電子體溫計原理圖及參數(shù)說明

1、電子體溫計的設(shè)計與制作單元電路設(shè)計與計算說明總體方案設(shè)計 （1）根據(jù)溫度范圍和精度選擇NTC熱敏電阻，確定其型號，根據(jù)電阻特性設(shè)計采集放大電路，利用運(yùn)算放大器將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，設(shè)計電路時，因為單片機(jī)采集電壓在02.5V，所以輸入的測量范圍為3542，對應(yīng)輸出02.5V。（2）采集完成以后輸入單片機(jī)ATmega16的A/D口，對模擬量進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，單片機(jī)對采集的信號進(jìn)行處理，根據(jù)采集的信號與溫度的數(shù)學(xué)關(guān)系，將電信號轉(zhuǎn)化為溫度值2。（3）用液晶屏顯示出溫度值。（4）所需的電源功率足夠小，能夠利用開關(guān)電源供電。電子體溫計系統(tǒng)大多主要使用3V直流電源?？傮w方案系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1-1

2、所示。一測溫電路的設(shè)計（1）NTC熱敏電阻介紹1. 熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的阻值隨溫度變化這一熱性而制成的，分為NTC（負(fù)溫度系數(shù)）熱敏電阻、PTC(正溫度系數(shù))熱敏電阻兩大類。PTC熱敏電阻電阻值隨溫度的升高而增大，NTC熱敏電阻電阻值隨溫度的升高而降低5。2. 正溫度系數(shù)熱敏電阻其電阻值隨著PTC熱敏電阻本體溫度的升高呈現(xiàn)出階躍性的增加，溫度越高，電阻值越大。3. 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻其電阻值隨著NTC熱敏電阻本體溫度的升高呈現(xiàn)出階躍性的減小，溫度越高，電阻值越小。4. NTC是Negative Temperature Coefficient的縮寫，意思是負(fù)的溫度系數(shù)，泛指負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)

3、體材料或元器件。通常我們提到的NTC是指負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，簡稱NTC熱敏電阻。5. NTC熱敏電阻是一種典型具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的減小。6. NTC熱敏電阻是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，因為在導(dǎo)電方式上完全類似鍺、硅等半導(dǎo)體材料。溫度低時，這些氧化物材料的載流子（電子和孔穴）數(shù)目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低6。7. NTC熱敏電阻根據(jù)其用途的不同分為：功率型NTC熱敏電阻、補(bǔ)償型NTC熱敏電阻、測溫型NTC熱敏電阻。NTC熱敏電阻的測溫范圍：

4、低溫型號為-1000，中溫型號為-50+300，高溫型號為+200+800，主要材料為Mn、Ni、Co、Fe、Cu、Al等，用于溫度測量、溫度補(bǔ)償和電流限制等。圖2-8熱敏電阻器的電阻溫度特性曲線熱敏電阻的電阻值與溫度的關(guān)系為7： RT=R0e-B(1/T0-1/T) （2-2）其中RTNTC在熱力學(xué)溫度為T時的電阻值R0NTC在熱力學(xué)溫度為T0時的電阻值，多數(shù)廠商將T0設(shè)定在298.15K（25）B熱敏電阻的常數(shù)，它代表熱敏電阻的靈敏度（對溫度的敏感程度），與熱敏電阻的制造材料有關(guān)。熱敏電阻R0與常數(shù)B的關(guān)系如表所示8。表2-3 熱敏電阻R0 與常數(shù)B的關(guān)系使用溫度范圍（）標(biāo)準(zhǔn)電阻值R0標(biāo)稱

5、常數(shù)B-501006（T0=0）3390015030(0）3450502003(100）38941002500.55(200）43001503004(200）51332003508(200）5559計算端基線性度誤差： （2-3）式中 D Lmax 最大非線性偏差； ymaxymin輸出范圍。圖2-9 傳感器線性度示意圖a）端基線性度這圖要改為你自己的真實的曲線 1端其擬合直線y =a+K x 2實際特性曲線 線性化處理多數(shù)傳感器的輸出信號與被測量之間的關(guān)系并非線性誤差，如圖2-10中的曲線1和曲線2。圖2-10 輸出信號與被測量之間的非線性關(guān)系1-類似于指數(shù)型非線性特性 2-類似于對數(shù)型非線

6、性特性 3-線性化后的特性在非線性情況下，將嚴(yán)重影響測量準(zhǔn)確度。因此必須先將實際曲線1或曲線2進(jìn)行線性化處理，得到曲線3。線性化處理的方法：線性化處理可以由硬件實現(xiàn)，但線性化電路往往較復(fù)雜，也會增加檢測系統(tǒng)的成本。在計算機(jī)系統(tǒng)處理能力允許的條件下，可以用軟件實現(xiàn)線性化處理。設(shè)傳感器的靜態(tài)輸入/輸出的特性為y=f(x)，是非線性的，則可以通過查表法、線性插值法，以及二次拋物線折線法等幾種線性化方法，得到線性的結(jié)果：y=Kx。查表法雖然簡單，但需逐點測量輸入-輸出對應(yīng)數(shù)據(jù)；采用線性插值法時，劃分的段數(shù)越多，得到的結(jié)果就越精確，但計算所需時間就越長，即儀器穩(wěn)定時間就越長；二次拋物線折線法的計算就更加

7、復(fù)雜。本設(shè)計采用對數(shù)計算的方法。利用T=3950/(log(RT/RO)+3950/298.15)-273.15公式來計算溫度與熱敏電阻的關(guān)系。NTC熱敏電阻用于溫度測量和控制簡介熱敏電阻具有尺寸小、響應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點，因此它在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。熱敏電阻在工業(yè)上的用途很廣，根據(jù)產(chǎn)品型號不同，其適用范圍也各不相同，具有以下方面9：（1）熱敏電阻測溫 作為測量溫度的熱敏電阻一般結(jié)構(gòu)較簡單，價格較低廉。沒有外面保護(hù)層的熱敏電阻只能應(yīng)用在干燥的地方；密封的熱敏電阻不怕濕氣的侵蝕，可以使用在較惡劣的環(huán)境下。由于熱敏電阻的阻值較大，故其連接導(dǎo)線的電阻和接觸電阻可以忽略，在熱敏電阻測量糧倉溫度中

8、，其引線可長達(dá)近千米。熱敏電阻的測量電路多采用橋路，熱敏電阻體溫表原理圖如圖2-11所示。圖2-11 模擬指針式電子體溫計電路調(diào)試電橋電路時，必須先調(diào)零，再調(diào)滿度，最后再驗證刻度盤中其他各點的誤差是否在允許的范圍內(nèi)，上述過程稱為標(biāo)定。具體做法如下：將絕緣的熱敏電阻放入32（表頭的零位）的溫水中，待熱量平衡后，調(diào)節(jié)RP1，使指針指在32上，再加入熱水，用更高一級的數(shù)字式溫度計監(jiān)測水溫，使其上升到45。待熱量平衡后，調(diào)節(jié)RP2，使指針指在45上。再加入冷水，逐漸降溫，檢查3245范圍內(nèi)刻度的準(zhǔn)確性。如果不正確：可重新刻度；在帶微機(jī)的情況下，可用軟件修正。雖然目前熱敏電阻溫度計均已數(shù)字化，但上述的“

9、調(diào)試”、“標(biāo)定”的概念是作為檢測技術(shù)人員必須掌握的最基本技術(shù)，必須在實踐環(huán)節(jié)反復(fù)訓(xùn)練類似的調(diào)試基本功。（2）熱敏電阻用于溫度補(bǔ)償 熱敏電阻可在一定的溫度范圍內(nèi)對某些元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。例如，動圈式表頭中的動圈由銅線繞制作而成。溫度升高，電阻增大，引起測量誤差?？梢栽趧尤芈分写胗韶?fù)溫度系數(shù)熱敏電阻組成的電阻網(wǎng)絡(luò)，從而抵消由于溫度變化所產(chǎn)生的誤差。在三極管電路、對數(shù)放大器中，也常用熱敏電阻組成補(bǔ)償電路，補(bǔ)償由于溫度引起的漂移誤差。（3）熱敏電阻用于溫度控制及過熱保護(hù) 在電動機(jī)的定子繞組中嵌入突變型熱敏電阻并與繼電器串聯(lián)。當(dāng)電動機(jī)過載時釘子電流增大，引起發(fā)熱。當(dāng)溫度大于突變點時，電路中的電流可以由

10、十分之幾毫安突變?yōu)閹资涟?，因此繼電器動作，從而實現(xiàn)過熱保護(hù)。熱敏電阻在家用電器中用途也十分廣泛，如空調(diào)與干燥器、電熱水器、電烘箱溫度控制等都用到熱敏電阻。（4）熱敏電阻用于液面的測量給NTC熱敏電阻施加一定的加熱電流，它的表面溫度將高于周圍的空氣溫度，此時它的阻值較小。當(dāng)液面高于它的安裝高度時，液體將帶走它的熱量，使之溫度下降、阻值升高。判斷它的組織變化，就可以知道液面是否低于設(shè)定值。汽車油箱中的油位報警傳感器就是利用以上原理制作的。熱敏電阻在汽車中還用于測量油溫、冷卻水溫等。利用類似的原理，熱敏電阻還可用于氣體流量的測量10。熱敏電阻的優(yōu)點是可測量到小范圍內(nèi)的溫度，變化率較大，固有電阻大，

11、無需延長導(dǎo)線時的誤差補(bǔ)償；其缺點是變化率非線性，不適合測量高溫區(qū)。（2）放大電路部分LM324系列運(yùn)算放大器是價格便宜的帶差動輸入功能的四運(yùn)算放大器?？晒ぷ髟趩坞娫聪?，電壓范圍是3.0V32V或最大±16V13。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四運(yùn)算放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。LM324的特點14：(1)短路保護(hù)輸出；(2)真差動輸入級；(3)可單電源工作：3V32V；(4)低偏置電流：最大100nA；(5)每封裝

12、含四個運(yùn)算放大器；(6)具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ埽?7)共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源；(8)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列；(9)輸入端具有靜電保護(hù)功能。圖2-12 LM324的引腳圖圖2-13 溫度傳感器經(jīng)過LM324放大電路溫度傳感器LM35輸出的電壓經(jīng)過LM324反相端輸入放大電路將電壓放大5倍。（3）恒流源電路圖2-15用PROTEL畫的恒流源電路這是最簡單的偏置電路，偏置電流IB自電源VCC(取VCC=5V)經(jīng)過10k，電阻流通。即這一電路的偏置電流IB可用下式表示：IB=（VCC-UBE）/10=（5-0.7）/10= 0.43mA （2-4）式中UBE的值對鍺晶體三極管而言約為0.2V，對硅晶體三極管而言

13、約為0.60.7V。因此，一旦給定VCC的值，由該電路中的IB就基本決定，所以該電路稱為固定偏置電路。它雖電路簡單且功耗小，但由于對溫度的穩(wěn)定性能差，故用于像玩具那樣的放大倍數(shù)不高、保真度要求低的場合。對于NPN管來說，三個電極的電位關(guān)系是：UC> UB > UE；對于PNP管來說，三個電極的電位關(guān)系是：UC< UB < UE。對于三極管，它由基極、集電極和發(fā)射極組成。其中三者關(guān)系可以用一下公式來表示：IE= IC+ IB （2-5）當(dāng)IB=0（將基極開路）時，IE= IC此時電流由集電區(qū)穿過基區(qū)流入發(fā)射區(qū)12。上圖中IE=（1.2-0.7）/4.3K=0.1mA （2

14、-6）所以，IE= IC=0.1 mA，而熱敏電阻兩端的電壓URT=10K×0.1mA=1V，然后再將熱敏電阻兩端的電壓輸送到單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換器的C1口。圖2-16 總電路原理圖上圖為本設(shè)計電子體溫計的總原理圖，以單片機(jī)為核心，溫度傳感器和1602LCD液晶顯示屏為輔件，完成整個電路圖的搭建。二.ATmega16單片機(jī)ATmega16 圖3-1 ATmega16引腳圖引腳功能VCC：電源正GND：電源地端口A(PA7.PA0) ：端口A做為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口A為8 位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用

15、時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口A處于高阻狀態(tài)。端口B(PB7.PB0) ：端口B為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口B 處于高阻狀態(tài)。端口B 也可以用做其他不同的特殊功能。端口C(PC7.PC0) ：端口C為8 位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低

16、時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口C處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳PC5(TDI)、PC3(TMS)與PC2(TCK)的上拉電阻被激活。端口C也可以用做其他不同的特殊功能。端口D(PD7.PD0)： 端口D為8位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口D處于高阻狀態(tài)。端口D也可以用做其他不同的特殊功能。RESET 復(fù)位輸入引腳：持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。持續(xù)時間小于門

17、限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。XTAL1：反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端。XTAL2：反向振蕩放大器的輸出端。AVCC：AVCC是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時，該引腳應(yīng)直接與VCC連接。使用ADC時應(yīng)通過一個低通濾波器與VCC連接。AREF ：A/D的模擬基準(zhǔn)輸入引腳18。三液晶屏JXD1602LCD是液晶顯示屏，主要是用來做面顯示的，它本身不發(fā)光，然后通過電流使屏幕產(chǎn)生各種顏色的渾濁現(xiàn)象，后置一個光源來透過前面的LCD面板使人看到圖案。LED是發(fā)光二極管，它本身是點光源，就是說發(fā)出來的光不是一個面，而是一個點。也有用LED做顯示屏的，相對于液晶顯示屏來說，LED適合于室

18、外以及室內(nèi)大屏幕觀看距離稍微遠(yuǎn)一點的情況，因為LED顯示屏的分辨率肯定遠(yuǎn)遠(yuǎn)小過LCD。還有一點就是由于LED與LCD的功耗比大約為10:1，所以本設(shè)計部采用LED顯示。液晶顯示器（LCD）由于體積小、重量輕、耗電小等優(yōu)點已成為各種嵌入式系統(tǒng)的常用的理想顯示器。近年來，液晶顯示器技術(shù)的發(fā)展迅猛，大面積的液晶顯示器已開始取代CRT顯示器，在使用電池供電的嵌入式電子產(chǎn)品中，如手機(jī)、PDA、家電產(chǎn)品、儀器儀表產(chǎn)品等，液晶顯示器是首選的顯示器。1602字符型LCD簡介1602字符型液晶顯示模塊是專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣式LCD，目前常用的有16X1、16X2、20X2和40X2行等。下面以1

19、602字符型液晶顯示器為例， 介紹其用法。VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端， 接正電源時對比度最弱， 接砌寸對比度最高。若對比度過高會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一只10K電阻來調(diào)整對比度。RS為寄存器選擇端， RS為高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器， 為低電平時選擇指令寄存器。R/W為讀寫信號線， 為高電平時進(jìn)行讀操作， 為低電平時為寫操作。當(dāng)RS和R/W同為低電平時可以寫人指令或者顯示地址；當(dāng)RS為低電平、R/W為高電平時可以讀忙信號；當(dāng)RS為高電平、R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。E為使能端， 當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時， 液晶模塊執(zhí)行命令。D0一D7為位雙向數(shù)據(jù)線21。4.2.2 1602LCD的指

20、令說明及時序1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。指令1：清顯示， 指令碼01H， 光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置指令2：光標(biāo)復(fù)位， 光標(biāo)返回到地址00H指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置I/D：光標(biāo)移動方向， 高電平右移， 低電平左移S：屏幕上所有文字是否左移或者右移， 高電平表示有效， 低電平則無效。時序如表所示指令4：顯示開關(guān)控制D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示， 低電平表示關(guān)顯示C：控制光標(biāo)的開與關(guān)， 高電平表示有光標(biāo)， 低電平表示無光標(biāo)B：控制光標(biāo)是否閃爍， 高電平閃爍， 低電平不閃爍指令5：光標(biāo)或顯示移位S/C：高電平時移動顯示的文字， 低電平時移動光標(biāo)

21、指令6：功能設(shè)置命令DL：高電平時為位總線， 低電平時為8位總線；N：低電平時為單行顯示， 高電平時雙行顯示；F：低電平時顯示5X7的點陣字符， 高電平時顯示5X10的點陣字符指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置指令8：DDRAM地址設(shè)置指令9：讀忙信號和光標(biāo)地址BF：忙標(biāo)志位， 高電平表示忙， 此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)低電平表示不忙指令10：寫數(shù)據(jù)指令11：讀數(shù)據(jù)外形尺寸/顯示內(nèi)容4.3.3 接口說明表4-2 1602的引腳說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2Data I/O2VDD電源正極10D3Data I/O3VL液晶顯示偏壓信號11D4Data I/O4RS數(shù)據(jù)/

22、命令選擇端(H/L)12D5Data I/O5R/W讀/寫選擇端(H/L)13D6Data I/O6E使能信號14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正極8D1Data I/O16BLK背光源負(fù)極表4-3 1602液晶模塊內(nèi)部的控制器的11條控制指令序號指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標(biāo)返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關(guān)設(shè)置0000001DCB5光標(biāo)或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符發(fā)生存儲器地址0001字符發(fā)生存儲器地址8置數(shù)據(jù)存儲器地址001顯示數(shù)據(jù)存儲器地址9讀忙標(biāo)志或地址01BF計數(shù)器地址10寫數(shù)到CGRAM或DDRAM10要寫