張海龍

(焦作技師學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引言

2019年底新冠肺炎疫情的暴發(fā)給全球人民生命安全帶來(lái)了嚴(yán)重威脅，疫情初期，口罩、酒精、溫度計(jì)等醫(yī)療用品出現(xiàn)了嚴(yán)重短缺和供應(yīng)不足的現(xiàn)象。伴隨疫情的常態(tài)化，溫度計(jì)作為識(shí)別發(fā)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(jì)由于測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，每次測(cè)量需要5～10 min，對(duì)于人數(shù)多、流量大的待檢測(cè)人群非常不實(shí)用。電子溫度計(jì)具有測(cè)量時(shí)間短，每次測(cè)量只需幾秒鐘即可完成，非常適合需要快速高效測(cè)量的場(chǎng)合。所以電子溫度計(jì)在車站、學(xué)校、商場(chǎng)等人員較為密集的場(chǎng)合應(yīng)用非常廣泛。另外，電子溫度計(jì)也可用于需要對(duì)工作環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合。

1 硬件設(shè)計(jì)方案

該電子溫度計(jì)采用 DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行溫度的測(cè)量，DS18B20將測(cè)量得到的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)再將接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行變換處理后，發(fā)送給數(shù)碼管進(jìn)行顯示，完成溫度測(cè)量?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)思路框圖

硬件電路包含按鍵控制、溫度測(cè)量、數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理、顯示輸出和報(bào)警處理五部分。其中，按鍵控制用于啟動(dòng)溫度測(cè)量；溫度測(cè)量由DS18B20數(shù)字溫度傳感器來(lái)完成；數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理采用AT89C2051單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)；顯示輸出采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的數(shù)碼管，當(dāng)測(cè)量溫度高于程序設(shè)定溫度(如測(cè)量體溫高于37.3℃)時(shí)蜂鳴器報(bào)警提示。該系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單、功能實(shí)用、便于維護(hù)和價(jià)格低廉等特點(diǎn)。

1.1 溫度傳感器的選取

該電路的溫度測(cè)量采用了Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)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(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。

DS18B20數(shù)字溫度傳感器提供9～12-Bit的攝氏溫度測(cè)量精度和用戶可編程的非易失性且具有過(guò)溫和低溫觸發(fā)報(bào)警的報(bào)警功能。該傳感器的溫度檢測(cè)范圍為-55℃～125℃，并且在溫度-10℃～85℃時(shí)，還具有±0.5℃的精度。不僅能滿足人體測(cè)溫需要，還適用于各種溫度測(cè)量場(chǎng)合。此外，DS18B20可以直接由數(shù)據(jù)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(shù)字測(cè)量。其溫度轉(zhuǎn)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(rèn)為12位轉(zhuǎn)換精度。

1.2 單片機(jī)的選取

因該系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單、程序簡(jiǎn)短，所用單片機(jī)I/O接口較少，所以選用了ATMEL公司的AT89C2051單片機(jī)，AT89C2051是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，只有20引腳。片內(nèi)含有2K字節(jié)可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器和128字節(jié)的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元。

該系統(tǒng)中AT89C2051作為總控芯片，具有對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算處理、控制顯示及保證系統(tǒng)正常工作等功能。

1.3 顯示單元的設(shè)計(jì)

該電路具有測(cè)量溫度顯示輸出功能，顯示電路采用了較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的三位一體數(shù)碼管作為顯示輸出。前兩位顯示十位和個(gè)位，第三位顯示小數(shù)部分。電路采用動(dòng)態(tài)掃描方式可以節(jié)省單片機(jī)I/O接口。

1.4 報(bào)警輸出

該測(cè)量系統(tǒng)具有報(bào)警輸出功能，報(bào)警輸出采用蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)測(cè)量溫度高于程序設(shè)定溫度(如測(cè)量體溫高于37.3℃)時(shí)蜂鳴器報(bào)警提示。報(bào)警時(shí)蜂鳴器每隔0.5 s發(fā)出提示，周期為1 s。

2 軟件設(shè)計(jì)

該程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包含初始化、溫度檢測(cè)、顯示、報(bào)警處理等內(nèi)容。初始化用于啟動(dòng)DS18B20和數(shù)碼管的清屏，主程序完成溫度檢測(cè)、顯示和報(bào)警處理的循環(huán)執(zhí)行。

2.1 DS18B20的程序控制

DS18B20采用的是1-Wire總線協(xié)議方式，即用一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對(duì)AT89C2051單片機(jī)來(lái)說(shuō)，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此必須采用軟件的方法來(lái)模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來(lái)完成對(duì)DS18B20芯片的訪問(wèn)。

DS18B20控制程序包含初始化、讀、寫操作。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。初始化包括主機(jī)發(fā)送的復(fù)位脈沖和器件向主機(jī)返回的存在脈沖。主機(jī)總線最小發(fā)出480μs的低電平復(fù)位脈沖，接著釋放總線并進(jìn)接收狀態(tài)，器件在接收到總線的電平上升沿后，等待15～60 μs發(fā)出60～240 μs的低電平存在脈沖信號(hào)，通知主機(jī)器件已接在總線上。

DS18B20的訪問(wèn)程序如圖2所示。

圖2 DS18B20的訪問(wèn)程序

2.2 數(shù)碼管顯示程序

為了提高數(shù)碼管顯示亮度，顯示電路設(shè)計(jì)了段碼端和位碼端的驅(qū)動(dòng)電路，段碼和位碼由同一數(shù)據(jù)端口發(fā)出，通過(guò)片選信號(hào)進(jìn)行選擇。顯示控制程序如圖3所示。

圖3 顯示控制程序

3 結(jié)語(yǔ)

該電子溫度計(jì)采用AT89C2051單片機(jī)作為核心控制元件，通過(guò)DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，具有測(cè)量速度快、性能可靠、電路簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)，注重實(shí)用性。