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基于单片机的电子体温计的设计及实现毕业论文

 2020-02-17 11:02  

摘 要

通俗的讲,体温反映的是人体内部的温度,但是他也是医生诊断各种疾病的重要依据。如今在医学等领域的体温测量,通常是通过水银温度计来进行测量的。但是采用这种方法有许多的弊端,诸如:用时长、读书误差较大、水银泄露会造成二次伤害等。对于以上的这些问题,我们可以使用单片机控制温度传感器来解决。

本文讲述了基于单片机的电子体温计的总体设计思路和具体方法,他包括三个大的模块:温度传感DS18B20模块、液晶显示模块和蜂鸣器模块。达到能够快速、及时、精确的监测温度的变化的功能,相比于传统的温度计能有更高的精确度。另外它还可以实现设置报警温度,对于过高或者过低的温度予以报警,从而进行温度监测的功能。论文研究的重点内容包括单片机的使用,温度传感器的选择和使用以及如何通过液晶模块予以显示等,还有单片机如何控制各个模块以及控制程序的编写。

关键词:温度;单片机;DS18B20;液晶

ABSTRACT

Generally speaking, body temperature reflects the temperature inside the human body. But it is also an important basis for doctors to diagnose various diseases. At present, clinical temperature measurement methods are usually measured by mercury thermometer. But this method has many disadvantages. Such as: wasting time, reading error is large, mercury leakage will cause secondary injury, etc. For this series of topics, we can solve them by single-chip computer.

This paper presents the design principle and method of electronic thermometer based on single chip computer. It consists of three modules: temperature sensor DS18B20 module, liquid crystal display module and buzzer module. It realizes fast, accurate and real-time monitoring of temperature change. And the accuracy is much higher than the traditional mercury thermometer. At the same time, it can also set the alarm temperature to alarm the temperature which is too high or too low, so as to realize the function of temperature monitoring. The main contents of this paper include the use of single chip computer, the choice and use of temperature sensor, and how to display it through LCD module. Also how to control each module and the compilation of control program by MCU will be displayed.

Key words:Temperature; Single Chip Microcomputer; DS18B20; Liquid Crystal

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题的背景和意义 1

1.2 体温计的发展历史及现状 2

1.3 论文的主要内容 3

第2章 电子体温计的整体方案设计 4

2.1系统方案的选择 4

2.2系统功能的描述 4

2.3系统的组成 4

第3章 硬件设计 6

3.1 单片机电路的设计 6

3.1.1 单片机的选择 6

3.1.2 复位电路 7

3.1.3 时钟电路 8

3.2 温度传感器模块 9

3.2.1 温度传感器的选择 9

3.2.2 DS18B20温度传感器的介绍 10

3.3 显示模块 13

3.3.1 LCD1602的简介 13

3.3.2 LCD1602的工作原理 14

3.4 报警模块 15

3.4.1 蜂鸣器的介绍和选择 16

3.4.2 蜂鸣器的管脚图 16

3.5 本章小结 16

第4章 软件设计及实物演示 17

4.1 单片机开发环境的介绍 17

4.2 Altium Designer仿真 17

4.3 PCB的布局 18

4.3.1 PCB的布线规则 18

4.3.2 设计规则的检测 19

4.3.3 电路的焊接 19

4.4 实物演示 21

4.5 本章小结 22

第5章 结论与展望 23

5.1 结论 23

5.2 展望 23

参考文献 24

附录A 25

致谢 34

  1. 绪论

本章主要介绍课题研究的背景和意义,体温测量准确性的意义,温度计发展的历史以及现状,课题的主要工作以及论文的构成与主要研究内容。

    1. 课题的背景和意义

目前的社会已经发展到了信息时代,作为新时代的产物,电子科学技术已经在人们的生产和生活中取得了广泛的应用。而且伴随着人们的生产生活水平的改善,当前的医疗技术和人们对于其的需求出现了严重的不匹配,对于拥有十三亿人口的中国来说,医院里面的工作非常的复杂,甚至繁重,尤其是在高危病房的监护、医护人员短缺、设备的缺乏等问题中,人们需求的变化显现的更为突出[1]。所以,医护工作人员的工作效率的提高迫在眉睫。

在对病人的日常的医疗以及护理过程中,测量病人的体温始终存在于整个医疗护理过程,精准有效的测量,有助于医生对病人的病情作出更加及时以及正确的判断。当前,在我国许多的医院中,测量体温的方式还是医生通过水银温度计定时定点的到病房去给病人们一一的去测量,并把测量得到的结果记载汇总并画出体温随测量次数的变化曲线,再交给主治医生来进行判断。而且在测温体温的过程中使用的玻璃水银温度计,在测量过程中会耗费大量的时间,而且读数的精度也不是很高,其中最重要的问题在于不能实时的传递一个温度信息,所以若有重症的病人,需要实时的测量体温的变化,这样的话,主治医生就得不到实时的温度信息,医生若是不能掌握病人的动态温度,则就不能对症下药,严重的影响到诊断。

而且现在用的水银体温计非常的容易损坏,一旦发生损坏,其中的泄漏物水银属于重金属液体,如果不慎入口会对病人的身体造成致命伤害,而且随意的丢弃会对环境也会造成一定程度的污染。因为上述的种种原因,水银温度计已经在许多的发达国家被停止使用。本课题即以上述问题为出发点,针对以上所述的问题,研究更实用、更好的电子温度计已经迫在眉睫。

我们人体的生命活动表现为人体的体温,反过来体温也反应了人体新陈代谢的信息。体温的意义不仅在于生理,更多的是在于临床方面。通过温度,医生可以对病人的病情做出更加准确的判断。通常来讲,人体的体温调节中枢来控制人的体温,并且通过体液、神经等因素使产热和散热等一系列生理过程呈现出一种动态平衡状态,并维持体温在一定区间内小幅度的波动。而且机体的各种生命活动和新陈代谢都需要通过正常的体温来给予保障。体温不仅是人体内新陈代谢活动的产物,更是医生分析病情的一个重要的依据。

人体发热的原因就是人体散出的热量小于人体所产生的热量,从而引起的体温升高。在体温调节中枢的控制下,人体的体温通常保持在36.3℃和37.2℃之间[2]。一旦人体的温度超出上述范围0.5℃,我们就会称之为发热。通常导致发热的渠道有两种,包括致热原发热和非致热原发热。通过检测体温的变化,医生可以知道机体内的重要器官的活动状况以及具体的病情。

体温测量的精度与医生对病人疾病的判断、护理和治疗的准确度是密切相关的。同时在历史数据处理以及收藏方面,体温也是一个十分重要的客观指标。且体温的数值是一个非常容易就能获得的参数,疾病的诊断和治疗与体温的测量的是否准确及时有着紧密的关系。

    1. 体温计的发展历史及现状

温度作为一个基本的物理量与我们日常的生活有着紧密的联系。在早期,人们只是定性的了解温度,认为温度是一种自身身体机能的外在表现。经过长时间的摸索,人们逐渐可以以某些方式来了解温度和表示温度。在十七世纪中期,物理学在西方快速的发展起来,这时候人们才逐渐认识到温度这一物理量。在1592年意大利物理学家伽利略于发明了用于测量温度的没有刻度的温度计,因为没有刻度的缘故,导致不能准确的测量温度,只能有一个定性的了解。水银温度计的雏形与1654年被发明出来,伽利略的某位学生突发奇想,用酒精代替了伽利略所发明的温度计内的水,并且把温度计的两端都封闭起来。与此同时,另一位意大利学者利克得来米亚,他用水银代替了酒精,这时候的温度计则与现在的温度计已经相差不多了,不同点在于计量的方法不同,摄氏度的计量方法是后期才被发明出来的。

在1709年,温标首次被提出,并在此这后又经过了数年的分度研究,于1714年提出了第一套比较完善的温标,即华氏度,规定水的冰点为32度、沸点为212度、中间分为180等份的水银温度计[3]。1742年,摄氏度被提出,规定水的冰点为0度、沸点为100度的水银温度。但是这种温度计的局限性在于离开热源后,温度计中的液体会回流,导致了读数的不便。在1865年,英国的阿尔伯特发明了一种体温计,相比于之前的温度计,阿尔伯特所设计的温度计多了一个狭道,而这个狭道使得水银柱不会回流,从而解决了上述的问题,并且这种温度计在临床方面受到了极大的欢迎以及应用。但是随着精确度要求的不断提高,再加上这种体温计比较迟钝,其使用的材质是玻璃材质,容易被损坏。另一方面就是水银的泄露会导致二次损害。

当代的信息发展离不开三个基础,他们分别为信息的采集、传输和处理。分别对应着传感器技术、通信技术和计算机技术。随着现在信息科技和集成电路的发展,电子温度计开始逐渐的占领市场,这种电子温度计主要以数字技术为主。现代的电子温度计的精确度主要取决与其中的温度传感器的好坏。

由于信息技术的发展,传感器得到了广泛的应用,其中的温度传感器更是如此,被广泛的应用于农业领域、科学的研究和日常的生活等等的领域,究其数量也领跑于其他的传感器。

总的来讲,温度传感器的发展大概可以分为三个大的阶段:

(1)含有敏感元件的传统分立式的传感器;

(2)采用硅半导体集成的,模拟集成温度传感器;

(3)数字温度传感器[4]

现在,市场上的温度传感器正在经历着巨大的转变,从以前的模拟到现在的数字化、从以前的集成化到现在的人工智能化,种种改变引导着我们的生活。而随着温度传感器的改变,智能温度计也经历着同样的改变,向着高精度、高可靠性、多功能的方向快速发展着。

    1. 论文的主要内容

人体的温度,即体温是医学上非常重要的测量参量。而我们日常所用的体温计,也就是传统的水银温度计存在着诸多的问题,如测量体温的速度太慢慢,水银泄露后会对环境污染严重等。但是基于单片机的电子体温计能够克服上述的问题,在单片机的控制下,我们的电子温度计可以实现快速读数,而且精度更高,也不会也水银泄露等污染问题。本论文将进行基于单片机的电子体温计的设计及实现。需要完成的主要任务包括两个方面:

  1. 设计基于单片机的电子体温计,温度液晶显示,测量误差小于0.5℃,测量范围30℃—50℃。
  2. 设定报警门限,门限的温度可调,可振动报警。

主要的研究内容有以下几点:

  1. 针对我国目前的医院的温度的采集情况,我们选择了集成度高的数字化温度传感器DS18B20,他的优点在于测量温度的速度快,并且这种传感器中自带12位精度的A/D转换器,因此可以实现高灵敏度测温的要求,最重要的是他能简化硬件电路的设计,同时也可以降低信号在传输过程中的损失,减少受到的干扰。
  2. 无线电子体温计采用分立式系统,分为两个模块,包括有测温模块和显示模块两部分。需要达成的工作有:温度采集、温度数值的显示、蜂鸣器的报警和C语言编写程序。
  3. 电子体温计的整体方案设计

在系统的方案设计中可以分为软件模块和硬件模块两个大类,对于硬件模块,我们的目标是选择符合要求的电子器件并设计相应的电路,设计的主要思路是综合元器件的性能还有系统的性能,通过对比找出合适的电路连接方法,并通过这种方法将所选择的器件连接起来得到控制系统。对于软件模块,我们设计的目标是能够让硬件通过软件来实现相应达到功能,并通过调试功能,使其发挥最好的效果。

2.1系统方案的选择

当前市场上的电子温度计琳琅满目,虽然大部分的电子体温计在使用时会比传统的水银温度计方便一些,不过也有许多不尽人意的地方。主要体现在某些电子体温计的不具有实时观测体温变化的能力。这也就导致了主治医生对病人的观察不那么具有实时性。而基于DS18B20的电子温度计则可以很好的解决这个问题,不仅可以检测到温度的变化,而且他的精确度也比传统的温度计要高得多。所以我们最终方案确定为:通过单片机的最小系来统控制DS18B20温度传感器,并且使温度显示在LCD显示屏上的方案。

2.2系统功能的描述

此次设计实现体温的测量与监控是基于ST89C51单片机来进行的。在实验过程中我们会用到DS18B20温度传感器,并通过温度传感器来实现温度的测量,通过单片机把得到的数据传输到液晶显示屏,与此同时,通过按键模块控制报警门限的高低,所有的信息均可以在LCD1602上显示,方便测量者读取信息。同时单片机会识别温度的大小,并控制蜂鸣器对过高或者过低的温度进行报警提醒。而且体温计测量误差小于0.5℃,测量范围在30℃—50℃[5]

2.3系统的组成

整个系统运作的原理框图如图2.1所示。大致可以分为以下几个方面。及根据需求达到温度的测量、数据的发射和传递、数据的接收、温度显示来进行整体设计。

显示模块

ST89C51

温度传感器

模拟数字转换器

图 2.1 系统工作原理图

从这个流程框图中我们可以看到,系统温度获得的过程是:首先利用DS18B20传感器传导温度信号,再将收到的温度信号转化为可供单片机识别的数字温度信号,信号的接收要求是严格的符合地址的,最后把得到的满足接收要求的信号转化成可供人识别的温度数.据在接收端的液晶屏幕上进行显示。

  1. 硬件设计
    1. 单片机电路的设计
      1. 单片机的选择

单片机除了具备许多优质的属性,比如价格相对较低、可靠性高、性能强大、体积比较小、灵活性强、速度快、用途广泛等优点外,它还是系统的心脏,是整个电路的核心模块及中央管理器。单片机的选择有着至关重要的影响,选择合适的单片机是确保整个控制系统稳定性和安全性的关键。而且把单片机与通.用微型计算机做比较的话,单片机在指令功能和硬件结构方面还具有存储器ROM和RAM严格分工、系列化的规格、引脚具有复用功能的I/O端口、指令系统面向控制、硬件功能通用性强等诸多的优点。

当前,伴随着单片机技术的不断推广和发展,各式各样的单片机在全球范围内被研发出来。面对种类如此繁多的单片机,选择一个合适的单片机就显得至关重要。在众多单片机中,STC系列的单片机因其超高的性价比和先进的技术等有点从中脱颖而出,而且在各个领域也已经有了广泛的应用,诸如自动化领域和工.业.领域等。

本次毕业设计中选用的单片机是由STC公司生产的一种新型的51内核的单片机中的一款。片内含有Flash程序存储器、SRAM、UART、SPI、A/D、PWM等模块。不仅如此,与其他系列的单片机相比,STC系列的单片机具有更高的性能,它们的芯片是更高度集成的型号,并且同时与许多硬件兼容,因此它们用于多个功能单元。51单片机硬件结构的特点如下[6]

  1. 包括4KB闪存程序存储器;
  2. 有128 字节内部RAM;
  3. 有5个可编程的中断源。它的堆栈位置也是可编程的;
  4. 有符合相关规范的指.令.集.;
  5. 定时/计数器与寄存区:STC89C51单片机中含两个十六位定时/计数器,共含有三十二个通用寄存器,可以满足许多种类型程序的嵌套需求。
  6. 输入/输出(I/O 口):STC89C51单片机具有各种类型的I/ O端口,除了全双工串行通信外还包括32个I/O线的接口线;
  7. 全静态工作频率为最高为24赫兹,最低可以下降至0赫兹。单片机的操作模式分为掉电模式和空闲模式。当微控制器的系统处于非活动模式时,CPU停止运行,但在此模式下,串行端口,中断系统,RAM,定时器,计数器等处于活动状态。当系统进入另一种模式时,时钟停止工作并终止系统中的所有功能,但保留内部RAM中的信息。

(8)ST89C51的引脚图如下图3.1所示:

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