基于单片机的数字测温计

于海娇 宋晓旭 王金龙 王祖宇

【摘要】    随着社会的变迁，与温度密切相关的测量装置已经逐渐普及。本论文介绍了测温计的设计原理与设计方法，测温计的主要组成部分有：AT89C52单片机、温度传感器DS18B20、按键电路、显示电路和报警电路。它可以随时的测量温度并且可以设置温度的上限值和下限值，完成对被测对象温度的测量。此种测温计结构简单，温度测量范围在35℃-37.5℃，当测量的温度超过设定的限值时，报警器将发出警报。通过研究与测试，本设计很大程度上提高了温度测量的效率，让更多年龄阶段的人简单且方便使用装置。

【关键词】    单片机    温度检测

引言：

随着科技的进步和人们生活质量的提高，近些年来单片机的设计领域越来越普遍，例如气体检测、超声波测距、温度检测等等[1-3]。正常的温度测量不但设计起来比较繁琐，而且精确度上也是不够理想，但是使用单片机让这个难题迎刃而解。无论是生活中，还是其他各个领域中，温度都是一个极为重要的测量数据[4-6]。测温技术也在不断发展，不仅测量精确度不断提升，而且测温产品也不断向着小型化、智能化发展。 由于单片机具有集成度高，体积小，可靠性好，单片机把各功能部件集成在一块芯片上，构成了一个完整的计算机硬件系统，通过控制各个引脚的电平状态，进而控制与单片机引脚连接的外围电路，实现相应的控制功能。单片机可以广泛的嵌入到家电、机器人、仪器仪表、工控单元、自动化设备、交通电子系统、个人终端设备，甚至儿童玩具中，已经成为现代电子系统中最重要的智能化工具。本文就是以单片机作为核心元器件，设计了一款数字测温计。

一、系统设计

1.1系统的设计目的

本文设计的数字测温计目标是能够快速精准的让被测量对象进行温度检测，并且能够将它测出地温度值显示到LED数码管上，再与之前设定的温度上下限值比较，如果超过温度限制，蜂鸣器报警，并且报警器显示灯闪烁，这样父母或者是监护人能够及时的发觉孩子的体温状况，以至于及时的就医。

总结系统设计步骤：

1.开启装置，检查每个元器件能不能正常的工作。

2.温度测量的基本范围是0℃～50℃。

3.软件预设上限温度37.5℃，下限温度35℃。

4.超出温度上下限将开始报警功能，报警器显示灯闪烁，蜂鸣器振动。

1.2系统原理

本文设计是通过单片机连接形成温度测量系统，以实现温度的检测。DS18B20温度传感器是一种集成度较高的测量温度元器件，体积小，组合电路比较简单，它可以依据当时温度环境的改变形成数字信号，其对温度的变化非常敏锐，它可以将温度迅速精准的转变成电信号，并通过显示器实时显示。该温度传感器的测温范围-55℃～+125℃，符合体温测量需求。

二、系统结构设计

2.1 系统结构设计

本方案设计的数字测温计系统结构由单片机控制电路、温度传感器电路、数码管显示电路和报警电路组成，如图1所示。

本系统以AT89C52单片机为核心结构，在开始运行它向主机先发送初始化命令使DS18B20启动，再发送温度转换命令使数字温度传感器DS18B20把测得的模拟温度信号转换为数字信号供单片机运算。与此同时显示器上显示出当前环境的温度，当温度超出设定的温度上、下限值得范围时，蜂鸣器就会开始报警。

2.2 测温电路设计

目前，在控制、自动化、传感领域，传感器已经向着网络化、智能化、标准化发展，本文设计的数字测温计使用的温度传感器是Dallas公司生产的数字温度传感器DS18B20。DS18B20用的是单总线（1-wire）串行接口技术，只有一根数据输入输出线DQ，总线上所有器件都挂在DQ上，电源也经该信号线供给。DS18B20温度传感器耗电量很小，从总线上馈送电量（空闲时几微瓦，工作时几毫瓦）到大电容中，就可以正常工作，不需要另附电源。另外，该芯片体积小、功耗低、抗干扰能力强、稳定性好、支持多个设备多点测量、使用便捷等，因此适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

DS18B20温度传感器集成度高，所用的应用模块都集中在一个普通三极管大小的芯片中，在使用中不需要外围元件。该传感器结构独特，具有一线接口结构，只需要一条口线即可完成通信。

芯片的工作电压范围广，电压范围可以从3.0V到5.5V之间，并且可以使用寄生电容供电的方式。DS18B20的测温范围大，可测温区间为-55℃～ +125℃之间，在-10℃～+85℃时测量精度可以达到±0.5℃。其测量分辨率可变，通过编程可以将测量分辨率设置为9～12位，温度分辨率只和选择的采用精度位数有关，9位采样精度对应的分辨率为0.5℃，10位采样精度对应的分辨率为0.25℃，11位采样精度对应的分辨率为0.125℃，12位采样精度对应的分辨率为0.0625℃，且转换速度快，在9位精度时，转换速度最快，可达93.75ms，精度位数提高，转速速度相应变慢。测量的结果以数字信号的形式传送给CPU，完全满足本文设计的数字测温计的实际需求。

三、系统功能

3.1系统主功能

系统在读DS18B20芯片进行初始化之后，进行测量温度并显示温度。将测量温度与设定的温度上下限值进行對比，判断测量温度是否超限。如果测量温度超限，则蜂鸣器进行鸣叫报警，如果测量温度未超限值，则只显示温度。通过按键可对温度上下限值进行调整。

DS18B20有严苛的通信协议来确保各个数据运行与传送的准确性。DS18B20的工作程序包括：1.复位一总线。2.当同一条总线上存在多个DS18B20时匹配ROM，否则跳出。3.设置DS18B20的报警温度上下限。4.启动采集且等待采集结果。5.先读取温度数据低位，后读取温度数据高位。

3.2 DS18B20温度读取及显示

当DS18B20检测到初始化时的电平，就准备开始接收或发送数据。初始化完成后读取温度，即读出温度寄存器中数据。在读取时必须进行CRC检查，检查有误时就不能继续进行数据的编写。DSBl820能够从单总线中获得电源，当信号线为高电平时，把能量储存到内部电容器里;当单信号线为低电平时，把电源断开，直到信号线变为高电平再次接上电容为止。

读取温度数据后，low的低四位为温度的小数部分，low的高四位和high的低四位为温度的整数部分，high的高四位都是1示为负数，都是0示为正数，所以要把数据先提取出来，然后分为三个部分：小数部分、整数部分以及符号部分。大于0.5℃的时候，个位进1;小于0.5℃的时候，舍掉。但是当数据是个负数的时候，在显示之前要进行数据转换，将其整数部分取反加一。

3.3温度设置及警示

当被测环境温度超过温度上、下限值时，我们需要用到蜂鸣器装置进行报警处理。

显示系统是单片机控制系统的重要组成部分，本设计采用LED数码管作为显示器，这种显示器具有耗电低、价格低等优点。

本设计采用四位共阴极动态显示方式，可以直接读取温度值，显示温度可以精确到0.5℃。

该系统支持手动设置温度上下限，而按键扫描的主要功能就是手动设置温度的上下限。系统默认的温度上下限是35℃～38.2℃，若被测温度没有超过上下限，则蜂鸣器不鸣叫，否则蜂鸣器鸣叫;当被测温度值处于35℃以下时，蜂鸣器鸣叫较急促。

按键K4、K1、K2、K3分别与单片机的P2.4-P2.7引脚连接。默认状态设置温度上限，若按下按键K4，也就是使P2.4为低电平时，进入温度下限的设置，再按一次进入温度上限的设置;在每个温度上下限设置里面，按下K1一次增加1℃温度值，按下按键K2一次减小1℃温度值，最后按K3确定。

四、系统仿真结果

Keil C51编译器是目前最流行的开发MCS-51系列单片机的软件，它提供了包括C编辑器、编译器、宏汇编、连接器、库管理以及一个功能强大的仿真调试器在内完整开发方案，并通过一个集成开发环境（μVision3）将这些部份组合在一起。

当检测温度在35℃-37.5℃之间时温度指示灯亮，报警指示灯不闪烁，蜂鸣器不鸣叫。当检测温度处于38.2℃，由于此时温度不在温度上下限35℃～37.5℃之间，所以温度指示灯高电平亮，报警指示灯闪烁，蜂鸣器鸣叫。

五、结束语

本文设计的数字温度计的基本测量范围是35℃～37.5℃，具有自动报警功能，可以手动设置温度上、下限值，用四位一体的数码管显示温度。使用DS18B20温度传感器作为感温器件，其能够测量的范围是-55℃～125℃，并且它在测量温度为-10℃～85℃区间温度分辨率0.5℃，如果当前检测温度在设置的上、下限值之间，则报警器不鸣叫;假若当前环境温度在设定的温度上、下限值以外，则报警指示灯闪烁，蜂鸣器鸣叫。本设计符合实际使用需求。

参  考  文  献

[1]关爽，蒋志豪，陈茜，徐纪明，刘梦平，胡安正.基于非接触式的红外智能测温系统，计算机测量与控制，电子制作，2021（11）：32-33.

[2]吕耀辉，吕晨晖，余昊，杨文海，邓周虎，李强.超声波阵列系统的设计与应用，电子电路设计与方案，2021（11）：3-4.

[3]李志伟，刘红江，赵战国.家用天然气浓度监控装置设计.机械工程与自动化， 2021（3）：156-158.

[4]翁飞印.免校正高精度温度检测的設计.集成电路应用. 2021，38（05）：66-67.

[5]夏凡.温度、湿度和风速对红外检测绝缘子的影响分析.电工材料. 2021，（02）：13-15.

[6]严海云.全血标本保存时间和温度对血常规检测结果的影响.黑龙江科学. 2021，12（06）：64-65.