基于DS18B20的婴儿保温箱测温系统研究

路攀 胡兆燕 李淼 上海理工大学 (上海 200093)

基于DS18B20的婴儿保温箱测温系统研究

路攀 胡兆燕 李淼 上海理工大学 (上海 200093)

本文对婴儿保温箱的测温系统进行了改良，采用了一种新型数字式温度传感器DS18B20，用DS18B20和AT89S52单片机开发了一种自动温度测控系统，给出了DS18B20与AT89S52的接线图。为婴儿保温箱的温度控制提供了良好的基准。降低了整个系统的功耗，简化了结构，使得性能更加稳定。

婴儿保温箱 测温系统 DS18B20 Poteus仿真

Abstract:This paper modi fied the thermoscope system of infant incubator, introduced a new-type digital temperature sensor DS18B20, used the DS18B20 and AT89S52 to develop an automatic temperature measure system and provided the practicality circuit diagram with DS18B20 and AT89S52. Providing a good benchmark for the the thermoscope system of infant incubator. The ultra-low power, simple structure, stable performance and practicality of the whole system is realized.

Key words:infant incubator, thermoscope system, DS18B20, poteus simulation

0 引言

新生儿的各种生理功能尚未成熟， 体温调节功能尚不完善， 因此， 最好使婴儿处于“中性温度”的环境中，尤其对早产婴儿、硬肿症或发育不良的新生儿更是如此。“中性温度”指能维持正常体温及皮肤温度的最适宜的环境温度， 在此温度下， 身体耗氧量最少， 蒸发散热量最少， 新陈代谢最低。婴儿保温箱以科学的方法为新生儿创造一个空气洁净、温湿度适宜的舒适环境， 能够避免婴儿感染， 增强婴儿机体抵抗力，保障婴儿发育成长[1]。婴儿保温箱主要目的就是保持新生儿适当温度的小环境，为了防止新生儿的热损失，保温箱要具有稳定的温度[2][3]。如图1依据国家标准要在5个具体的测量点放置温度传感器，进行温度的检测[4][5]。

婴儿保温箱的温度控制范围要求为 ，温度传感器精度：±0.3[4]。温度检测的传统方法是使用诸如热电偶、热电阻、半导体PN结(如AD590)之类的模拟传感器，经信号取样电路、放大电路和模数转换电路处理，获取表示温度值的数字信号，再交由微处理器处理。被测温度信号从敏感元件接收的非电模拟量开始，到转换为微处理器可处理的数字信号之间，线路环节较多，相应测温装置中元器件数量难以下降，随之影响产品的可靠性及体积微小化。由此会造成整个检测系统有较大的偏差，稳定性和抗干扰性能都较差。温度传感器经历了3个发展阶段：①传统的分立式温度传感器，②模拟集成温度传感器，③智能集成温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展[6]。本文采用了一种新型的数字温度传感器DS18B20对婴儿保温箱的测温系统进行了改良。并以此传感器和AT89S52单片机配合作为婴儿保温箱的测温装置。

图1 婴儿保温台及温度传感器放置

1 单线数字温度传感器DS18B20介绍

DS18B20是美国DALLAS半导体公司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，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现 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，并且从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[7]。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率都有了很大的改进，可以带来更方便的使用方式和更令人满意的效果。

DS18B20内部结构如图2所示主要由4部分组成：64位光刻ROM，温度传感器，非挥发的温度报警触发器TH和TL，高速暂存器。DS18B20的管脚排列如图3所示。64位光刻ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。不同的器件地址序列号不同。

以12位转化为例：12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个高低8为的RAM中，二进制中的前面5位是符号位。如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘以0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘以0.0625才能得到实际温度。表1为部分温度值的对应表。

图2 DS18B20内部结构

图3 DS18B20的外部形状和管脚

表1 部分温度值对应表

图4 DS18B20及LCD接入电路

DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH，TL作比较，若T＞TH或T＜TL，则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。

2 温度传感器采集电路设计

依据GB11243-2000 医用电气设备第2部分婴儿培养箱安全专用要求，我们设计了温度的采集电路。如图1所示，温度传感器放置在离床垫10 cm处并与床垫平行的平面。点A必须在垫子中心上方10cm处。其余各点必须在长度和宽度的二等分线形成的四块面积的中心。DS18B20和LCD的接入电路如图4所示。

虽然DS18B20有诸多优点，但在使用起来并非易事，由于采用单总线数据传输方式，DS18B20的数据I/O均由同一条线完成。因此，对读写的操作时序要求严格。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先[8]。

3 系统软件设计

基于DS18B20数字温度传感器的软件设计采用C51编写程序，主要完成DS18B20的测量温度值计算及温度值的显示功能。其采用模块化子程序设计[9]。系统子程序包括：系统初始化、复位程序、读取温度程序、温度转换程序、LCD显示程序和延时程序。

为保证DS18B20的严格I/O时序，需要做较精确的延时。在DS18B20操作中，用到的延时有15μs，90μs，270μs，540μs等。因这些延时均为 15μs的整数倍，因此我们编写一个delay15 (n)函数，源码如下：

只要用该函数进行大约15μs×N的延时即可。有了比较精确的延时保证,就可以对DS18B20进行读写操作、温度转换及显示等操作。

由于要实现实时对18B20传感器的温度采集，我们设置500ms定时器T0，500ms中断一次，完成对18B20的温度采集格式转化及数据输出过程。如图5为主程序流程图。以下是定时器设置部分程序和主程序。限于篇幅所限，未列出全部详细代码。

图5 总程序流程图

图6基于Poteus的仿真

4 温度检测实时性的校验

依据GB11243-2000婴儿培养箱安全专用要求中规定在图1中的A、B、C、D和E点每一点的平均温度与平均培养箱温度之差不大于0.8 。在倾斜床垫的任何位置的平均温度与平均培养箱温度之差不大于1 。因此我们对五个测量平均值与实际的培养箱平均温度进行比较。在培养箱床垫托盘为水平方向和两个倾斜角为极限值时的位置下分别进行试验。

在这里我们用Poteus软件对电路进行仿真。仿真结果如图6所示。响应的时间小于500ms。这其中包括传感器响应外界温度变化及总线对DS18B20完成一次读操作，以及系统进行处理和，处理后数据送达到液晶显示屏输出及输出的时间消耗。所以完成一次对外界温度信号响应及输出的时间被控制在500ms之内。

如图7所示我们用Poteus得到的检测到的温度和实际的温度比较。由表中我们可以看出检测的温度滞后于实际温度大约500ms。与我们的理论计算相符合。所以DS18B20具有很好的温度响应时间。节约I/O口等特点。满足多点温度场的温度检测。减少了测温装置中的器件数量和整个系统的体积，提高了测温系统的可靠性和抗干扰性。拥有很好的性价比，便于系统的扩展和维护，具有很好的实用价值。

图7 实际温度与检测温度

5 结论

可以看出DS18B20在测量温度时很好的满足了GB11243-2000婴儿培养箱安全专用要求，温度测量绝对精度和响应时间也都符合要求。并且具有接线简单，

[1] Various authors (1997) Thermal protection of the newborn: a practical guide. Maternal and newborn health/Safe motherhood unit Division of Reproductive health (Technical support),World Health Organization.

[2] P.Bifulco,M.Romano,A.Fratini.A prototype device for thermo-hygrometric assessment of neonatal incubators.11th Mediterranean Conference on Medical and Biomedical Engineering and Computing 2007.Part 29. 1096-1099

[3] Abbas K. Abbas and Steffen Leonhardt.System Identi fi cation of Neonatal Incubator based on Adaptive ARMAX Technique. 4th European Conference of the International Federation for Medical and Biological Engineering.Part 22. 2515-2519

[4] GB 11243-2000 医用电气设备.第2部分.婴儿培养箱安全专用要求

[5] GB 9706.1-1995 医用电气设备安全通用要求国家标准

[6] 施文康,徐锡林.测试技术[M].上海.上海交通大学出版社,1996年7月第1版.

[7] Dallas Semiconducotr. DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire Digital Thermometer.Maxim Integrated Products. 2008

[8] 夏路易.单片机技术基础教程与实践[M].北京:电子工业出版社,2008

[9] 崔玮,许跟林.DSP和DS18B20的温度测量系统[J].微计算机信息,2007.5-2

The Research of Thermoscope System for Infant Incubator Based on the DS18B20

LU Pan HU Zhao-yan LI Miao University of Shanghai for Science and Technology (Shanghai 200093)

1006-6586(2010)02-0030-05

R312

A

2009-09-04

路攀，硕士研究生；胡兆燕，副教授，研究生导师；李淼，硕士研究生