醫(yī)用體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1、長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文1摘摘要要本人設(shè)計(jì)了一種醫(yī)用體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過以單片機(jī)AT89C51為核心的前端體溫測(cè)量裝置實(shí)時(shí)采集病人的體溫，然后通過RS485將體溫傳送到病區(qū)PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)病人體溫?cái)?shù)據(jù)的自動(dòng)或手動(dòng)選擇采集、處理、實(shí)時(shí)顯示和對(duì)溫度報(bào)表的查詢、打印等。體溫測(cè)量裝置采用溫度傳感器ds18b20，然后將數(shù)值傳送到單片機(jī)AT89C51,通過單片機(jī)AT89C51完成數(shù)據(jù)采集和處理，最后經(jīng)數(shù)碼管顯示所測(cè)的溫度值。在該系統(tǒng)中單片機(jī)對(duì)溫度傳感器進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)傳輸，借助串行通信實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互控制，系統(tǒng)控制方便，工作穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。關(guān)鍵詞：體溫；：體溫；RS485RS485；AT89C

2、51AT89C51；ds18b20ds18b20長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文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 錄錄第一章 緒論.2 11系統(tǒng)背景.212系統(tǒng)概述.213技術(shù)參數(shù).2第二章 系統(tǒng)方案確定.321 系統(tǒng)整體方案論證.322 方案概述.523 人體多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的選

6、擇.524 系統(tǒng)元器件的選擇.6241 測(cè)溫傳感器地選擇.7242 主機(jī)的選擇.10第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).1131ds18B20 的測(cè)溫原理與結(jié)構(gòu).11311 溫度傳感器 ds18b20 的結(jié)構(gòu)原理.11312 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì).1332 主機(jī)及接口電路.19321 AT89C51 結(jié)構(gòu)原理及外圍擴(kuò)展 MAX7219.19322 鍵盤/顯示器設(shè)計(jì).24323 單片機(jī)的串行通信.26第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).2941 軟件設(shè)計(jì)的基本要求.2942 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮的問題.2943 上位機(jī)與單片機(jī)串行通信軟件設(shè)計(jì).2944 體溫檢測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì).30441 下位機(jī)主程序流程.30442 單片機(jī)

7、中斷程序流程.31443 鍵盤掃描子程序流程.33第五章 溫度采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)及結(jié)果分析.3451 溫度傳感器 ds18b20 的精度處理.34511 線性度.34512 靈敏度及靈敏度誤差.35513 分辨力和分辨率.35514 抗干擾性和穩(wěn)定性.3652 RC 并聯(lián)回路的精度討論 .3653 鍵盤的重建處理.36結(jié)束語.37參考文獻(xiàn).38致謝.39長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)2第一章第一章 緒論緒論1.1 系統(tǒng)背景系統(tǒng)背景 隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展和醫(yī)院管理現(xiàn)代化的強(qiáng)烈要求，ICU 是英文 Intensive Care Unit 的縮寫，意為重癥加強(qiáng)護(hù)理病房。重癥醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)是隨著醫(yī)療護(hù)理專業(yè)的發(fā)展、新型醫(yī)療

8、設(shè)備的誕生和醫(yī)院管理體制的改進(jìn)而出現(xiàn)的一種集現(xiàn)代化醫(yī)療護(hù)理技術(shù)為一體的醫(yī)療組織管理形式。重癥監(jiān)護(hù)病房是利用各種各樣的現(xiàn)代化設(shè)備及先進(jìn)的治療手段，如呼吸機(jī)、監(jiān)護(hù)儀、輸液泵、起搏器、冰毯、胃腸道外營養(yǎng)等治療手段，對(duì)各種各樣的危重病人，特別是對(duì)那些死亡迫在眉睫的病人進(jìn)行非常密切的觀察并用特殊的生命支持手段，以提高這些病人存活機(jī)會(huì)的一個(gè)特殊治療護(hù)理病區(qū)。ICU 是危重病人進(jìn)行搶救和嚴(yán)密監(jiān)測(cè)的場所，要求病房環(huán)境合理、簡潔、方便、利于觀察和搶救。體溫是進(jìn)行生命體征監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)之一，體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也是重癥監(jiān)護(hù)病房所必備的。我們過去常用的體溫檢測(cè)儀器是水銀體溫計(jì)，這種溫度計(jì)易碎，讀數(shù)比較難，而且誤差比較大，不

9、符合 ICU 病房快速、準(zhǔn)確的診斷要求?；谏鲜鲈颍救嗽O(shè)計(jì)了醫(yī)用體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它能同時(shí)對(duì)人體多個(gè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果運(yùn)用數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示，而且能夠根據(jù)醫(yī)生的需求，將測(cè)量的結(jié)果傳送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行儲(chǔ)存、打印以及形成溫度報(bào)表等。除此之外，本系統(tǒng)不測(cè)體溫時(shí)采集病房的溫度，而且具有超限報(bào)警的功能，大大減輕了醫(yī)護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)，提高了工作效率，而且更準(zhǔn)確的檢測(cè)人體的溫度，有效的完成ICU 的體溫檢測(cè)工作。本論文采用的是接觸式的溫度采集系統(tǒng)，傳感器具有體積小，導(dǎo)熱快，對(duì)溫度場的干擾小的特點(diǎn)。醫(yī)用人體多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)的儀器結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活方便。1.2 系統(tǒng)概述系統(tǒng)概述本設(shè)計(jì)運(yùn)用主從分布式思想，由一臺(tái)

10、上位機(jī)（PC 微型計(jì)算機(jī)）和下位機(jī)（單片機(jī)）組成兩級(jí)分布式多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用 RS-485 串行通訊標(biāo)準(zhǔn)，下位機(jī)（單片機(jī)）進(jìn)行現(xiàn)場溫度采集，然后將測(cè)得的溫度值傳給上位機(jī)。溫度值既可以送回主控 PC 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，顯示器顯示，也可以由下位機(jī)單獨(dú)工作，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前各點(diǎn)的溫度值。下位機(jī)是單片機(jī)基于集成溫度傳感器 ds18b20 的測(cè)溫系統(tǒng)。ds18b20 可以方便的實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的測(cè)量，輕松的組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的抗干擾性好、設(shè)計(jì)靈活、方便，非常適用于醫(yī)院病人的體溫測(cè)量。1.3 技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)1、測(cè)量的溫度范圍：2050；2、系統(tǒng)檢測(cè)的分辨率：0.5；長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)3第二章第二章

11、系統(tǒng)方案確定系統(tǒng)方案確定2.1系統(tǒng)整體方案論證系統(tǒng)整體方案論證溫度是一個(gè)十分重要的熱工參量。從微觀上說，它反映物體分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的大小，而宏觀上則表示物體的冷熱程度。在各種熱工實(shí)驗(yàn)中幾乎都離不開溫度，所以，溫度測(cè)量是最重要的熱工測(cè)量。各種測(cè)溫方法大都是利用物體的某些物理化學(xué)性質(zhì)（如物體的膨脹率、包阻率、熱電勢(shì)、輻射強(qiáng)度和顏色等)與溫度具有定關(guān)系的原理。當(dāng)溫度不同時(shí)，上述各參量中的個(gè)或幾個(gè)隨之發(fā)生變化，測(cè)出這些參量的變化，就可間接地知道被測(cè)物體的溫度。測(cè)溫方法可分為接觸式與非接觸式兩大類。用接觸式方法測(cè)溫時(shí)，感溫元件需要與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，液體膨脹式溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、熱電阻溫度計(jì)等均屬于此

12、類。當(dāng)用光學(xué)測(cè)溫計(jì)、輻射測(cè)溫汁、紅外探測(cè)器測(cè)溫時(shí)，感溫元件不必與被測(cè)介質(zhì)相接觸，故稱為非接觸式測(cè)溫方法。方案一：采用非接觸式測(cè)溫的方法方案一：采用非接觸式測(cè)溫的方法非接觸式溫度計(jì)主要分為全輻射溫度計(jì)和紅外溫度計(jì)，下面我們來介紹一下這兩種溫度計(jì)的原理以及優(yōu)缺點(diǎn)。 全輻射溫度計(jì)全輻射溫度計(jì)全輻射溫度計(jì)由輻射感溫器、顯示儀表及輔助裝置構(gòu)成。被測(cè)物體的熱輻射能量，經(jīng)物鏡聚集在熱電堆(由一組微細(xì)的熱電偶串聯(lián)而成）上并轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)輸出，其值與被測(cè)物體的表面溫度成正比，用顯示儀表進(jìn)行指示記錄。補(bǔ)償光欄由雙金屬片控制，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，光欄相應(yīng)調(diào)節(jié)照射在熱電堆上的熱輻射能量，以補(bǔ)償因溫度變化影響熱電勢(shì)數(shù)值而引

13、起的誤差。 紅外測(cè)溫法紅外測(cè)溫法任何有一定溫度的物體，都會(huì)以電磁波的形式向外界輻射能量。所輻射能量的大小，直接與該物體的溫度有關(guān)，具體地說是與該物體熱力學(xué)溫度的 4 次方成正比，利用這個(gè)原理制成的溫度測(cè)量儀表叫紅外溫度儀表。這種測(cè)量不需要與被測(cè)對(duì)象接觸，因此屬于非接觸式測(cè)量。紅外溫度儀表可用于很寬溫度范圍的測(cè)溫，從50直至高于 3000。在不同的溫度范圍，對(duì)象發(fā)出的電磁波能量的波長分布不同，在常溫（0-100）范圍，能量主要集中在中紅外和遠(yuǎn)紅外波長。用于不同溫度范圍和用于不同測(cè)量對(duì)象的儀表，其具體的設(shè)計(jì)也不同。下面我們來總結(jié)一下非接觸式測(cè)溫法的優(yōu)缺點(diǎn)：其優(yōu)點(diǎn)是：其優(yōu)點(diǎn)是： 與被測(cè)對(duì)象不接觸，在

14、測(cè)體溫時(shí)不會(huì)造成不必要的感染； 快速，通常測(cè)量時(shí)間小于 1s，一般不會(huì)超過 2s；長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)4因此十分適合于在 SARS 預(yù)防檢測(cè)中應(yīng)用。其缺點(diǎn)是：其缺點(diǎn)是： 儀表本身準(zhǔn)確度不如接觸式的醫(yī)用溫度計(jì)，通常不會(huì)優(yōu)于 0.2； 測(cè)量結(jié)果受許多因素影響，重要的是被測(cè)對(duì)象輻射率的不確定性，不容易測(cè)出被測(cè)對(duì)象 的真實(shí)溫度； 儀表本身比較復(fù)雜，使用也比接觸式醫(yī)用溫度計(jì)復(fù)雜，使用者要經(jīng)一定培訓(xùn)才能正確使 用； 價(jià)格較高；方案二：采用接觸式測(cè)溫的方法方案二：采用接觸式測(cè)溫的方法傳統(tǒng)的接觸式體溫測(cè)量是用醫(yī)用玻璃液體溫度計(jì)（俗稱體溫表）、醫(yī)用電子接觸式溫度計(jì)（常用熱敏電阻作為它的感溫元件）等插入人體內(nèi)部（

15、舌下、直腸）或置于腋下，通過接觸使溫度計(jì)的溫度等于被測(cè)處的溫度。下面我們對(duì)兩種測(cè)溫方法做出了比較：表表 2-1 接觸式與非接觸式測(cè)溫方法比較接觸式與非接觸式測(cè)溫方法比較接觸式非接觸式必要條件 感溫元件必須與被測(cè)物體相接觸感溫元件能接收到物體的輻射能特點(diǎn)不適宜熱容量小的物體溫度測(cè)量；不適宜動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量；便于多點(diǎn)，集中測(cè)量和自動(dòng)控制。被測(cè)物體溫度不變；適宜動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量；適宜表面溫度測(cè)量。測(cè)量范圍 適宜 1000以下的溫度測(cè)量適宜高溫測(cè)量測(cè)溫精度 測(cè)量范圍的 1%左右一般在 10左右滯后較大較小該系統(tǒng)主要用于住院人員的體溫測(cè)量，醫(yī)院本身具有良好的消毒系統(tǒng)，能夠及時(shí)有效的防止病人之間以及醫(yī)護(hù)人員和病人

16、之間的交叉感染，另外，非接觸式測(cè)溫法受許多環(huán)境因素的影響，不易測(cè)出被測(cè)對(duì)象的實(shí)際溫度，因此，本系統(tǒng)中采用接觸式測(cè)溫的方法。2.2 方案概述方案概述本系統(tǒng)主要應(yīng)用于 ICU 重癥監(jiān)護(hù)病房，醫(yī)生需要及時(shí)了解病人當(dāng)前的體溫，以便做出準(zhǔn)確及時(shí)的診斷?；?ICU 病房的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用了上位機(jī)和單片機(jī)電子體溫計(jì)構(gòu)成的長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)5分布式的測(cè)量系統(tǒng)。在一個(gè)樓層上設(shè)置一個(gè)上位機(jī)，上位機(jī)上連接多個(gè)單片機(jī)電子體溫計(jì)，電子體溫計(jì)的溫度檢測(cè)模塊又連接人體的多個(gè)部位，這樣有利于 ICU 的醫(yī)護(hù)人員對(duì)體溫做全面的分析，提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率和檢測(cè)的準(zhǔn)確性。溫度檢測(cè)系統(tǒng)中我們采用集成溫度傳感器 ds18b20

17、檢測(cè)人體的多點(diǎn)溫度，然后將處理好的輸入量傳給單片機(jī)控制器，由數(shù)碼顯示管顯示當(dāng)前溫度，顯示電路部分我們采用鍵盤控制，實(shí)現(xiàn)單通道顯示和多通道循環(huán)顯示。在電路中我們還設(shè)置了報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)人體的溫度或病房的溫度過高或過低時(shí)將產(chǎn)生蜂鳴報(bào)警，給醫(yī)護(hù)人員減輕工作負(fù)擔(dān)。上位機(jī)的通信系統(tǒng)中我們采用 RS-485 的串行通信接口，完成了上位機(jī)對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的控制。數(shù)據(jù)可利用上位機(jī)的強(qiáng)大功能進(jìn)行存儲(chǔ)，打印，報(bào)表生成等。這樣就形成了一個(gè)完整的醫(yī)用人體溫度檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如下所示： 圖圖 2-1 醫(yī)用體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體框圖醫(yī)用體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體框圖2.3 人體多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的選擇人體多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的選擇重癥監(jiān)護(hù)病房的體溫

18、檢測(cè)與普通的病房不相同，病人大多是患有嚴(yán)重疾病的，由于病人病情的特殊性，要求本系統(tǒng)同時(shí)檢測(cè)人體的多點(diǎn)溫度，以便醫(yī)護(hù)人員全面正確的了解病人的身體狀況。 醫(yī)用體溫測(cè)量系統(tǒng)根據(jù)人體不同部位的溫度特性和適合不同病人的需要，選擇了以下八個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)：一、腋窩測(cè)溫法：由于腋窩測(cè)溫安全、方便且患者易于接受，故目前是臨床上最常使用的測(cè)溫部位。其最大優(yōu)點(diǎn)是簡單，能連續(xù)測(cè)溫。缺點(diǎn)是測(cè)溫時(shí)間較長，準(zhǔn)確性不高。腋窩的正常值為 3637.4。二、口腔測(cè)溫法：該方法在世界大多數(shù)國家仍然使用，電子體溫計(jì)經(jīng)強(qiáng)力消毒后，基本可以避免交叉感染。其優(yōu)點(diǎn)是操作容易，無痛苦，測(cè)溫值受外界影響較小，舌下溫度比中樞長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)6溫

19、度和深部組織溫度略低，其差異臨床可忽略不計(jì)。三、頸下測(cè)溫法：使新生兒取側(cè)臥或仰臥位，將電子體溫計(jì)橫放于新生兒頸下皮膚皺褶處，測(cè)溫 3 min 即可。該法適用于 1 歲以內(nèi)較胖的患兒，因其頸部短而皮膚皺褶多，能將體溫表夾緊，而較瘦患兒或年齡較大的患兒頸部相對(duì)長，其頸部皮膚不能將體溫表夾緊，會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。四、肘窩測(cè)溫法：將電子體溫計(jì)置于患者肘窩部，上臂內(nèi)收且前臂向上彎曲(手指可搭在肩部)夾緊體溫計(jì) 10min 即可。因在夏季時(shí)，腋窩多汗液，而肘窩汗液蒸發(fā)快，測(cè)溫時(shí)不需擦汗，因此，在炎熱季節(jié)特殊情況下可以以肘窩溫度代替腋窩溫度。五、背部肩胛間測(cè)溫法：背部肩胛間血管由腋動(dòng)脈的主要分支組成，血管較豐富

20、，且新生兒產(chǎn)熱主要依靠棕色脂肪分解發(fā)揮作用，而棕色脂肪分布在大血管周圍、肩胛間區(qū)、腋窩和頸部等處形成中心保暖系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明新生兒背部肩胛間測(cè)溫 10min 能較準(zhǔn)確地反映新生兒體溫。六、腹股溝測(cè)溫法：將電子體溫計(jì)放于腹股溝中與內(nèi)交界處(即股動(dòng)脈搏動(dòng)處)進(jìn)行腹股溝測(cè)溫，3 歲以下嬰幼兒采用測(cè)腹股溝溫度代替測(cè)腋溫的方法是完全可行的。腹股溝測(cè)溫法也適于其他部位大面積燒傷患者。七、腹部測(cè)溫法：將電子體溫計(jì)置于臍左旁 3cm 處，以內(nèi)褲松緊帶壓迫固定，置密閉狀態(tài)，測(cè)量 10min，這種方法適用于各年齡組，特別適用于不便測(cè)量腋窩及口腔溫度者，如昏迷、老人、極度消瘦、腋窩空虛者和小兒。八、鼻腔測(cè)溫：將電子體

21、溫計(jì)涂上薄薄的油脂輕輕插入鼻腔，直到和鼻腔內(nèi)壁接觸。該部位溫度可間接反映中樞溫度，因受呼吸影響，不如口腔測(cè)溫準(zhǔn)確。主要用于全麻手術(shù)時(shí)的監(jiān)護(hù)，但缺氧的病人不能用。綜上所述，我們選用了腋窩、口腔、頸下、肘窩、背部肩胛、腹股溝、腹部、鼻腔，八個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，采用八個(gè)通道分時(shí)輸入，單通道顯示和多通道循環(huán)顯示的方式。2.4 系統(tǒng)元器件的選擇系統(tǒng)元器件的選擇2.4.1 溫傳感器的選擇溫傳感器的選擇傳感器是信號(hào)輸入通道的第一道環(huán)節(jié)，也是決定整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。由于傳感器技術(shù)的發(fā)展非常迅速，各種各樣的傳感器應(yīng)運(yùn)而生，要選擇合適的傳感器，首先要明確傳感器的性能指標(biāo)，這樣就可以把同類產(chǎn)品的指標(biāo)和價(jià)格進(jìn)行對(duì)比

22、，從中挑選合乎要求的性價(jià)比最高的傳感器。傳感器的主要性能指標(biāo)有： 具有將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路可用電量的功能，轉(zhuǎn)換范圍與被測(cè)量實(shí)際變化范圍（變化幅度范圍，變化頻率范圍）相一致。 轉(zhuǎn)換精度符合整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)總精度要求而分配給傳感器的精度指標(biāo)（一般應(yīng)優(yōu)于系統(tǒng)精度的十倍左右） ，轉(zhuǎn)換速度應(yīng)符合整機(jī)要求 能滿足被測(cè)介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊要求，如耐高溫、耐高壓、防腐、抗震、防爆、抗電長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)7磁干擾、體積小、質(zhì)量輕和不耗電或耗電少等。 能滿足用戶對(duì)可靠性和可維護(hù)性的要求。介于正確選擇傳感器的依據(jù)，我們先簡單了解一下常用的測(cè)溫傳感器的種類以及測(cè)溫原理：一、傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器（含敏感元件一、傳

23、統(tǒng)的分立式溫度傳感器（含敏感元件）、熱電偶溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器熱電偶傳感器是工業(yè)測(cè)量中應(yīng)用最廣泛的一種溫度傳感器，它與被測(cè)對(duì)象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響，具有較高的精度；測(cè)量范圍廣，可從501600進(jìn)行連續(xù)測(cè)量,特殊的熱電偶如金鐵鎳鉻，最低可測(cè)到269，鎢錸最高可達(dá) 2800。 熱電偶的工作原理是基于物體的熱電效應(yīng)，熱電偶的兩個(gè)電極材料不同且兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度也不同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，這樣熱電偶就能進(jìn)行溫度測(cè)量。熱電偶的優(yōu)缺點(diǎn)如下所示：其優(yōu)點(diǎn)是：其優(yōu)點(diǎn)是： 信號(hào)靈敏度高、易于連續(xù)測(cè)量； 可以遠(yuǎn)傳（與熱電阻相比） ，無需參比溫度； 金屬熱電偶穩(wěn)定性高、互換性好； 準(zhǔn)確度高，可以用作基準(zhǔn)儀表

24、；其缺點(diǎn)是：其缺點(diǎn)是： 需要電源激勵(lì)； 有（會(huì)影響測(cè)量精度）自熱現(xiàn)象以及測(cè)量溫度不能太高。結(jié)論結(jié)論： 熱電偶是一種受溫度影響很大的電器元件，當(dāng)有電流流過電阻時(shí)，熱電偶本身會(huì)產(chǎn)生熱量，使阻值發(fā)生變化，即所謂的自熱現(xiàn)象。因此，若長時(shí)間的工作，熱電偶的精確度必然會(huì)受到影響。 熱電偶需要外部電源的激勵(lì)。這種電源通常還要加上濾波、去擾等外圍設(shè)備，這樣無形之中就增加了成本，而且設(shè)計(jì)起來也很復(fù)雜。由以上兩條結(jié)論得出：熱電偶這種溫度傳感器并不適合本設(shè)計(jì)對(duì)溫度傳感器的選擇要求。 、熱電阻溫度傳感器、熱電阻溫度傳感器熱電阻溫度計(jì)被廣泛地用于低溫及中溫（-200500）的溫度測(cè)量，隨著科技的發(fā)展，目前應(yīng)用范圍已擴(kuò)展

25、到 15K 的超低溫領(lǐng)域。同時(shí)，在 10001200的高溫范圍內(nèi)，也具有較好特性。純金屬有正的溫度系數(shù)，溫度每升高 1,電阻約增加 0.40.6%，而半導(dǎo)體電阻率卻隨溫度升高而減少，即有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，在 20時(shí)，溫度每變化 1，電阻率卻要變化約-2%-6%。它們都可用來制造熱電阻或熱敏電阻。 金屬電阻溫度計(jì)金屬電阻溫度計(jì)對(duì)于絕大多數(shù)金屬，電阻隨溫度升高而增大的特性方程為: （2.1）長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)8式中：Rt,Rt0分別為熱電阻在 t和 t0時(shí)的電阻值；a1,a2 ,.,an為熱電阻的溫度系數(shù)（1/）；溫度系數(shù) ai在一定的溫度范圍內(nèi)，可以近似認(rèn)為為一個(gè)常數(shù)，不同的金屬導(dǎo)體，ai取值

26、的范圍不同。 半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻由于半導(dǎo)體熱敏電阻比金屬熱電阻具有更高的電阻溫度系數(shù)，所以它有較高的靈敏度。同時(shí)，具有較好的動(dòng)態(tài)特性。半導(dǎo)體熱敏電阻包括正溫度系數(shù)（PTC）、負(fù)溫度系數(shù)（NTC）、臨界溫度系數(shù)（CTR）熱敏電阻等幾類。下面主要介紹 NTC 型熱敏電阻的溫度特性：熱敏電阻的溫度特性熱敏電阻伏安特性熱敏電阻安時(shí)特性 圖圖 2-22-2 熱敏電阻的溫度特性曲線熱敏電阻的溫度特性曲線根據(jù)上述特性，我們總結(jié)出熱敏電阻傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)如下：其優(yōu)點(diǎn)是：其優(yōu)點(diǎn)是： 電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比一般金屬電阻大 10100 倍； 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以測(cè)量點(diǎn)溫度； 電阻率高，熱慣性小，適宜

27、動(dòng)態(tài)測(cè)量；其缺點(diǎn)是：其缺點(diǎn)是： 阻值與溫度變化呈非線性狀態(tài)； 多數(shù)熱敏電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)，即當(dāng)溫度升高時(shí)，其電阻值下降，同時(shí)靈敏度也下降； 穩(wěn)定性和互換性較差； 無法檢測(cè)小于 0.3C 的溫度信號(hào)；結(jié)論：結(jié)論： 熱敏電阻的阻值與溫度變化呈非線性性。在傳感器的使用過程中，線性度是一個(gè)很重要的技術(shù)指標(biāo)。對(duì)于非線性的輸入輸出關(guān)系，需采用過零旋轉(zhuǎn)擬合、零點(diǎn)擬合、端點(diǎn)連線平移、長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)9最小二乘法等直線擬合方法進(jìn)行直線化，相比于線性輸出的溫度傳感器，這就無疑增加了處理的難度和復(fù)雜性。因此最好避免采用，以使數(shù)據(jù)處理部分簡化。 因?yàn)槿梭w溫度處于 3540的范圍內(nèi)，而熱敏電阻經(jīng)高溫?zé)Y(jié)，它可滿足

28、 40C90C 的測(cè)量范圍，不能達(dá)到所要求的測(cè)量范圍，所以也不宜選用。 熱敏電阻這種溫度傳感器無法檢測(cè)小于 0.3C 的溫度信號(hào)，可見，熱敏電阻的分辨率是很低的，不適合對(duì)人體溫度的精確測(cè)量。因此，由以上三條結(jié)論得出：熱敏電阻這種溫度傳感器并不適合本設(shè)計(jì)對(duì)溫度傳感器的選擇要求。二、集成溫度傳感器二、集成溫度傳感器/ /控制器?？刂破鳌?集成傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器是在 20 世紀(jì) 80 年代問世的，它將溫度傳感器集成在一個(gè)芯片上、可完成溫度測(cè)量及模擬信號(hào)輸出等功能。 集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的 b

29、-e 結(jié)壓降的不飽和值 VBE與熱力學(xué)溫度 T 和通過發(fā)射極電流 I 的下述關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)： （2.2）式中，K波爾茲常數(shù)，q電子電荷絕對(duì)值。集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為 10mV/K，溫度 0時(shí)輸出為 0，溫度 25時(shí)輸出 2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為1mA/K。常見的集成溫度傳感器是ds18b20，DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測(cè)溫度，并且可根

30、據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)9-12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。 ?？梢苑謩e在93.75ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，而且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20 供電，而無需額外電源。因而使用DS18B20 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。它在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820 有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。 由以上可以看出，集成溫度傳感器具有測(cè)量誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等優(yōu)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)采用d

31、s18b20集成溫度傳感器。2.4.32.4.3主機(jī)的選擇主機(jī)的選擇lnqBEKITVI長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)10在微機(jī)化測(cè)控系統(tǒng)中，通常把 CPU 及與其相連的存儲(chǔ)器和接口電路統(tǒng)稱為主機(jī)電路，主機(jī)電路是微機(jī)化測(cè)控系統(tǒng)的核心。目前微機(jī)化測(cè)控系統(tǒng)采用的主機(jī)主要有 PC 機(jī)和單片機(jī)兩種。體溫測(cè)量系統(tǒng)主要用于病人體溫的測(cè)量，重點(diǎn)在于減少醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān)，而且系統(tǒng)要輕便，價(jià)格便宜?；谝陨弦蛩?，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的下位機(jī)采用單片機(jī)。而上位機(jī)主要用于醫(yī)護(hù)人員儲(chǔ)存溫度資料，繪制曲線，需要較大的存儲(chǔ)空間的數(shù)據(jù)處理能力，所以上位機(jī)選擇 PC 機(jī)。單片機(jī)是指在一塊芯片上集成了計(jì)算機(jī)的基本部件，包括中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入/

32、輸出接口、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器以及其他有關(guān)部件。一塊芯片就構(gòu)成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。單片機(jī)一般具有以下特點(diǎn)： 可靠性高：芯片本身是按照工業(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，其工業(yè)抗干擾能一般優(yōu)于普通的CPU，而且程序指令、系統(tǒng)常數(shù)均固化在 ROM 中，不易破壞，硬件集成度高，使系統(tǒng)可靠性大大提高。 易擴(kuò)展：單片機(jī)內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常工作所必需的部件，芯片外部有許多供擴(kuò)展用的總線及并行、串行引腳，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 控制功能強(qiáng)：為滿足工業(yè)控制需要，單片機(jī)的指令系統(tǒng)均有極為豐富的條件分支轉(zhuǎn)移指令、I/O 端口的邏輯操作以及位處理功能。 體積小：由于單片機(jī)的高集成度，使得整個(gè)電路系統(tǒng)的體積有可能大幅度減小，并可以

33、形成便攜式儀器，攜帶和使用非常方便。 開發(fā)周期短、成本低。正因?yàn)槿绱?，目前常見的微機(jī)化測(cè)控系統(tǒng)，特別是小型測(cè)控系統(tǒng)和便攜式測(cè)控儀器大多數(shù)采用單片機(jī)。單片機(jī)的種類繁多，性能各異，目前 8 位機(jī)是單片機(jī)的主流機(jī)型。目前我國國內(nèi)使用的單片機(jī)是 Intel 公司生產(chǎn)的 MCS-51 系列。目前使用的單片機(jī)主要類型有8031、87C51 和 AT89C51。8031 內(nèi)部包括一個(gè)八位的 CPU，128B 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，21 個(gè)特殊功能寄存器，4 個(gè)八位的 I/O 口、一個(gè)全雙工串行口，以及 2 個(gè) 16 位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，但是 8031 的內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器，需要外擴(kuò)，這樣它的外圍電路比較復(fù)雜。87C

34、51 片內(nèi)帶 EPROM，它的管腳和 MCS-51 單片機(jī)相容，但是它的價(jià)格比同類的產(chǎn)品高。AT89C51 是一個(gè)低功耗，高性能的含有 4KB 閃爍存儲(chǔ)器的 8 位 CMOS 單片機(jī)，時(shí)鐘頻率高達(dá) 20MHZ，它與 MCS-51 的指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。閃爍存儲(chǔ)器允許電擦除、電寫入或使用編程器對(duì)其重復(fù)編程。此外，89C51 還支持由軟件選擇的 2 種掉電工作方式，非常適用于低功耗的場合。而且它的價(jià)格比較低，因此本系統(tǒng)中采用 AT89C51 作為下位機(jī)。長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)11第三章第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 傳感器設(shè)計(jì)傳感器設(shè)計(jì)醫(yī)用人體溫度檢測(cè)系統(tǒng)中我們采用的傳感器為 ds18b

35、20，是一個(gè)單總線數(shù)字輸出型的傳感器，下面我們來看看 ds18b20 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。311ds18b20 的測(cè)溫原理與結(jié)構(gòu)的測(cè)溫原理與結(jié)構(gòu)單總線原理單總線原理單總線(1 - wire) 技術(shù)是Dallas 公司的一項(xiàng)專有技術(shù),它采用單根數(shù)據(jù)線作為總線,把數(shù)據(jù)、地址和控制三總線合在一起,并通過總線分時(shí)的方式與各單總線器件交互信息。為了區(qū)分總線上的不同單總線器件,每個(gè)器件在出廠時(shí)都有一個(gè)與其它器件互不重復(fù)的固定的序列號(hào),通過訪問序列號(hào),任何單總線器件都可被唯一地選出以用于通信。單總線采用了線或的配置方式,其硬件原理圖可見圖2.1。主機(jī)為漏極開路輸出,總線在閑狀態(tài)時(shí)通過外接上拉電阻保持為高電平。而單總

36、線器件通過一個(gè)漏極開路或三態(tài)端口連接至該線上,它只能將總線下拉至低電平,并且在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)器件需要釋放總線。由于單總線只有一根數(shù)據(jù)線,主機(jī)與單總線器件之間便采用了對(duì)高低電平進(jìn)行類似脈沖寬度調(diào)制的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送。 圖圖3-13-1 單總線硬件原理圖單總線硬件原理圖DS18B20DS18B20 的特點(diǎn)的特點(diǎn)1.獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20與微處理長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)12器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。2.在使用中不需要任何外圍元件。3.可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.05.5V。4.測(cè)溫范圍為-55+125。固有測(cè)溫分辨率為0.5。5.通過編程可實(shí)現(xiàn)9

37、12位的數(shù)字讀數(shù)方式。6.用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。7.支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。8.負(fù)壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。DS18B20數(shù)字式溫度傳感器的外部形狀、內(nèi)部芯片如圖2.2所示。它使用一總線接口實(shí)現(xiàn)和外部微處理器的通信。溫度的測(cè)量范圍為- 55 + 125 ,測(cè)量精度為0.5。傳感器的供電寄生在通信的總線上,可以從一總線通信中的高電平中取得,這樣可以不需要外部的供電電源。作為替代也可直接用供電端(VDD) 供電。一般在檢測(cè)的溫度超過100C時(shí), 建議使用供電端供電, 供電的范圍為3 5. 5V。當(dāng)

38、使用總線寄生供電時(shí),供電端必須接地,同時(shí)總線口在空閑的時(shí)候必須保持高電平,以便對(duì)傳感器充電。每一個(gè)DS18B20 溫度傳感器都有一個(gè)自己特有的芯片序列號(hào),我們可以將多個(gè)這樣的溫度傳感器掛接在一根總線上,實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的檢測(cè)。圖圖3-23-2 DS18B20DS18B20外部形狀及管腳圖外部形狀及管腳圖 DS18B20DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 數(shù)字化溫度傳感器DS1820內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖2.3 所示。它主要由4個(gè)數(shù)據(jù)部件部分組成: 64位ROM;溫度傳感器;非易失性的溫度告警觸發(fā)器TH 和TL；高速便箋存儲(chǔ)器。長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)13圖圖3-33-3 DS18B20DS18B20內(nèi)部結(jié)

39、構(gòu)圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖6464 位位 ROMROM芯片內(nèi)部有經(jīng)過ROM內(nèi)含64位ROM編碼，包括產(chǎn)品序列號(hào)（高8位）、產(chǎn)品序號(hào)（中間48位）和CRC編碼。如下表2.1所示，ROM的具體操作命令如表2.2所示。表表3-13-1 6464位位ROMROM結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)表表3-23-2 ROMROM的操作命令的操作命令長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)14溫度傳感器和循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（溫度傳感器和循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRCCRC）的產(chǎn)生）的產(chǎn)生溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，用16位二進(jìn)制的數(shù)據(jù)或十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)輸出。在64位激光ROM的最低8位字節(jié)中存有CRC。主CPU根據(jù)ROM的前56位來計(jì)算CRC值，并與存入DS18B20的CRC

40、值進(jìn)行比較，以判斷主CPU接收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確。高速暫存器高速暫存器它由便箋式RAM和非易失性電擦寫EEPROM組成，后者用于存儲(chǔ)TH、TL 值。數(shù)據(jù)先寫入EEPROM，經(jīng)校驗(yàn)后再傳給EEPROM。便箋式RAM 占9個(gè)字節(jié)，包括溫度信息（ 第1、2 字節(jié)） 、TH和TL值（3、4字節(jié)） 、計(jì)數(shù)寄存器（7、8）字節(jié)、CRC第9字節(jié)等，第5、6字節(jié)不用，見表2.3。在正常測(cè)溫情況下，DS18B20的測(cè)溫分辨力為0.5，可采用下述方法獲得高分辨率的溫度測(cè)量結(jié)果：首先用DS18B20提供的讀暫存器指令（BEH） 讀出以0.5為分辨率的溫度測(cè)量結(jié)果，然后切去測(cè)量結(jié)果中的最低有效位（LSB），得到所

41、測(cè)實(shí)際溫度的整數(shù)部分，然后再用BEH指令取計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)剩余值 和每度計(jì)數(shù)值?？紤]到DS18B20 測(cè)量溫度的整數(shù)部分以0.25、0.75為進(jìn)位界限的關(guān)系，實(shí)際溫度可用下式計(jì)算： DS18B20采用9或12個(gè)位來表示被測(cè)量點(diǎn)的溫度，通過單一根線和控制器進(jìn)行信息通訊。溫度讀取，溫度測(cè)量和溫度設(shè)置等所需的能源也都可以數(shù)據(jù)線上獲取而無須另加電源。由于每個(gè)DS18B20 內(nèi)部都設(shè)有一個(gè)獨(dú)一的序列號(hào)，所以多個(gè)DS18B20可以共存與同一條線上。設(shè)置寄存器的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。該字節(jié)各位的意義如下：低五位一直都是1，TM是測(cè)試模式位，用于設(shè)置DS48B20在工作模式還是在測(cè)試模式。在DS4

42、8B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動(dòng)。和 用來設(shè)置分辨率，如表2.4所示DS18B20 出廠時(shí)被設(shè)置為12 位。長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)15表表3-33-3 DS18B20DS18B20內(nèi)部暫存寄存器內(nèi)部暫存寄存器表表3-43-4 DS18B20DS18B20分辨率的設(shè)置分辨率的設(shè)置3.1.21.2 DS18B20DS18B20 的工作原理的工作原理 單點(diǎn)測(cè)溫原理單點(diǎn)測(cè)溫原理 本系統(tǒng)選用的溫度傳感器是數(shù)字溫度傳感器DS18B20 ,主要特點(diǎn):獨(dú)有的單線通訊技術(shù),只需要1 個(gè)接口引腳即可通信;多片串用能力使多點(diǎn)溫度檢測(cè)應(yīng)用得以簡化;無需外接元件;可通過信號(hào)線供電,電源電壓范圍為3. 35 V

43、 ,無需備用電源;測(cè)溫范圍為-55125,從-10到85 范圍內(nèi)保持0.5的準(zhǔn)確度;通過編程可實(shí)現(xiàn)912位數(shù)字值讀數(shù)方式,分別在93.75750 ms 內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化為912位的數(shù)字量；自定義、非易失性溫度報(bào)警設(shè)置等。它由四個(gè)主要數(shù)據(jù)器件組成: 64 位激光ROM；溫度傳感器；非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH 和TL；設(shè)置寄存器。每一片DS18B20 內(nèi)有唯一64 位只讀存儲(chǔ)器(激光ROM) ,最低8 位是單總線系列產(chǎn)品代碼(DS18B20 為28H) ,其后48 位是唯一產(chǎn)品序列號(hào),最后8 位是前56 位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。操作DS18B20 應(yīng)遵循以下順序: 初始化、ROM 操作命令、暫存存儲(chǔ)器操作

44、命令。ROM 操作命令包括: 讀ROM 命令、符合ROM 命令、跳過ROM 命令、搜索ROM 命令、告警搜索命令。暫存存儲(chǔ)器操作命令包括: 寫入、讀出、復(fù)制、溫度變換、回調(diào)、讀電源。DS18B20 通過使用在板溫度測(cè)量專利技術(shù)來測(cè)量溫度，溫度測(cè)量原理如2.4圖所示。它通過對(duì)門開通期間內(nèi)低溫度系數(shù)振蕩器經(jīng)歷的時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)來測(cè)量溫度,而門開通期由高溫度系數(shù)振蕩器決定。計(jì)數(shù)器1 和溫度寄存器均預(yù)置-55時(shí)的數(shù)值,作為基數(shù)。低溫度系數(shù)振蕩器振蕩頻率不受溫度變化的影響,產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)給計(jì)數(shù)器1 ;而高溫度系數(shù)振蕩器的振蕩頻率則受溫度變化的影響,其脈沖信號(hào)輸入計(jì)數(shù)器2 。計(jì)數(shù)器1是一個(gè)減法計(jì)數(shù)器,

45、當(dāng)它減至零時(shí),溫度寄存器加1 ,若計(jì)數(shù)器2沒有計(jì)數(shù)至零(即在門開通期內(nèi)) ,則計(jì)數(shù)器1重新預(yù)置基數(shù),又進(jìn)行計(jì)數(shù),溫度寄存器不斷累加,直至計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)至零為止。這時(shí)溫度寄存器的值即為測(cè)量的溫度數(shù)值。顯然溫度高,門開通期長,高溫度系數(shù)振蕩器的振蕩頻率小。斜率累長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)16加器對(duì)振蕩器溫度特性的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。圖圖3-43-4 溫度測(cè)量原理框圖溫度測(cè)量原理框圖表表3-53-5 DS18B20DS18B20輸出數(shù)據(jù)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系輸出數(shù)據(jù)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系 3.23.2 主機(jī)及接口電路設(shè)計(jì)主機(jī)及接口電路設(shè)計(jì)3.2.13.2.1 AT89C51AT89C51 結(jié)構(gòu)原理及外圍擴(kuò)展結(jié)構(gòu)原理及外圍擴(kuò)

46、展 MAX7219MAX7219AT89C51AT89C51 結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理AT89C51 是高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89C51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89C51 的管腳圖如下所示:長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)17圖

47、圖 3-5 AT89C51 管腳圖管腳圖管腳功能介紹管腳功能介紹：直插封裝方式，其引腳功能可分為三部分：I/OI/O 接口線接口線I/O 口線：P0、P1、P2、P3 共四個(gè)八位口。 P0 口8 位準(zhǔn)雙向口。在單片機(jī)外擴(kuò)存儲(chǔ)器或 I/O 接口時(shí)，作為地址總線低 8 位 A7-A0 和數(shù)據(jù)總線 D7-D0。 P1 口8 位準(zhǔn)雙向并行口。 P2 口8 位準(zhǔn)雙向口。作為地址總線高 8 位 A15-A8，與 P0 口一起構(gòu)成 16 位地址總線。 P3 口8 位準(zhǔn)雙向口。但每條引腳都有第二功能。對(duì)于 51 系列單片機(jī)來說，P3 口大多作為第二功能使用。P3 口作為 AT89C51 的一些特殊功能口,如下

48、所示：P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷 0）P3.3 /INT1（外部中斷 1）P3.4 T0（記時(shí)器 0 外部輸入）P3.5 T1（記時(shí)器 1 外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)18P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 控制線控制線ALE/PROG外部地址低 8 位鎖存有效信號(hào)輸出線。在 CPU 訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)用來鎖存 P0口輸出的低 8 位地址，它是與地址鎖存器配合工作的一個(gè)控制信號(hào)。ALE 在每個(gè)機(jī)器周期輸出兩個(gè)正脈沖，是振蕩器頻率的 1/

49、6，可作為其它芯片的外部時(shí)鐘。PROG 是對(duì)片內(nèi) EPROM 編程脈沖輸入端。PSEN片外 ROM 讀選通信號(hào)輸出端。 EA/Vpp片外 ROM 選擇信號(hào)輸入端。EA=0 時(shí)，CPU 從片外 ROM 讀取指令；EA=1 時(shí)，CPU 從片內(nèi) ROM 讀取指令。Vpp 是對(duì)于內(nèi)有 EPROM 來說的為編程電源，應(yīng)接+21V。RST/Vpd上電復(fù)位信號(hào)輸入端。當(dāng)它保持兩個(gè)機(jī)器周期高電平是可以完成復(fù)位操作。Vpd為備用電源輸入端，當(dāng)主電源發(fā)生故障時(shí)，Vpd 將為 ROM 提供備用電源，保證信息不丟失。 電源及時(shí)鐘電源及時(shí)鐘Vcc芯片電源電壓，+5 伏。Vss電源地線，工作時(shí)接地。XTAL1，XTAL2

50、振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入、輸出端。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 指令系統(tǒng)4k 可反復(fù)擦寫(1000 次）ISP Flash ROM32 個(gè)雙向 I/O 口4.5-5.5V 工作電壓2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率 0-33MHz全雙工 UART 串行中斷口線128x8 bit 內(nèi)部 RAM2 個(gè)外部中斷源低功耗空閑和省電模式中斷喚醒省電模式3 級(jí)加密位看門狗（WDT）電路軟件設(shè)置空閑和省電功能靈活的 ISP 字節(jié)和分頁編程雙數(shù)據(jù)寄存器

51、指針AT89C51 內(nèi)部計(jì)數(shù)器功能介紹內(nèi)部計(jì)數(shù)器功能介紹AT89C51 內(nèi)部有兩個(gè)可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，它們具有四種工作方式，其控制字和狀態(tài)字均在相應(yīng)的特殊功能寄存器 TMOD 和 TCON 中，通過對(duì)控制字寄存器的編程，可方便地選擇所需的工作方式。在本系統(tǒng)中我們所選用的是當(dāng) M1、M0 為 0、1 時(shí)定時(shí)器的工作方式 1，這時(shí)定時(shí)器等效框圖如下所示：長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)19 圖圖 3-6 定時(shí)器定時(shí)器 0 方式方式 1 邏輯框圖邏輯框圖其中 C/T 為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器方式選擇位，C/T=0 為定時(shí)器方式，C/T=1 為計(jì)數(shù)器方式。GATE 為門控位“1”時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器受外部引腳 INT0

52、 輸入電平的控制，GATE 為“0”時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的運(yùn)行不受外部引腳輸入電平的控制。利用這一功能，我們將 ICL7135 的Busy 信號(hào)接入 INT0 腳，即可實(shí)現(xiàn)在 Busy 高電平期間對(duì) CLK 時(shí)鐘信號(hào)的自動(dòng)計(jì)數(shù)。它的工作原理如圖 3-12 所示： 圖圖 3-7 INT0 腳控制腳控制 T0 計(jì)數(shù)器自動(dòng)計(jì)數(shù)時(shí)序計(jì)數(shù)器自動(dòng)計(jì)數(shù)時(shí)序二、二、MAX7219 的結(jié)構(gòu)原理的結(jié)構(gòu)原理MAX7219是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器,它連接微處理器與8位數(shù)字的7段數(shù)字LED顯示，也可以連接條線圖顯示器或者64個(gè)獨(dú)立的LED。其上包括一個(gè)片上的B型BCD編碼器、多路掃描回路，段字驅(qū)動(dòng)器，

53、而且還有一個(gè)8*8的靜態(tài)RAM用來存儲(chǔ)每一個(gè)數(shù)據(jù)。只有一個(gè)外部寄存器用來設(shè)置各個(gè)LED的段電流。一個(gè)方便的四線串行接口可以聯(lián)接所有通用的微處理器。每個(gè)數(shù)據(jù)可以尋址在更新時(shí)不需要改寫所有的顯示。MAX7219允許用戶對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)選擇編碼或者不編碼。整個(gè)設(shè)備包含一個(gè)150A的低功耗關(guān)閉模式，模擬和數(shù)字亮度控制，一個(gè)掃描限制寄存器允許用戶顯示1-8位數(shù)據(jù)，還有一個(gè)讓所有LED發(fā)光的檢測(cè)模式。在應(yīng)用時(shí)要求5V的操作電壓或segment blinking，可以查閱MAX6951數(shù)據(jù)資料。二、應(yīng)用 條線圖顯示 儀表面板 工業(yè)控制 LED矩陣顯示三、管腳配置長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)20 圖圖 3-83-8 MA

54、X7219MAX7219 管腳圖管腳圖四、功能特點(diǎn)10MHz 連續(xù)串行口獨(dú)立的 LED 段控制數(shù)字的譯碼與非譯碼選擇150A 的低功耗關(guān)閉模式亮度的數(shù)字和模擬控制高電壓中斷顯示共陰極 LED 顯示驅(qū)動(dòng)限制回轉(zhuǎn)電流的段驅(qū)動(dòng)來減少 EMI（SPI, QSPI, MICROWIRE串行接口（MAX7221）24 腳的 DIP 和 SO 封裝五、分類信息 表表 3-7 各種型號(hào)的各種型號(hào)的 7219芯片工作溫度范圍管腳封裝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、典型應(yīng)用電路長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)21 圖圖 3-93-9 MAX7219MAX7219 接線圖接線圖七、管腳描述 表表 3-83-8 MAX7219MAX7219 管腳描述管腳描述管腳名稱功能1DIN串行數(shù)據(jù)輸入端口。在時(shí)鐘上升沿時(shí)數(shù)據(jù)被載入內(nèi)部的 16 位寄存器。2,3,5-8,10,11DIG 0DIG 7八個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)線路置顯示器共陰極為低電平。關(guān)閉時(shí)7

56、219 此管腳輸出高電平，7221 呈現(xiàn)高阻抗。4,9GND地線（4 腳和 9 腳必須同時(shí)接地）LOAD(MAX7219)載入數(shù)據(jù)。連續(xù)數(shù)據(jù)的后 16 位在 LOAD 端的上升沿時(shí)被鎖定。12CS(MAX7221)片選端。該端為低電平時(shí)串行數(shù)據(jù)被載入移位寄存器。連續(xù)數(shù)據(jù)的后 16 位在端的上升沿時(shí)被鎖定。cs13CLK時(shí)鐘序列輸入端。最大速率為 10MHz.在時(shí)鐘的上升沿，數(shù)據(jù)移入內(nèi)部移位寄存器。下降沿時(shí)，數(shù)據(jù)從DOUT 端輸出。對(duì) MAX7221 來說，只有當(dāng)端為低電cs平時(shí)時(shí)鐘輸入才有效。14-17,20-23SEG ASEG G,DP7 段和小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，為顯示器提供電流。當(dāng)一個(gè)段驅(qū)動(dòng)關(guān)閉

57、時(shí)，7219 的此端呈低電平，7221 呈現(xiàn)高阻抗。18SET通過一個(gè)電阻連接到 VDD來提高段電流。19V+正極電壓輸入，+5V24DOUT串行數(shù)據(jù)輸出端口，從 DIN 輸入的數(shù)據(jù)在 16.5 個(gè)時(shí)鐘周期后在此端有效。當(dāng)使用多個(gè) MAX7219/MAX7221時(shí)用此端方便擴(kuò)展。八、串行地址格式 對(duì) MAX7219 來說，串行數(shù)據(jù)在 DIN 輸入 16 位數(shù)據(jù)包，無論 LOAD 端處于何種狀態(tài)，長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)22在時(shí)鐘的上升沿?cái)?shù)據(jù)均移入到內(nèi)部 16 位移位寄存器。對(duì) MAX7221 來說，無論數(shù)據(jù)輸入或輸出必須為低電平。然后數(shù)據(jù)在 LOAD/的上升沿被載入數(shù)據(jù)寄存器或控制寄cscs存器。

58、LOAD/端在第 16 個(gè)時(shí)鐘的上升沿同時(shí)或之后，下個(gè)時(shí)鐘上升沿之前變?yōu)楦遚s電平，否則數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。在 DIN 端的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭莆患拇嫫髟?16.5 個(gè)時(shí)鐘周期之后出現(xiàn)在 DOUT 端。在時(shí)鐘的下降沿?cái)?shù)據(jù)將被輸出。數(shù)據(jù)位標(biāo)記為 D0-D15（如表 1 表示） 。D8-D11 為寄存器地址位。D0-D7 為數(shù)據(jù)位。D12-D15 為無效位。在傳輸過程中，首先接收到的是 D15 位，是非常重要的一位（MSB） 。表表 9 9：串行數(shù)據(jù)格式：串行數(shù)據(jù)格式D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0地址MSB 數(shù)據(jù) LSB（三）數(shù)據(jù)寄存器和控制寄存器 表 2 列出了

59、14 個(gè)可尋址的數(shù)據(jù)寄存器和控制寄存器。數(shù)據(jù)寄存器由一個(gè)在片上的88 的雙向 SRAM 來實(shí)現(xiàn)。它們可以直接尋址所以只要在 V+大于 2V 的情況下每個(gè)數(shù)據(jù)都可以獨(dú)立的修改或保存?？刂萍拇嫫靼ň幋a模式、顯示亮度、掃描限制、關(guān)閉模式以及顯示檢測(cè)五個(gè)寄存器。 （四）掉電模式 MAX7219 掉電后，掃描震蕩器關(guān)閉，所有段電流源和地連接，所要數(shù)字驅(qū)動(dòng)與 V+相連，所以顯示熄滅。MAX 7221 除了數(shù)字驅(qū)動(dòng)呈現(xiàn)高阻抗以外其他都與 MAX7219 一樣。在數(shù)據(jù)和控制寄存器里的數(shù)據(jù)是不變的。停機(jī)模式可以節(jié)省電源，當(dāng)有一個(gè)連續(xù)的警報(bào)使顯示器發(fā)光時(shí)，便能離開掉電模式。為了滿足掉電模式最低的工作電流，邏輯輸

60、入應(yīng)該在 GND 或 V+（CMOS 的邏輯電位） 。 MAX7219 和 MAX7221 可以在小于 250s 的時(shí)間內(nèi)離開掉電模式。在掉電模式下，顯示驅(qū)動(dòng)是可以編程的，而且在顯示檢測(cè)的時(shí)候不用考慮他是否在掉電模式工作。 （五）初始狀態(tài) 在初始狀態(tài)下，所有的控制寄存器將被重置，顯示器熄滅，MAX7219/MAX7221 進(jìn)入掉電模式。對(duì)顯示驅(qū)動(dòng)預(yù)先編程為以后顯示而用。否則它將以最初的設(shè)置來掃描每一位數(shù)據(jù)，不對(duì)數(shù)據(jù)寄存器里的數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，顯示亮度寄存器設(shè)置為最小值。（六）譯碼模式寄存器 用來設(shè)置對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行 B 型 BCD 譯碼或者不譯碼。寄存器中的每一位對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)。邏輯高電平用來選擇譯碼