智能仪器仪表 电子体温计.doc

电子体温计摘 要: 体温是生命活动的一种表现，是人体新陈代谢的一个重要生理参数，体温既有生理学的意义，又有重要的临床医学意义,是临床诊断的一个重要指标。因此,体温计在现在的生活中有极为重要的作用，传统的水银体温计易破碎，存在水银污染的可能，测量时间较长，不易读数，一种新型的电子体温计，它的测温精度与传统的水银温度计相媲美的情况下，大大的缩短了测温时间且携带方便,对环境几乎没有污染。它以AT89S52单片机为核心,结合温度传感器，LED模块等外部设备，在软件的控制下，实现智能化的体温测量，不但能够精确测温，而且能够对温度进行逻辑判断，并且通过LED显示器将测量结果显示出来。 关键字：电子体温计; 智能温度传感器 ; 单片机 Electronic thermometerAbstract: temperature is an expression of life activities, is a human the new supersedes the old. An important physiological parameters, temperature of both the significance of physiology, and important clinical significance, clinical diagnosis is an important index. Therefore, the thermometer in life now has the extremely important role, the traditional mercury thermometer easily broken, there is the possibility of mercury pollution, the measuring time is longer, is not easy reading, a new type of electronic thermometer, the temperature measurement accuracy with the traditional comparable to the mercury thermometer case, greatly shortened temperature time and easy to carry, almost no pollution to the environment. It takes AT89S52 single chip as the core, combining with the temperature sensor, the LED module and other external equipment, under the control of software, the realization of intelligent temperature measurement, not only can accurate temperature measurement, but also to the temperature of the logical judgment, and through the LED display the measurement results will be displayed.Keywords : electronic thermometer; temperature sensor; single chip microcomputer前言体温是观测人体机能是否正常的重要指标之一,也是人体生命活动的基本特征。在日常生活中,在用水银体温计测量体温时,是通过读取刻度值来判断温度的高低。当光线较暗或年纪较大,就看不清或不能准确的读出体温计的读数;同时在测量时需要等待较长时间,只有使水银温度计充分受热,才能基本准确反应其实际温度值,水银温度计给测量者带来了诸多不便。而电子体温计不仅克服了传统体温计的许多缺陷,它可以快速的进行体温测量,而且以语音报出测量的体温值;同时可以将测量值保存起来,具有记忆功能。具有较高的灵敏度,可以在几秒钟内测得结果,对于视力不佳而无法读取数值的人群或老年人显得更为重要。市场上销售的数字体温计不仅精度较低、体积大、耗电多 ,而且功能单一,难于推广应用。而利用型医用数字体温计集成电路为内核的电子温度计,可满足医院及家庭的急需 ,特别适合构成高精度、多功能、微型化的临床体温计,可满足医院及家庭的急需。1、 工作原理 电子体温计是利用温度传感器输出电信号，再将电流信号转换成液晶数字显示温度，同样能保持被测温度的最高值。电子体温计最核心的元件就是感知温度的温度传感器。传感器的分辨率可达0.01，精确度可达0.02，反应速度2.8秒，电阻年漂移率0.1%。 电子体温计的计体采用无毒塑料注塑成型。感温头外壳由导热良好的金属材料制成, 内置经激光精确修正热敏电阻构成。外壳用无毒胶水与计体胶合, 坚固可靠。读数采用液晶显示(LCD)。电源开关为轻触式微型按钮开关。 体温计以软包装的大规模IC 为核心、热敏电阻RT、精密匹配电阻器R、LCD、超微型压电喇叭、扣式电池E、电源按钮开关K 组成。IC 内部主要由与RT、R 组成的测量电桥、A /D 变换、功能提示电路组成。精密匹配电阻器R 是在将感温头置於基准恒温箱内时与RT 严格选配, 采用温度系数小的精密电阻器。因此电子体温计读数正确, 重复性、一致性良好。电路在测量周期(1 2m in) 内, 将测量值中最高峰值锁定保持, 并能保持到下次开机重复显示, 然后自动解除锁定状态, 进行新的测量。测量结束时有声响提示。如果遗忘关机, 有自动延时10m in 关机功能。电池电压不足时有提示, 显示闪烁符号。2、 结构特点2.1 结构 结构组成：温度传感器，这个是关键部件；放大电路；单片机及数模转换器A/D；数字显示部分（LCD显示屏组件）；电源部分。 NTC具有价格低廉、阻值随温度变化显著的特点，而广泛用于温度测量。通常采用一只精密电阻与NTC串联，NTC阻值的变化转变为电压变化直接进入比较电路或单片机的A/D的输入接口，不必经过放大处理，电路构成极为简单。运用NTC时除了选择合适的R值和B值之外，还应当考虑到测量速度和精度。 B值直接反映NTC测量温度的响应速度，但不是越小越好，确定B值需要比较与权衡。因为B值与它的封装尺寸有关，NTC的封装尺寸小，则B值小，机械强度低；封装尺寸大，则B值大，机械强度高。 2.2 特点 新型电子体温计利用电子感温，灵敏度高，也适合无法长时间安静的儿童，且能在较短的时间内准确测试出体温，探热时间可快至1min。它的测量精度可达0.1，液晶屏直接显示体温数值。3、 系统主程序流程框图4、 硬件平台4.1 温度传感器 集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。集成温度传感器一般且有具有线性好、精度高、灵敏度高、体积小、使用方便等优点。根据实验室现有材料可选取DS18B20。DS18B20的测温范围为-55+150，能满足本设计的050度测量要求。根据相关技术资料：DS18B20线性电流输出为1A/K,正比于绝对温度；DS18B20的电源电压范围为4V30V，并可承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。温度传感器内部结构如下图所示：4.2 NTC热敏电阻 NTC是Negative Temperature Coefficient的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件。通常我们提到的NTC是指负温度系数热敏电阻，简称NTC热敏电阻。 NTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的减小。 NTC热敏电阻是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。 NTC热敏电阻用于温度测量和控制，热敏电阻具有尺寸小、响应速度快、灵敏度高等优点，因此它在许多领域得到广泛应用。4.3 A/D转换器与放大电路 测温电路主要是由温度传感器和与传感器有关的电阻等组成，将温度的变化转换成电流或电压的变化，输出给下一级放大电路；放大电路主要由集成运放及其外接电容、电阻等组成，用以放大由测温电路产生的微弱电信号，使之满足模数转换电路工作需要的电压或电流；模数转换电路由A/D转换器构成，将放大电路输出的模拟电信号转换成能够使驱动电路工作的数字信号；驱动电路由译码器及其外围电路组成，用来驱动数码管或LED显示器。4.4 LED显示器LED显示器工作于静态显示方式时，各位的阴极或阳极选择线连接在一起并接地或+5V每位的段码线分别与1个8位的锁存器输出连接。各LED显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止直到送入另一个字符的段码为止。静态显示可以得到较高的显示亮度。静态显示有并行输出和串行输出两种方式。并行输出显示的十进制位数多时需要并行I/O接口芯片的数量较多。串行输出可以大大节省单片机的内部资源。4.5 单片机 AT89C51单片机正常工作必须连接基本电路。基本电路包括晶振电路和复位电路。 （1） 晶振电路 单片机的时钟信号通常有两种产生方式，一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。内部时钟方式是利用单片机内部的振荡电路产生时钟信号。外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内。本设计采用内部时钟方式，在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体，简称晶振。作为单片机内部振荡电路的负载，构成自激振荡器。可在单片机内部产生时钟脉冲信号。C1和C2可以稳定振荡频率，并使快速起振。本电路选用晶振12MHzC1=C2=30pF。 （2） 复位电路 复位是使单片机处于某种确定的初始状态。单片机工作从复位开始。在单片机RST引脚引入高电平并保持2个机器周期，单片机就执行复位操作。复位操作有两种基本方式，一种是上电复位，一种是上电与按键均有效的复位。本设计采用后一种复位电路。电路如图2.9中所示。 当RST获得高电平，随着电容C3的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。若该高电平能保持足够2个机器周期，就可以实现复位操作。选择C3=10F R1=10K。 单片机电路如下图所示：5、 系统软件 DS18B20的一线工作协议流程是：初始化一ROM操作指令储器操作指令数据传输。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序。故主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS1 8B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令最后发送RAM指令。这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒。然后释放DS18B20收到信号后等待16-60微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲。主CPU收到此信号表示复位成功。系统软件流程图如下图所示：6、 结论电子温度计电路在硬件上采用集成温度传感器来检测温度，测温准确，精度高。使用A/D转换器进行放大、转换、译码和驱动。利用四个LED数码管构成三位半数显温度表来显示实测温度，系统运行情况良好。电子温度测量方式是随着电子技术的兴起而快速发展的一们学科，它利用材料随温度变化的参数转换成电信号对温度进行测量。早期的电子温度测量均采用模拟技术的方法对传感器的非线性补偿，采用分立式电路进行各种方法的补偿线路，复杂体积庞大、可靠性低、应用受到很大的制约。后来计算机的出现及相关技术的发展使测量的精度和温度控制能力有了很大的提高，但由于价格昂贵只能做为工业等部门使用的投资类设备或仪表无法进入百姓的日常生活，微电子技术的发展使这一希望逐步变成了现实十年前单片体温计集成电路开始问世，但当时由于MOS 电路技术尚未成熟，电路多采用模拟工艺制造信号处理方式，也以模拟信号处理方式为主，各方面的性能不尽如人意加上价格高企发展受到很大制约，近年来人们环保意识日益增强迫切希望能有新一代的电子体温计取代对环境造成严重汞污染的水银体温计，所幸现在数字集成电路技术和相应的数字信号处理理论相对成熟，开发制造成本大幅下降，为新一代电子体温计的开发创造了良好的先决条件，以数字技术为主要技术的新一代电子体温计又一次成为关注和研究的对象，温度计的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、半导体集成数字温度计等。在电子式温度计中，传感器是它的重要组成部分，温度计的精度、灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。温度传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型温度传感器，从而构成性能优良的温度监控系统。 参考文献 1 丁镇生.传感器及传感技术应用.北京:电子工业出版社，1998.2 余孟尝.数字电子技术基础简明教程.北京:高等教育出版社，2006. 3 林玉江.模拟电子技术基础