二：采用接触式测温的方法方案二：采用接触式测温的方法传统的接触式体温测量是用医用玻璃液体温度计（俗称体温表）、医用电子接触式温度计（常用热敏电阻作为它的感温元件）等插入人体内部（

15、舌下、直肠）或置于腋下，通过接触使温度计的温度等于被测处的温度。下面我们对两种测温方法做出了比较：表表 2-1 接触式与非接触式测温方法比较接触式与非接触式测温方法比较接触式非接触式必要条件 感温元件必须与被测物体相接触感温元件能接收到物体的辐射能特点不适宜热容量小的物体温度测量；不适宜动态温度测量；便于多点，集中测量和自动控制。被测物体温度不变；适宜动态温度测量；适宜表面温度测量。测量范围 适宜 1000以下的温度测量适宜高温测量测温精度 测量范围的 1%左右一般在 10左右滞后较大较小该系统主要用于住院人员的体温测量，医院本身具有良好的消毒系统，能够及时有效的防止病人之间以及医护人员和病人

16、之间的交叉感染，另外，非接触式测温法受许多环境因素的影响，不易测出被测对象的实际温度，因此，本系统中采用接触式测温的方法。2.2 方案概述方案概述本系统主要应用于 ICU 重症监护病房，医生需要及时了解病人当前的体温，以便做出准确及时的诊断。基于 ICU 病房的特点，本系统采用了上位机和单片机电子体温计构成的长春工业大学毕业设计5分布式的测量系统。在一个楼层上设置一个上位机，上位机上连接多个单片机电子体温计，电子体温计的温度检测模块又连接人体的多个部位，这样有利于 ICU 的医护人员对体温做全面的分析，提高医护人员的工作效率和检测的准确性。温度检测系统中我们采用集成温度传感器 ds18b20

17、检测人体的多点温度，然后将处理好的输入量传给单片机控制器，由数码显示管显示当前温度，显示电路部分我们采用键盘控制，实现单通道显示和多通道循环显示。在电路中我们还设置了报警系统，当人体的温度或病房的温度过高或过低时将产生蜂鸣报警，给医护人员减轻工作负担。上位机的通信系统中我们采用 RS-485 的串行通信接口，完成了上位机对整个检测系统的控制。数据可利用上位机的强大功能进行存储，打印，报表生成等。这样就形成了一个完整的医用人体温度检测系统。系统的整体结构框图如下所示： 图图 2-1 医用体温监测系统整体框图医用体温监测系统整体框图2.3 人体多个检测点的选择人体多个检测点的选择重症监护病房的体温

18、检测与普通的病房不相同，病人大多是患有严重疾病的，由于病人病情的特殊性，要求本系统同时检测人体的多点温度，以便医护人员全面正确的了解病人的身体状况。 医用体温测量系统根据人体不同部位的温度特性和适合不同病人的需要，选择了以下八个温度检测点：一、腋窝测温法：由于腋窝测温安全、方便且患者易于接受，故目前是临床上最常使用的测温部位。其最大优点是简单，能连续测温。缺点是测温时间较长，准确性不高。腋窝的正常值为 3637.4。二、口腔测温法：该方法在世界大多数国家仍然使用，电子体温计经强力消毒后，基本可以避免交叉感染。其优点是操作容易，无痛苦，测温值受外界影响较小，舌下温度比中枢长春工业大学毕业设计6温

19、度和深部组织温度略低，其差异临床可忽略不计。三、颈下测温法：使新生儿取侧卧或仰卧位，将电子体温计横放于新生儿颈下皮肤皱褶处，测温 3 min 即可。该法适用于 1 岁以内较胖的患儿，因其颈部短而皮肤皱褶多，能将体温表夹紧，而较瘦患儿或年龄较大的患儿颈部相对长，其颈部皮肤不能将体温表夹紧，会影响测量结果。四、肘窝测温法：将电子体温计置于患者肘窝部，上臂内收且前臂向上弯曲(手指可搭在肩部)夹紧体温计 10min 即可。因在夏季时，腋窝多汗液，而肘窝汗液蒸发快，测温时不需擦汗，因此，在炎热季节特殊情况下可以以肘窝温度代替腋窝温度。五、背部肩胛间测温法：背部肩胛间血管由腋动脉的主要分支组成，血管较丰富

20、，且新生儿产热主要依靠棕色脂肪分解发挥作用，而棕色脂肪分布在大血管周围、肩胛间区、腋窝和颈部等处形成中心保暖系统。实验证明新生儿背部肩胛间测温 10min 能较准确地反映新生儿体温。六、腹股沟测温法：将电子体温计放于腹股沟中与内交界处(即股动脉搏动处)进行腹股沟测温，3 岁以下婴幼儿采用测腹股沟温度代替测腋温的方法是完全可行的。腹股沟测温法也适于其他部位大面积烧伤患者。七、腹部测温法：将电子体温计置于脐左旁 3cm 处，以内裤松紧带压迫固定，置密闭状态，测量 10min，这种方法适用于各年龄组，特别适用于不便测量腋窝及口腔温度者，如昏迷、老人、极度消瘦、腋窝空虚者和小儿。八、鼻腔测温：将电子体

21、温计涂上薄薄的油脂轻轻插入鼻腔，直到和鼻腔内壁接触。该部位温度可间接反映中枢温度，因受呼吸影响，不如口腔测温准确。主要用于全麻手术时的监护，但缺氧的病人不能用。综上所述，我们选用了腋窝、口腔、颈下、肘窝、背部肩胛、腹股沟、腹部、鼻腔，八个检测点，采用八个通道分时输入，单通道显示和多通道循环显示的方式。2.4 系统元器件的选择系统元器件的选择2.4.1 温传感器的选择温传感器的选择传感器是信号输入通道的第一道环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。由于传感器技术的发展非常迅速，各种各样的传感器应运而生，要选择合适的传感器，首先要明确传感器的性能指标，这样就可以把同类产品的指标和价格进行对比

22、，从中挑选合乎要求的性价比最高的传感器。传感器的主要性能指标有： 具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，转换范围与被测量实际变化范围（变化幅度范围，变化频率范围）相一致。 转换精度符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标（一般应优于系统精度的十倍左右） ，转换速度应符合整机要求 能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐高压、防腐、抗震、防爆、抗电长春工业大学毕业设计7磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。 能满足用户对可靠性和可维护性的要求。介于正确选择传感器的依据，我们先简单了解一下常用的测温传感器的种类以及测温原理：一、传统的分立式温度传感器（含敏感元件一、传

23、统的分立式温度传感器（含敏感元件）、热电偶温度传感器、热电偶温度传感器热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从501600进行连续测量,特殊的热电偶如金铁镍铬，最低可测到269，钨铼最高可达 2800。 热电偶的工作原理是基于物体的热电效应，热电偶的两个电极材料不同且两个接触点的温度也不同时，会产生热电势，这样热电偶就能进行温度测量。热电偶的优缺点如下所示：其优点是：其优点是： 信号灵敏度高、易于连续测量； 可以远传（与热电阻相比） ，无需参比温度； 金属热电偶稳定性高、互换性好； 准确度高，可以用作基准仪表

24、；其缺点是：其缺点是： 需要电源激励； 有（会影响测量精度）自热现象以及测量温度不能太高。结论结论： 热电偶是一种受温度影响很大的电器元件，当有电流流过电阻时，热电偶本身会产生热量，使阻值发生变化，即所谓的自热现象。因此，若长时间的工作，热电偶的精确度必然会受到影响。 热电偶需要外部电源的激励。这种电源通常还要加上滤波、去扰等外围设备，这样无形之中就增加了成本，而且设计起来也很复杂。由以上两条结论得出：热电偶这种温度传感器并不适合本设计对温度传感器的选择要求。 、热电阻温度传感器、热电阻温度传感器热电阻温度计被广泛地用于低温及中温（-200500）的温度测量，随着科技的发展，目前应用范围已扩展

25、到 15K 的超低温领域。同时，在 10001200的高温范围内，也具有较好特性。纯金属有正的温度系数，温度每升高 1,电阻约增加 0.40.6%，而半导体电阻率却随温度升高而减少，即有负的电阻温度系数，在 20时，温度每变化 1，电阻率却要变化约-2%-6%。它们都可用来制造热电阻或热敏电阻。 金属电阻温度计金属电阻温度计对于绝大多数金属，电阻随温度升高而增大的特性方程为: （2.1）长春工业大学毕业设计8式中：Rt,Rt0分别为热电阻在 t和 t0时的电阻值；a1,a2 ,.,an为热电阻的温度系数（1/）；温度系数 ai在一定的温度范围内，可以近似认为为一个常数，不同的金属导体，ai取值

26、的范围不同。 半导体热敏电阻半导体热敏电阻由于半导体热敏电阻比金属热电阻具有更高的电阻温度系数，所以它有较高的灵敏度。同时，具有较好的动态特性。半导体热敏电阻包括正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）、临界温度系数（CTR）热敏电阻等几类。下面主要介绍 NTC 型热敏电阻的温度特性：热敏电阻的温度特性热敏电阻伏安特性热敏电阻安时特性 图图 2-22-2 热敏电阻的温度特性曲线热敏电阻的温度特性曲线根据上述特性，我们总结出热敏电阻传感器的优缺点如下：其优点是：其优点是： 电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大 10100 倍； 结构简单，体积小，可以测量点温度； 电阻率高，热惯性小，适宜

27、动态测量；其缺点是：其缺点是： 阻值与温度变化呈非线性状态； 多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时，其电阻值下降，同时灵敏度也下降； 稳定性和互换性较差； 无法检测小于 0.3C 的温度信号；结论：结论： 热敏电阻的阻值与温度变化呈非线性性。在传感器的使用过程中，线性度是一个很重要的技术指标。对于非线性的输入输出关系，需采用过零旋转拟合、零点拟合、端点连线平移、长春工业大学毕业设计9最小二乘法等直线拟合方法进行直线化，相比于线性输出的温度传感器，这就无疑增加了处理的难度和复杂性。因此最好避免采用，以使数据处理部分简化。 因为人体温度处于 3540的范围内，而热敏电阻经高温烧结，它可满足

28、 40C90C 的测量范围，不能达到所要求的测量范围，所以也不宜选用。 热敏电阻这种温度传感器无法检测小于 0.3C 的温度信号，可见，热敏电阻的分辨率是很低的，不适合对人体温度的精确测量。因此，由以上三条结论得出：热敏电阻这种温度传感器并不适合本设计对温度传感器的选择要求。二、集成温度传感器二、集成温度传感器/ /控制器。控制器。 集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在 20 世纪 80 年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。 集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的 b

29、-e 结压降的不饱和值 VBE与热力学温度 T 和通过发射极电流 I 的下述关系实现对温度的检测： （2.2）式中，K波尔兹常数，q电子电荷绝对值。集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为 10mV/K，温度 0时输出为 0，温度 25时输出 2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1mA/K。常见的集成温度传感器是ds18b20，DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根

30、据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。 。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，而且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20 供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20 可使系统结构更趋简单，可靠性更高。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820 有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。 由以上可以看出，集成温度传感器具有测量误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等优点，所以本系统采用d

31、s18b20集成温度传感器。2.4.32.4.3主机的选择主机的选择lnqBEKITVI长春工业大学毕业设计10在微机化测控系统中，通常把 CPU 及与其相连的存储器和接口电路统称为主机电路，主机电路是微机化测控系统的核心。目前微机化测控系统采用的主机主要有 PC 机和单片机两种。体温测量系统主要用于病人体温的测量，重点在于减少医护人员的负担，而且系统要轻便，价格便宜。基于以上因素，本设计系统的下位机采用单片机。而上位机主要用于医护人员储存温度资料，绘制曲线，需要较大的存储空间的数据处理能力，所以上位机选择 PC 机。单片机是指在一块芯片上集成了计算机的基本部件，包括中央处理器、存储器、输入/

32、输出接口、计数器/定时器以及其他有关部件。一块芯片就构成了一台计算机。单片机一般具有以下特点： 可靠性高：芯片本身是按照工业测控环境要求设计的，其工业抗干扰能一般优于普通的CPU，而且程序指令、系统常数均固化在 ROM 中，不易破坏，硬件集成度高，使系统可靠性大大提高。 易扩展：单片机内具有计算机正常工作所必需的部件，芯片外部有许多供扩展用的总线及并行、串行引脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 控制功能强：为满足工业控制需要，单片机的指令系统均有极为丰富的条件分支转移指令、I/O 端口的逻辑操作以及位处理功能。 体积小：由于单片机的高集成度，使得整个电路系统的体积有可能大幅度减小，并可以

33、形成便携式仪器，携带和使用非常方便。 开发周期短、成本低。正因为如此，目前常见的微机化测控系统，特别是小型测控系统和便携式测控仪器大多数采用单片机。单片机的种类繁多，性能各异，目前 8 位机是单片机的主流机型。目前我国国内使用的单片机是 Intel 公司生产的 MCS-51 系列。目前使用的单片机主要类型有8031、87C51 和 AT89C51。8031 内部包括一个八位的 CPU，128B 的数据存储器，21 个特殊功能寄存器，4 个八位的 I/O 口、一个全双工串行口，以及 2 个 16 位的定时器/计数器，但是 8031 的内部没有程序存储器，需要外扩，这样它的外围电路比较复杂。87C

34、51 片内带 EPROM，它的管脚和 MCS-51 单片机相容，但是它的价格比同类的产品高。AT89C51 是一个低功耗，高性能的含有 4KB 闪烁存储器的 8 位 CMOS 单片机，时钟频率高达 20MHZ，它与 MCS-51 的指令系统和引脚完全兼容。闪烁存储器允许电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。此外，89C51 还支持由软件选择的 2 种掉电工作方式，非常适用于低功耗的场合。而且它的价格比较低，因此本系统中采用 AT89C51 作为下位机。长春工业大学毕业设计11第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计3.1 传感器设计传感器设计医用人体温度检测系统中我们采用的传感器为 ds18b

35、20，是一个单总线数字输出型的传感器，下面我们来看看 ds18b20 的结构特点。311ds18b20 的测温原理与结构的测温原理与结构单总线原理单总线原理单总线(1 - wire) 技术是Dallas 公司的一项专有技术,它采用单根数据线作为总线,把数据、地址和控制三总线合在一起,并通过总线分时的方式与各单总线器件交互信息。为了区分总线上的不同单总线器件,每个器件在出厂时都有一个与其它器件互不重复的固定的序列号,通过访问序列号,任何单总线器件都可被唯一地选出以用于通信。单总线采用了线或的配置方式,其硬件原理图可见图2.1。主机为漏极开路输出,总线在闲状态时通过外接上拉电阻保持为高电平。而单总

36、线器件通过一个漏极开路或三态端口连接至该线上,它只能将总线下拉至低电平,并且在不发送数据时器件需要释放总线。由于单总线只有一根数据线,主机与单总线器件之间便采用了对高低电平进行类似脉冲宽度调制的方式来实现对数据的发送。 图图3-13-1 单总线硬件原理图单总线硬件原理图DS18B20DS18B20 的特点的特点1.独特的单线接口方式，DS18B20与微处理长春工业大学毕业设计12器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。2.在使用中不需要任何外围元件。3.可用数据线供电，电压范围为3.05.5V。4.测温范围为-55+125。固有测温分辨率为0.5。5.通过编程可实现9

37、12位的数字读数方式。6.用户可自设定非易失性的报警上下限值。7.支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。8.负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。DS18B20数字式温度传感器的外部形状、内部芯片如图2.2所示。它使用一总线接口实现和外部微处理器的通信。温度的测量范围为- 55 + 125 ,测量精度为0.5。传感器的供电寄生在通信的总线上,可以从一总线通信中的高电平中取得,这样可以不需要外部的供电电源。作为替代也可直接用供电端(VDD) 供电。一般在检测的温度超过100C时, 建议使用供电端供电, 供电的范围为3 5. 5V。当

38、使用总线寄生供电时,供电端必须接地,同时总线口在空闲的时候必须保持高电平,以便对传感器充电。每一个DS18B20 温度传感器都有一个自己特有的芯片序列号,我们可以将多个这样的温度传感器挂接在一根总线上,实现多点温度的检测。图图3-23-2 DS18B20DS18B20外部形状及管脚图外部形状及管脚图 DS18B20DS18B20 的内部结构的内部结构 数字化温度传感器DS1820内部功能结构如图2.3 所示。它主要由4个数据部件部分组成: 64位ROM;温度传感器;非易失性的温度告警触发器TH 和TL；高速便笺存储器。长春工业大学毕业设计13图图3-33-3 DS18B20DS18B20内部结

39、构图内部结构图6464 位位 ROMROM芯片内部有经过ROM内含64位ROM编码，包括产品序列号（高8位）、产品序号（中间48位）和CRC编码。如下表2.1所示，ROM的具体操作命令如表2.2所示。表表3-13-1 6464位位ROMROM结构结构表表3-23-2 ROMROM的操作命令的操作命令长春工业大学毕业设计14温度传感器和循环冗余校验码（温度传感器和循环冗余校验码（CRCCRC）的产生）的产生温度传感器可完成对温度的测量，用16位二进制的数据或十六进制的数据输出。在64位激光ROM的最低8位字节中存有CRC。主CPU根据ROM的前56位来计算CRC值，并与存入DS18B20的CRC

40、值进行比较，以判断主CPU接收到的ROM数据是否正确。高速暂存器高速暂存器它由便笺式RAM和非易失性电擦写EEPROM组成，后者用于存储TH、TL 值。数据先写入EEPROM，经校验后再传给EEPROM。便笺式RAM 占9个字节，包括温度信息（ 第1、2 字节） 、TH和TL值（3、4字节） 、计数寄存器（7、8）字节、CRC第9字节等，第5、6字节不用，见表2.3。在正常测温情况下，DS18B20的测温分辨力为0.5，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：首先用DS18B20提供的读暂存器指令（BEH） 读出以0.5为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所

41、测实际温度的整数部分，然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值 和每度计数值。考虑到DS18B20 测量温度的整数部分以0.25、0.75为进位界限的关系，实际温度可用下式计算： DS18B20采用9或12个位来表示被测量点的温度，通过单一根线和控制器进行信息通讯。温度读取，温度测量和温度设置等所需的能源也都可以数据线上获取而无须另加电源。由于每个DS18B20 内部都设有一个独一的序列号，所以多个DS18B20可以共存与同一条线上。设置寄存器的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。该字节各位的意义如下：低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS48B20在工作模式还是在测试模式。在DS4

42、8B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。和 用来设置分辨率，如表2.4所示DS18B20 出厂时被设置为12 位。长春工业大学毕业设计15表表3-33-3 DS18B20DS18B20内部暂存寄存器内部暂存寄存器表表3-43-4 DS18B20DS18B20分辨率的设置分辨率的设置3.1.21.2 DS18B20DS18B20 的工作原理的工作原理 单点测温原理单点测温原理 本系统选用的温度传感器是数字温度传感器DS18B20 ,主要特点:独有的单线通讯技术,只需要1 个接口引脚即可通信;多片串用能力使多点温度检测应用得以简化;无需外接元件;可通过信号线供电,电源电压范围为3. 35 V

43、 ,无需备用电源;测温范围为-55125,从-10到85 范围内保持0.5的准确度;通过编程可实现912位数字值读数方式,分别在93.75750 ms 内将温度值转化为912位的数字量；自定义、非易失性温度报警设置等。它由四个主要数据器件组成: 64 位激光ROM；温度传感器；非易失性温度报警触发器TH 和TL；设置寄存器。每一片DS18B20 内有唯一64 位只读存储器(激光ROM) ,最低8 位是单总线系列产品代码(DS18B20 为28H) ,其后48 位是唯一产品序列号,最后8 位是前56 位循环冗余校验码。操作DS18B20 应遵循以下顺序: 初始化、ROM 操作命令、暂存存储器操作

44、命令。ROM 操作命令包括: 读ROM 命令、符合ROM 命令、跳过ROM 命令、搜索ROM 命令、告警搜索命令。暂存存储器操作命令包括: 写入、读出、复制、温度变换、回调、读电源。DS18B20 通过使用在板温度测量专利技术来测量温度，温度测量原理如2.4图所示。它通过对门开通期间内低温度系数振荡器经历的时钟周期个数来测量温度,而门开通期由高温度系数振荡器决定。计数器1 和温度寄存器均预置-55时的数值,作为基数。低温度系数振荡器振荡频率不受温度变化的影响,产生固定频率的脉冲信号给计数器1 ;而高温度系数振荡器的振荡频率则受温度变化的影响,其脉冲信号输入计数器2 。计数器1是一个减法计数器,

45、当它减至零时,温度寄存器加1 ,若计数器2没有计数至零(即在门开通期内) ,则计数器1重新预置基数,又进行计数,温度寄存器不断累加,直至计数器2计数至零为止。这时温度寄存器的值即为测量的温度数值。显然温度高,门开通期长,高温度系数振荡器的振荡频率小。斜率累长春工业大学毕业设计16加器对振荡器温度特性的非线性进行补偿。图图3-43-4 温度测量原理框图温度测量原理框图表表3-53-5 DS18B20DS18B20输出数据与温度的对应关系输出数据与温度的对应关系 3.23.2 主机及接口电路设计主机及接口电路设计3.2.13.2.1 AT89C51AT89C51 结构原理及外围扩展结构原理及外围扩

46、展 MAX7219MAX7219AT89C51AT89C51 结构原理结构原理AT89C51 是高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89C51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89C51 的管脚图如下所示:长春工业大学毕业设计17图

47、图 3-5 AT89C51 管脚图管脚图管脚功能介绍管脚功能介绍：直插封装方式，其引脚功能可分为三部分：I/OI/O 接口线接口线I/O 口线：P0、P1、P2、P3 共四个八位口。 P0 口8 位准双向口。在单片机外扩存储器或 I/O 接口时，作为地址总线低 8 位 A7-A0 和数据总线 D7-D0。 P1 口8 位准双向并行口。 P2 口8 位准双向口。作为地址总线高 8 位 A15-A8，与 P0 口一起构成 16 位地址总线。 P3 口8 位准双向口。但每条引脚都有第二功能。对于 51 系列单片机来说，P3 口大多作为第二功能使用。P3 口作为 AT89C51 的一些特殊功能口,如下

48、所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断 0）P3.3 /INT1（外部中断 1）P3.4 T0（记时器 0 外部输入）P3.5 T1（记时器 1 外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）长春工业大学毕业设计18P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 控制线控制线ALE/PROG外部地址低 8 位锁存有效信号输出线。在 CPU 访问片外存储器时用来锁存 P0口输出的低 8 位地址，它是与地址锁存器配合工作的一个控制信号。ALE 在每个机器周期输出两个正脉冲，是振荡器频率的 1/

49、6，可作为其它芯片的外部时钟。PROG 是对片内 EPROM 编程脉冲输入端。PSEN片外 ROM 读选通信号输出端。 EA/Vpp片外 ROM 选择信号输入端。EA=0 时，CPU 从片外 ROM 读取指令；EA=1 时，CPU 从片内 ROM 读取指令。Vpp 是对于内有 EPROM 来说的为编程电源，应接+21V。RST/Vpd上电复位信号输入端。当它保持两个机器周期高电平是可以完成复位操作。Vpd为备用电源输入端，当主电源发生故障时，Vpd 将为 ROM 提供备用电源，保证信息不丢失。 电源及时钟电源及时钟Vcc芯片电源电压，+5 伏。Vss电源地线，工作时接地。XTAL1，XTAL2

50、振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入、输出端。AT89C51AT89C51 的主要特性如下表所示：的主要特性如下表所示： 表表 3-63-6 AI89C51AI89C51 的主要特性的主要特性兼容 MCS-51 指令系统4k 可反复擦写(1000 次）ISP Flash ROM32 个双向 I/O 口4.5-5.5V 工作电压2 个 16 位可编程定时/计数器时钟频率 0-33MHz全双工 UART 串行中断口线128x8 bit 内部 RAM2 个外部中断源低功耗空闲和省电模式中断唤醒省电模式3 级加密位看门狗（WDT）电路软件设置空闲和省电功能灵活的 ISP 字节和分页编程双数据寄存器

51、指针AT89C51 内部计数器功能介绍内部计数器功能介绍AT89C51 内部有两个可编程的定时器/计数器，它们具有四种工作方式，其控制字和状态字均在相应的特殊功能寄存器 TMOD 和 TCON 中，通过对控制字寄存器的编程，可方便地选择所需的工作方式。在本系统中我们所选用的是当 M1、M0 为 0、1 时定时器的工作方式 1，这时定时器等效框图如下所示：长春工业大学毕业设计19 图图 3-6 定时器定时器 0 方式方式 1 逻辑框图逻辑框图其中 C/T 为定时器/计数器方式选择位，C/T=0 为定时器方式，C/T=1 为计数器方式。GATE 为门控位“1”时，定时器/计数器受外部引脚 INT0

52、 输入电平的控制，GATE 为“0”时，定时器/计数器的运行不受外部引脚输入电平的控制。利用这一功能，我们将 ICL7135 的Busy 信号接入 INT0 脚，即可实现在 Busy 高电平期间对 CLK 时钟信号的自动计数。它的工作原理如图 3-12 所示： 图图 3-7 INT0 脚控制脚控制 T0 计数器自动计数时序计数器自动计数时序二、二、MAX7219 的结构原理的结构原理MAX7219是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示，也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路，段字驱动器，

53、而且还有一个8*8的静态RAM用来存储每一个数据。只有一个外部寄存器用来设置各个LED的段电流。一个方便的四线串行接口可以联接所有通用的微处理器。每个数据可以寻址在更新时不需要改写所有的显示。MAX7219允许用户对每一个数据选择编码或者不编码。整个设备包含一个150A的低功耗关闭模式，模拟和数字亮度控制，一个扫描限制寄存器允许用户显示1-8位数据，还有一个让所有LED发光的检测模式。在应用时要求5V的操作电压或segment blinking，可以查阅MAX6951数据资料。二、应用 条线图显示 仪表面板 工业控制 LED矩阵显示三、管脚配置长春工业大学毕业设计20 图图 3-83-8 MA

54、X7219MAX7219 管脚图管脚图四、功能特点10MHz 连续串行口独立的 LED 段控制数字的译码与非译码选择150A 的低功耗关闭模式亮度的数字和模拟控制高电压中断显示共阴极 LED 显示驱动限制回转电流的段驱动来减少 EMI（SPI, QSPI, MICROWIRE串行接口（MAX7221）24 脚的 DIP 和 SO 封装五、分类信息 表表 3-7 各种型号的各种型号的 7219芯片工作温度范围管脚封装MAX7219CNG0C to +70C24 Narrow Plastic DIPMAX7219CWG0C to +70C24 Wide SOMAX7219C/D0C to +70C

55、Dice*MAX7219ENG-40C to +85C24 Narrow Plastic DIPMAX7219EWG-40C to +85C24 Wide SOMAX7219ERG-40C to +85C24 Narrow CERDIP六、典型应用电路长春工业大学毕业设计21 图图 3-93-9 MAX7219MAX7219 接线图接线图七、管脚描述 表表 3-83-8 MAX7219MAX7219 管脚描述管脚描述管脚名称功能1DIN串行数据输入端口。在时钟上升沿时数据被载入内部的 16 位寄存器。2,3,5-8,10,11DIG 0DIG 7八个数据驱动线路置显示器共阴极为低电平。关闭时7

56、219 此管脚输出高电平，7221 呈现高阻抗。4,9GND地线（4 脚和 9 脚必须同时接地）LOAD(MAX7219)载入数据。连续数据的后 16 位在 LOAD 端的上升沿时被锁定。12CS(MAX7221)片选端。该端为低电平时串行数据被载入移位寄存器。连续数据的后 16 位在端的上升沿时被锁定。cs13CLK时钟序列输入端。最大速率为 10MHz.在时钟的上升沿，数据移入内部移位寄存器。下降沿时，数据从DOUT 端输出。对 MAX7221 来说，只有当端为低电cs平时时钟输入才有效。14-17,20-23SEG ASEG G,DP7 段和小数点驱动，为显示器提供电流。当一个段驱动关闭

57、时，7219 的此端呈低电平，7221 呈现高阻抗。18SET通过一个电阻连接到 VDD来提高段电流。19V+正极电压输入，+5V24DOUT串行数据输出端口，从 DIN 输入的数据在 16.5 个时钟周期后在此端有效。当使用多个 MAX7219/MAX7221时用此端方便扩展。八、串行地址格式 对 MAX7219 来说，串行数据在 DIN 输入 16 位数据包，无论 LOAD 端处于何种状态，长春工业大学毕业设计22在时钟的上升沿数据均移入到内部 16 位移位寄存器。对 MAX7221 来说，无论数据输入或输出必须为低电平。然后数据在 LOAD/的上升沿被载入数据寄存器或控制寄cscs存器。

58、LOAD/端在第 16 个时钟的上升沿同时或之后，下个时钟上升沿之前变为高cs电平，否则数据将会丢失。在 DIN 端的数据传输到移位寄存器在 16.5 个时钟周期之后出现在 DOUT 端。在时钟的下降沿数据将被输出。数据位标记为 D0-D15（如表 1 表示） 。D8-D11 为寄存器地址位。D0-D7 为数据位。D12-D15 为无效位。在传输过程中，首先接收到的是 D15 位，是非常重要的一位（MSB） 。表表 9 9：串行数据格式：串行数据格式D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0地址MSB 数据 LSB（三）数据寄存器和控制寄存器 表 2 列出了

59、14 个可寻址的数据寄存器和控制寄存器。数据寄存器由一个在片上的88 的双向 SRAM 来实现。它们可以直接寻址所以只要在 V+大于 2V 的情况下每个数据都可以独立的修改或保存。控制寄存器包括编码模式、显示亮度、扫描限制、关闭模式以及显示检测五个寄存器。 （四）掉电模式 MAX7219 掉电后，扫描震荡器关闭，所有段电流源和地连接，所要数字驱动与 V+相连，所以显示熄灭。MAX 7221 除了数字驱动呈现高阻抗以外其他都与 MAX7219 一样。在数据和控制寄存器里的数据是不变的。停机模式可以节省电源，当有一个连续的警报使显示器发光时，便能离开掉电模式。为了满足掉电模式最低的工作电流，逻辑输

60、入应该在 GND 或 V+（CMOS 的逻辑电位） 。 MAX7219 和 MAX7221 可以在小于 250s 的时间内离开掉电模式。在掉电模式下，显示驱动是可以编程的，而且在显示检测的时候不用考虑他是否在掉电模式工作。 （五）初始状态 在初始状态下，所有的控制寄存器将被重置，显示器熄灭，MAX7219/MAX7221 进入掉电模式。对显示驱动预先编程为以后显示而用。否则它将以最初的设置来扫描每一位数据，不对数据寄存器里的数据进行扫描，显示亮度寄存器设置为最小值。（六）译码模式寄存器 用来设置对每个数据进行 B 型 BCD 译码或者不译码。寄存器中的每一位对应一个数据。逻辑高电平用来选择译码