毕业论文-电子体温计设计

2021年2月28日发(作者：湿毒的症状)









毕业论文（设计）



题

目

电子体温计（硬件部分）的设计

院

系


专

业

年级

学生姓名



学

号

指导教师


电子体温计（硬件部分）的设计


电子信息工程专业


学生

指导教师


【摘

要】

体温计是人们生活中的必不可少的用品。在现代化的工业生产中，单片机技术已经普及到我们生活、工作、科研各个领域，已经成为一种有力的工具，本文介绍一
种基于单片 机控制的电子温度计。

本设计采用电子体温计系统的硬件设计，
采用一种新型的可编 程温度传感
（
DS18B20
）
，
不需复杂的信号调理电路和
A
／
D
转换电路能直接与单片机完成数据采集和处理，实现方
便、精度高， 性能稳定。传感器
DS18B20
接触人体，感应温度后，模数转化后的电信号送
入< br>STC89C52
单片机，并将其送入
LCD1602
数码管显示。它能快速准 确地测量人体体温，
与传统的水银玻璃体温计相比，具有读数方便，测量时间短，测量精度高，能记忆并 有蜂
鸣提示的优点。并且超过预定的温度，回有报警提示。尤其是电子体温计不含水银，对人
体 及周围环境无害，特别适合于家庭，医院等场合使用。

【关键词】

电子体温计
DS18B20
传感器
STC89C52
单片机
LCD1602
显示屏














I

The Design Of The Electronic Thermometer (Hardware Part)

Electronic And Information Engineering


【
Abstract
】
The thermometer is essential necessities in people's lives. In modern industrial
production,
single-chip
technology
has
spread
to
the
way
we
live,
work,
research
in
various
fields,
has
become
a
powerful
tool,
this
paper
describes
a
microcontroller-based
control
of
electronic thermometers.


This
design
uses
the
hardware
design
of
the
electronic
thermometer
system,
a
new
type
of
programmable temperature sensor (DS18B20), data acquisition and processing does not require
complicated signal conditioning circuitry and the A / D conversion circuit with a microcontroller,
easy to achieve accuracy high and stable performance. Sensor DS18B20 contact with the human
body,
the
sensor
temperature,
the
electrical
signals
into
the
analog-to-digital
conversion
STC89C52 microcontroller and into the LCD1602 digital display. It can quickly and accurately
measure the body temperature, compared with traditional mercury
glass thermometer, with the
easy
reading,
short
measurement
time,
high
measurement
accuracy,
memory
and
Beeper
advantages.
And
exceeds
a
predetermined
temperature,
back
to
the
alarm.
Electronic
thermometer
mercury-free,
on
the
human
body
and
ambient
sound,
especially
suitable
for
families, hospitals and other occasions.
【
Key
words
】
Digital
Thermometer
DS18B20
Sensor

STC89C52
Microcontroller
LCD1602 Display














II

目录



绪论

.
.............................. .........................................
1
1
任务要求

.
...................... ...........................................
2
2
设计思路

.
...................... ...........................................
2
3
系统设计

.
...................... ...........................................
2
4
方案设计与论证

.
................... ........................................
2
5
系统框图

.
...................... ...........................................
4
6
硬件电路设计

.
.................... .........................................
4
6.1
传感器电路

........................ ..................................
4
6.1.1 DS18B20
四个比较重要的主要的数据部件

...........................
4
6.1.2
数字温度传感器
DS18B20
介绍

.
....................................
6
6.2
单片机电路

.................. ........................................
7
6.3 LCD1602
显示屏电路

.
............ .....................................
11
6.4
电源模块

......................... ..................................
12
7 PCB
电路板的制作

............................ .............................
14
8
系统调试与测量

.
......................... .................................
14
8.1
系统调试

................................. ..........................
14
8.2
测量数据

................................. ..........................
15
8.3
误差分析

................................. ..........................
16
设计总结

.
............................................ ......................
17
参考文献

................................................. ..................
18
致

谢

.
............................................. ........................
19














III


绪论




体 温测量的历史，最早出现在
16
世纪。当时空气热膨胀是
Saatorio
主 要根据的原理，
制出了第一支体温计，用于测量口腔温度体。到
20
世纪初，才开始设 计采用水银来制作体
温计，至今水银体温计在家庭等处，得到了广泛的应用。
埃布斯坦在
1928
年发表的报告中
指出，水银温度计当时除测量口腔及腋下的温度外，还可以用来测量 颈部、外耳，大腿根
部及尿温。水银体温计的原理就是玻璃球内积存的水银温度和被测量皮肤的温度相等 。

由于水银体温计精度很高、使用方便、并且易于携带，因而很多人喜欢采用水银体温
计。再加上体温计测温方法及其结构都已完全成熟，并没太多的改进余地，人们对水银体
温计的研究热 情逐渐渐低，到现在水银体温计几乎已经没有什么发展的余地。再加上由于
测量体温用水银体温计很不方 便，如果打破摔坏体温计，水银的污染也很严重等，为了准
确测量人体的局部温度，促使人们不得不开发 了多种多样的测温方式和测温器件设备。

现在其它不同种类的电子仪器测量体温也日益普及， 已有许多医院采用了电子体温计
来测量体温。这一事实至少说明了，电子测温仪器的性能与水银温度计的 性能已经很接近
了。因此，鉴于传统的水银体温计多种因素，诸如汞的污染及其携带不方便易破碎，尤其
是测量时间过长等缺点，本课题为解决此问题设计出一种数字式电子体温计。它在稳定性
及响应 时间上比传统的水银体温计有着显著的优势，精度要求也能和传统的水银体温计相
媲美。
单片机智能化仪表在测量仪表的方面，有着很大的发展趋势。它给日常生活带来多方
面的进步，其中 数字温度计就是一个典型的例子，家庭、医院等随处可见，为了能更加满
足人们的需要，数字体温计正在 不断的进行更新换代。

现在所使用的温度计还有很多是水银、
酒精或煤油。
温度计的分辨力都是为
1
～
0.1
℃。
这些普通水银温度计的刻度间 隔通常都很密集，读数比较困难，分辨的不准确，而且他们
有着比较大的热容量，需要很长时间达到热平 衡，因此温度数值很难读准，使用非常不方
便。本设计所介绍的电子体温计，主要用于家庭等普通环境。 与传统的水银温度计相比，
电子体温计易于读数，广泛的测温范围，测温精度比较高等优点，其输出温度 采用数字显
示。

现在温度计发展非常迅速，从最原始的玻璃管温度计发展到了现在的 热电偶温度计、
热电阻温度计、集成的半导体数字温度计等。在电子式温度计中，最重要组成部分就是传
感器。温度计的测量范围、精度、控制范围和用途取决于传感器的精度、灵敏度等等。现
在的温 度传感器被广泛的应用，目前已经研制出各种各样的新型温度传感器，从而现在温
度监控系统的功能日趋 强大。



1

1
任务要求


该系统的用于体温检测，能准确快速地测量人体体温，并且需要实时的显示当前的温
度。与传统的水银玻璃体温计相比，电子体温计具有方便的读数，高精度的测量，测量时
间比较短，能记 忆并有与其它体温计不同的蜂鸣提示的优点。

测温范围
35°
C
~42°
C
，误差在±
0.2°
C
以内，当温度超过
38°
C
时，可以报警，采用
LED
数码管直读显示。并且能够实时的宽范围的温度 检测，能清楚的显示与读出数据。


2
设计思路

< br>本研究旨在设计一个电子体温计，主要控制器采用单片机
STC89C52
，传感器采用 美
国
DALLAS
半导体公司生产的
DS18B20
智能型传感器。
该传感器检查的温度是
35°
C ~42°
C
之间，检查的分辨率为 ±
0.2°
C
。当温度出现不同寻常的时候，不在设置范围内时，可以报
警， 且是通过蜂鸣器。研究工作总体包括以下多个方面：了解电子体温计的工作原理，典
型结构，发展历史及 国内外的研究和发展的现状；研究电子体温计的两个最主要的核心模
块：
DS18B20
传感器控制和
STC89C52
单片机主控制器。



3
系统设计


为满足系统的三个需求：

（
1
）实时的温度检测。

（
2
）数据能清楚的显示与读出。

（
3
）温度变 化的曲线能够实时的描绘出来。整个电子体温计系统应该设计必须含有
以下几个模块：

a.
温度采集模块。

b.
显示模块。

c.
串口通信接口。

d.
核心系统模块。


4
方案设计与论证


方案一：

本电路设计的 电子温度计，如图
4.1
，热敏电阻器件在测温电路中的感温效应。随被
测温变化，采 集的电压或电流，进行模数转换后，再用单片机进行加工处理采样的数据，
就可以通过显示电路显示出来 。但是热敏电阻测量体温有许多问题，存在测量时间较长等
2

问题。


图
4.1
基于热敏电阻的电子体温计系统框图

方案二：

红外体温计是非接触式的，算是高端的技术，最近几年才发展起来的。主要 是靠红外
传感器感应接收人体辐射的红外线，通过模数转换后，用单片机处理采样的数据，显示电
路就可以显示出来数据。但是这个方案制作成本费用高，耗时比较长，主要是体现在硬件
电路与软件程 序复杂。

方案三：

数字温度计采用单片机的温度传感器设计，各种各样的 精度高的温度计不断出现，不
断发展。数字温度检测要求必须满足的条件是检测的精度高于控制的精确度 ，否则无法控
制的体温计测量精度的要求。所以电子体温检测的一项重要的性能参数其中有一项就是测< br>量精度。因此数字体温检测追求的一个目标就是高精度。检测手段不断的现代化，现在检
测能达到 的很高的灵敏度、精度及测量范围等。同时，科学技术的发展达到的水平越高，
又为检测技术、传感器技 术提供了新的技术支持。目前市场上出现了很多传感器，很多高
精度的传感器已经出现，而且精度越来越 高。
DS18B20
将会不断的完善，从而测量的更加
精确、更加简单，更加人性化， 更满足系统设计的需求。

传统的传感器热电阻、热电偶等，只有通过外部硬件的支持，测出的 电压，才会转换
成对应的温度值。
比如说模数转换是不可少的，
还有其他的等等一些硬 件电路，
比较复杂。
有如下缺点：软件调试复杂；硬件电路复杂；制作成本高。
本电子体温计采用
DS18B20
作为检测元件，
DS18B20
是一种 改进型智能温度传感器，
最高分辨率可达
0.0625°
C
，
测温范 围为
-55~125°
C
。
其中在
35

?
C
～
45

?
C
的范围内的测量
精度为
±
0.2
?
C
，此传感器可适用于体温检测。它具有小型化 、性能高、耗能低、抗干扰能
力强、
易配微处理器等。
并且
DS18B20< br>采用单片机与三线制相连，
可以直接读出被测的温
度值，而且减少了外部的硬件电路设计 ，具有低成本和易使用的特点。综上所述，决定采
取
DS18B20
作电子体温计为选 择方案。

方案确定

根据以上需求分析，本次设计采用方案三来设计电子体温计。



3

5
系统框图














串口通信接口

5V
稳压电路

主

控

制

器

LED
显

示

时钟振荡

温

度

传


感

器


























图
5.1
电子体温计系统框图

6
硬件电路设计


6.1
传感器电路

美国DALLAS
半导体公司设计生产一种
DS18B20
温度传感器，并且
DS18B20
是一种
智能化的温度传感器。新出来的，比较流行的温度传感器，是与平常传统 的热敏电阻等测
量温度的元件相比较，它提供
9
位
(
二进制
)
温度读数，并且可以指示器件的温度，而且能
够直接读出被测的温度数值。

DS18B20
的性能和特点如以下几点，都是很好的优点：其一是多个
DS18B20可以并
联在唯一一个单独的三线上，并且能够实现多点组网功能；其二是独特单独的单线接口仅仅需要一个端口引脚就可以进行通信；其三是用户可以自己定义的非易失性温度报警的设
置；不需要 外部的外围器件；其余的是可以通过数据线供电，电压范围为是在
3.0~5.5V
；
当待机的时候，功耗为零；温度以
9~12
位的数字两读出；负电压特性，当电源极性接反的时候，温度计不会因发热而烧毁，只是不能正常工作。报警搜索命令识别并标志超过程
序限定温度 （温度报警条件）的器件。

6.1.1
DS18B20
四个比较重要的主要的数据部件



< br>（
1
）
ROM
能够用
64
位进行光刻，
并且 出厂前已经光刻好了光刻
ROM
中的
64
位序列码，
因此它可以看作 是该
DS18B20
的地址序列码。
64
位光刻
ROM
的排 列是：
产品类型标号是在
开始
8
位（
28H
）
，接 着的
DS18B20
自身的序列码是
48
位的，
56
位校验 码是在最后
8
位。



（
2
）
DS18B20
中有个温度传感器，
并且该传感器是用来测量人体体温的。
每一个DSl820
4

中，包括独一无二的序列码，序列码是
64
位长的。
DSl820
内部的
ROM(
只读存贮器
)
就是< br>用来装填该序号值的。产品类型编码是在前面的
8
位
(DSl820
编码均为
10H)
。接着是每
个器件唯一的序列码，在中间的
48
位 ，最后面的
8
位是前面
56
位的
CRC(
循环冗余校验)
码，而循环冗余校验码的公式是（
CRC=X8+X5+X4+1
）
。 每一个
DS18B20
都各不相同，主要
体现是在光刻
ROM
的作用 ，
这样就可以实现多个
DS18B20
挂接在一根总线上。
图
4为
DS18B20
的实物图。










图
6.1
不锈钢封装防水型
DS18b20
温度探头


图
6.2
DS18B20
内部结构图

5



图
6.3 DS18B20
电路图

6.1.2
数字温度传感器
DS18B20
介绍


DS18B20
的主要特性：



（
1
）适应更加宽广的电压范围，电压范围：
3.0
～
5.5V
，并且采用数据 线供电，与此
同时也可以采用寄生电源方式；



（
2
）
DS18B20
还具有的很多强大的功能，其中一项就是支持多点的组网功能，在唯 一
单独的三线上，就可以让多个
DS18B20
功能并联，实现组网多点测量体温；< br>


（
3
）具有很独特的单线接口方式，需要一条口线即 可让
DS18B20
在与微处理器连接，
并且能够实现微处理器与
DS18B 20
的双向通讯；



（
4
）不需要用其他的任 何外围的元器件
DS18B20
就可以使用，一只三极管的集成电
路包含了全部传感元 件及转换电路；



（
5
）温范围－
55℃～
+125
℃，在
-10
～
+85
℃的时侯精度是±
0.5
℃左右；



（
6
）有
9
～
12
位的分辨率是可以用来编写程序的，对应的可分辨温度依次分别为
0.0625
℃、
0.125
℃、
0.25
℃和
0.5℃，测量温度可实现精度高；



（
7
）温度转换为 数字，且条件是在
9
位分辨率时，最多花费
93.75ms
，而在
12
位分
辨率时，把温度值转换为数字，速度更快，最多在
750ms
内；< br>


（
8
）
测量结果可以输出直接明确的数字的温 度信号，
通过串行，
CPU
接受

一线总线

，
同时可以传送
CRC
校验码，拥有极强的抗干扰纠错能力；



（
9
）负压特性：当接反电源极性的时候，芯片不会发热，因而更加不会被烧毁，
但
之后不能正常工作。





6











图
6.4 DS18B20
封装管脚图


6.2
单片机电路


STC89C52
是一种
CMOS8
位微小型控制器，其性能高、功耗低，并且具有可编程
Flash
存储器 ，数据容量是
8K
。在单芯片上，
STC89C52
为众多嵌入式控制系统应 用提供有效、
灵活的解决方案主要其原因就是拥有可编程
Flash
和灵活的
8
位
CPU
。

具有以下标准功
能：
512bitRAM
，
8kbitFlash
，
32
位
I/O
口线，
看门狗的定时器，
内置
4KB
EEPROM
，
MAX810
复位电路，单个
6
向量
2级中断结构，三个
16
位计数器
/
定时器，全双工串口。另外静
态逻辑操作是
STC89X52
降至
0Hz
，并且支持
2
种软件，与此同时，还可选择节电模式。
当
CP U
停止工作，就是属于空闲模式。此时允许
RAM
、串口、计数器
/
定时器、中断时候
继续工作。保存
RAM
内容，可以在掉电保护方式下，并且可以把 振荡器冻结了，单片机停
止一切工作，直到下一个硬件复位或中断为止。最高运作频率
35Mh z
，
6T/12T
可选。


STC
单片机引脚说明：

7


图
6.5 STC89S52
管脚图

（
1
）
GND
：接地

（
2
）
VCC
：电源电压


（
3
）
RST
：重新设置。当振荡器复位器件时，要保证持续
RST
脚 两个机器周期的高电
平时间。

（
4
）
/EA/VPP：在此时间段外部程序的存储器（
0000H-FFFFH
）
，就必须是在
/EA
保持
持续电平低时，不管是否有内部的程序存储器。
/EA
将内部锁 定为恢复设置，此时应当注
意加密方式
1
；当
/EA
端保持电平高的 时候，在
FLASH
可以编写程序的期间。此间的内部
的程序存储器，施加
1 2V
编程电源在这个引脚上，也可以用于（
VPP
）
。

（
5
）
XTAL1
：输入内部时钟的工作电路以及输入反向振荡的放大器。
（
6
）
XTAL2
：为反向振荡器的输出。

（
7
）
P0
口：总线复用口是
P0
口，而且是数据
/
地址合起来的，也即是一个
8
位开路
漏级双向
I/O
口 。作为输出口用时，每管脚可吸收
8TTL
门电流。
P0
能够用于外部程序数
据存储器，它可以被定义为数据
/
地址的第八位。当
P0
口的管脚第 一次写
1
时，被定义为
高阻态输入。当
FIASH
进行校验时，P0
外部必须被拉高，是由于
P0
输出原码，在
FIASH
编程 时，
P0
口作为原码输入口。

（
8
）
P1口：把
1
写在
P1
口管脚之后，高电平就会在内部产生，并且可以用作输 入。
8

4TTL
的门电流能够被
P1
口缓冲器可以能够 吸收或输出，
主要原因是
P1
口内部带一个可以
提供上拉电阻的
8< br>位双向
I/O
口。电流在内部被上拉，当下拉为低电平在
P1
口被外部 产
生的时候，电流将会被输出。地址接收是当
P1
口作为第八位，并且在
FL ASH
编程和校验
的时侯。

（
9
）
P2
口：
4
个
TTL
的门电流可以在
P2
口的缓冲器可吸收或 输出，
P2
口内部带一个
8
位双向
I/O
口，并且是可以上 拉电阻的。并因当
P2
口的管脚被外部拉低，这个是作为输
入的时侯来的，将输出电流 。这是由于内部上拉的缘故。
P2
口在
FLASH
编程和校验时接收
控制信号和高八位地址信号。
P2
口当用在
16
位地址外部数据存储器，并且 进行存取或外
部程序存储器的时候，
P2
口输出地址的高八位。管脚内部有上拉电阻拉 高，主要是当
P2
口被写“
1
”时，并且把
P2
口当作为输 入。它优势有利用内部上拉，并且在给出地址“
1
”
的时侯，
当进行读写外部 八位地址数据存储器的时候，
P2
口输出其特殊功能寄存器的内容。

（10
）
P3
口：
P3
口内部的管脚是
8
个带上 拉电阻的双向
I/O
口，可吸收或输出
4
个
TTL
门电流。 作为输入，由于外部下拉为低电平，
P3
口将输出电流（
ILL
）这是由于上 拉
的缘故。当
P3
口写入“
1
”后，用作输入，与此同时，并且内部 电平上拉为高电平。

AT89C51
的某些特殊功能口可以采用
P3
口来实现，如下表
1
所示：

表
6.1 P3
特殊功能口

①

管脚


P3.0
RXD
P3.1
TXD
P3.2
/INT0
P3.3
/INT1
P3.4
T0
P3.5
T1
/WR
/RD
1
P3.6
写选通的外部数据存储
器

P3.7
读选通的外部数据存储
器

9

备选功能

串行输入口

串行输出口

外部的中断
0
外部的中断
1
外部的输入记时器
0
外部的输入记时器
P3
口同时为闪烁编程和编程校验，且可以接收一部分控制信号。

（
11< br>）
/PSEN
：外部程序存储器之中有选通信号在。在由外部程序存储器工作时候，取指期间，两次
/PSEN
有效，且在每个机器周期中。但两次有效的
/PSEN
信号将不出现在
访问外部数据存储器时。

（
12
）
ALE//PROG
：通常情况下，
ALE
端输出正脉冲信号，并且以不变的频率周 期，此
频率为振荡器频率的
1/6
。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 当外部存储
器准备被访问的时候，锁存地址的地位字节可以让地址锁存允许的输出电平。此引脚用于输入编程脉冲，主要是用在
FLASH
编程期间。此时，
ALE
只有在 执行
MOVX
，只有在
ALE
情况下，
MOVC
指令是才起 作用的。然而要注意的是：跳过一个
ALE
脉冲，就会用作外部数
据存储器时。如想禁 止
ALE
的输出可在
SFR8EH
地址上置
0
。另外，该引 脚被略微拉高。如
果是无效的置位，很可能主要原因是禁止了微处理器在外部执行状态
ALE< br>。

本次设计中使用的引脚为
RXD,TXD,P2,P3
口。



图
6.6
单片机电路原理图

10