基于DS18B20的嬰兒保溫箱測溫系統(tǒng)研究

路攀 胡兆燕 李淼 上海理工大學(xué) (上海 200093)

基于DS18B20的嬰兒保溫箱測溫系統(tǒng)研究

路攀 胡兆燕 李淼 上海理工大學(xué) (上海 200093)

本文對嬰兒保溫箱的測溫系統(tǒng)進(jìn)行了改良，采用了一種新型數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，用DS18B20和AT89S52單片機(jī)開發(fā)了一種自動溫度測控系統(tǒng)，給出了DS18B20與AT89S52的接線圖。為嬰兒保溫箱的溫度控制提供了良好的基準(zhǔn)。降低了整個系統(tǒng)的功耗，簡化了結(jié)構(gòu)，使得性能更加穩(wěn)定。

嬰兒保溫箱 測溫系統(tǒng) 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

新生兒的各種生理功能尚未成熟， 體溫調(diào)節(jié)功能尚不完善， 因此， 最好使嬰兒處于“中性溫度”的環(huán)境中，尤其對早產(chǎn)嬰兒、硬腫癥或發(fā)育不良的新生兒更是如此?！爸行詼囟取敝改芫S持正常體溫及皮膚溫度的最適宜的環(huán)境溫度， 在此溫度下， 身體耗氧量最少， 蒸發(fā)散熱量最少， 新陳代謝最低。嬰兒保溫箱以科學(xué)的方法為新生兒創(chuàng)造一個空氣潔凈、溫濕度適宜的舒適環(huán)境， 能夠避免嬰兒感染， 增強(qiáng)嬰兒機(jī)體抵抗力，保障嬰兒發(fā)育成長[1]。嬰兒保溫箱主要目的就是保持新生兒適當(dāng)溫度的小環(huán)境，為了防止新生兒的熱損失，保溫箱要具有穩(wěn)定的溫度[2][3]。如圖1依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要在5個具體的測量點(diǎn)放置溫度傳感器，進(jìn)行溫度的檢測[4][5]。

嬰兒保溫箱的溫度控制范圍要求為 ，溫度傳感器精度：±0.3[4]。溫度檢測的傳統(tǒng)方法是使用諸如熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體PN結(jié)(如AD590)之類的模擬傳感器，經(jīng)信號取樣電路、放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路處理，獲取表示溫度值的數(shù)字信號，再交由微處理器處理。被測溫度信號從敏感元件接收的非電模擬量開始，到轉(zhuǎn)換為微處理器可處理的數(shù)字信號之間，線路環(huán)節(jié)較多，相應(yīng)測溫裝置中元器件數(shù)量難以下降，隨之影響產(chǎn)品的可靠性及體積微小化。由此會造成整個檢測系統(tǒng)有較大的偏差，穩(wěn)定性和抗干擾性能都較差。溫度傳感器經(jīng)歷了3個發(fā)展階段：①傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器，②模擬集成溫度傳感器，③智能集成溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展[6]。本文采用了一種新型的數(shù)字溫度傳感器DS18B20對嬰兒保溫箱的測溫系統(tǒng)進(jìn)行了改良。并以此傳感器和AT89S52單片機(jī)配合作為嬰兒保溫箱的測溫裝置。

圖1 嬰兒保溫臺及溫度傳感器放置

1 單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20介紹

DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司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，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn) 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，并且從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[7]。它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率都有了很大的改進(jìn)，可以帶來更方便的使用方式和更令人滿意的效果。

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示主要由4部分組成：64位光刻ROM，溫度傳感器，非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL，高速暫存器。DS18B20的管腳排列如圖3所示。64位光刻ROM是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列號。不同的器件地址序列號不同。

以12位轉(zhuǎn)化為例：12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個高低8為的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號位。如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘以0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘以0.0625才能得到實(shí)際溫度。表1為部分溫度值的對應(yīng)表。

圖2 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 DS18B20的外部形狀和管腳

表1 部分溫度值對應(yīng)表

圖4 DS18B20及LCD接入電路

DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與TH，TL作比較，若T＞TH或T＜TL，則將該器件內(nèi)的告警標(biāo)志置位，并對主機(jī)發(fā)出的告警搜索命令作出響應(yīng)。

2 溫度傳感器采集電路設(shè)計

依據(jù)GB11243-2000 醫(yī)用電氣設(shè)備第2部分嬰兒培養(yǎng)箱安全專用要求，我們設(shè)計了溫度的采集電路。如圖1所示，溫度傳感器放置在離床墊10 cm處并與床墊平行的平面。點(diǎn)A必須在墊子中心上方10cm處。其余各點(diǎn)必須在長度和寬度的二等分線形成的四塊面積的中心。DS18B20和LCD的接入電路如圖4所示。

雖然DS18B20有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在使用起來并非易事，由于采用單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，DS18B20的數(shù)據(jù)I/O均由同一條線完成。因此，對讀寫的操作時序要求嚴(yán)格。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先[8]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于DS18B20數(shù)字溫度傳感器的軟件設(shè)計采用C51編寫程序，主要完成DS18B20的測量溫度值計算及溫度值的顯示功能。其采用模塊化子程序設(shè)計[9]。系統(tǒng)子程序包括：系統(tǒng)初始化、復(fù)位程序、讀取溫度程序、溫度轉(zhuǎn)換程序、LCD顯示程序和延時程序。

為保證DS18B20的嚴(yán)格I/O時序，需要做較精確的延時。在DS18B20操作中，用到的延時有15μs，90μs，270μs，540μs等。因這些延時均為 15μs的整數(shù)倍，因此我們編寫一個delay15 (n)函數(shù)，源碼如下：

只要用該函數(shù)進(jìn)行大約15μs×N的延時即可。有了比較精確的延時保證,就可以對DS18B20進(jìn)行讀寫操作、溫度轉(zhuǎn)換及顯示等操作。

由于要實(shí)現(xiàn)實(shí)時對18B20傳感器的溫度采集，我們設(shè)置500ms定時器T0，500ms中斷一次，完成對18B20的溫度采集格式轉(zhuǎn)化及數(shù)據(jù)輸出過程。如圖5為主程序流程圖。以下是定時器設(shè)置部分程序和主程序。限于篇幅所限，未列出全部詳細(xì)代碼。

圖5 總程序流程圖

圖6基于Poteus的仿真

4 溫度檢測實(shí)時性的校驗

依據(jù)GB11243-2000嬰兒培養(yǎng)箱安全專用要求中規(guī)定在圖1中的A、B、C、D和E點(diǎn)每一點(diǎn)的平均溫度與平均培養(yǎng)箱溫度之差不大于0.8 。在傾斜床墊的任何位置的平均溫度與平均培養(yǎng)箱溫度之差不大于1 。因此我們對五個測量平均值與實(shí)際的培養(yǎng)箱平均溫度進(jìn)行比較。在培養(yǎng)箱床墊托盤為水平方向和兩個傾斜角為極限值時的位置下分別進(jìn)行試驗。

在這里我們用Poteus軟件對電路進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖6所示。響應(yīng)的時間小于500ms。這其中包括傳感器響應(yīng)外界溫度變化及總線對DS18B20完成一次讀操作，以及系統(tǒng)進(jìn)行處理和，處理后數(shù)據(jù)送達(dá)到液晶顯示屏輸出及輸出的時間消耗。所以完成一次對外界溫度信號響應(yīng)及輸出的時間被控制在500ms之內(nèi)。

如圖7所示我們用Poteus得到的檢測到的溫度和實(shí)際的溫度比較。由表中我們可以看出檢測的溫度滯后于實(shí)際溫度大約500ms。與我們的理論計算相符合。所以DS18B20具有很好的溫度響應(yīng)時間。節(jié)約I/O口等特點(diǎn)。滿足多點(diǎn)溫度場的溫度檢測。減少了測溫裝置中的器件數(shù)量和整個系統(tǒng)的體積，提高了測溫系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性。擁有很好的性價比，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和維護(hù)，具有很好的實(shí)用價值。

圖7 實(shí)際溫度與檢測溫度

5 結(jié)論

可以看出DS18B20在測量溫度時很好的滿足了GB11243-2000嬰兒培養(yǎng)箱安全專用要求，溫度測量絕對精度和響應(yīng)時間也都符合要求。并且具有接線簡單，

[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 醫(yī)用電氣設(shè)備.第2部分.嬰兒培養(yǎng)箱安全專用要求

[5] GB 9706.1-1995 醫(yī)用電氣設(shè)備安全通用要求國家標(biāo)準(zhǔn)

[6] 施文康,徐錫林.測試技術(shù)[M].上海.上海交通大學(xué)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.單片機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)教程與實(shí)踐[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008

[9] 崔瑋,許跟林.DSP和DS18B20的溫度測量系統(tǒng)[J].微計算機(jī)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，碩士研究生；胡兆燕，副教授，研究生導(dǎo)師；李淼，碩士研究生