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1、电子体温计的设计与制作单元电路设计与计算说明总体方案设计 （1）根据温度范围和精度选择NTC热敏电阻，确定其型号，根据电阻特性设计采集放大电路，利用运算放大器将温度信号转换为电压信号，设计电路时，因为单片机采集电压在02.5V，所以输入的测量范围为3542，对应输出02.5V。（2）采集完成以后输入单片机ATmega16的A/D口，对模拟量进行采样，转化为数字信号，单片机对采集的信号进行处理，根据采集的信号与温度的数学关系，将电信号转化为温度值2。（3）用液晶屏显示出温度值。（4）所需的电源功率足够小，能够利用开关电源供电。电子体温计系统大多主要使用3V直流电源。总体方案系统设计框图如图1-1
2、所示。一测温电路的设计（1）NTC热敏电阻介绍1. 热敏电阻是利用半导体的阻值随温度变化这一热性而制成的，分为NTC（负温度系数）热敏电阻、PTC(正温度系数)热敏电阻两大类。PTC热敏电阻电阻值随温度的升高而增大，NTC热敏电阻电阻值随温度的升高而降低5。2. 正温度系数热敏电阻其电阻值随着PTC热敏电阻本体温度的升高呈现出阶跃性的增加，温度越高，电阻值越大。3. 负温度系数热敏电阻其电阻值随着NTC热敏电阻本体温度的升高呈现出阶跃性的减小，温度越高，电阻值越小。4. 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
3、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。5. 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。6. 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6。7. NTC热敏电阻根据其用途的不同分为：功率型NTC热敏电阻、补偿型NTC热敏电阻、测温型NTC热敏电阻。NTC热敏电阻的测温范围：
4、低温型号为-1000，中温型号为-50+300，高温型号为+200+800，主要材料为Mn、Ni、Co、Fe、Cu、Al等，用于温度测量、温度补偿和电流限制等。图2-8热敏电阻器的电阻温度特性曲线热敏电阻的电阻值与温度的关系为7： RT=R0e-B(1/T0-1/T) （2-2）其中RTNTC在热力学温度为T时的电阻值R0NTC在热力学温度为T0时的电阻值，多数厂商将T0设定在298.15K（25）B热敏电阻的常数，它代表热敏电阻的灵敏度（对温度的敏感程度），与热敏电阻的制造材料有关。热敏电阻R0与常数B的关系如表所示8。表2-3 热敏电阻R0 与常数B的关系使用温度范围（）标准电阻值R0标称
5、常数B-501006（T0=0）3390015030(0）3450502003(100）38941002500.55(200）43001503004(200）51332003508(200）5559计算端基线性度误差： （2-3）式中 D Lmax 最大非线性偏差； ymaxymin输出范围。图2-9 传感器线性度示意图a）端基线性度这图要改为你自己的真实的曲线 1端其拟合直线y =a+K x 2实际特性曲线 线性化处理多数传感器的输出信号与被测量之间的关系并非线性误差，如图2-10中的曲线1和曲线2。图2-10 输出信号与被测量之间的非线性关系1-类似于指数型非线性特性 2-类似于对数型非线
6、性特性 3-线性化后的特性在非线性情况下，将严重影响测量准确度。因此必须先将实际曲线1或曲线2进行线性化处理，得到曲线3。线性化处理的方法：线性化处理可以由硬件实现，但线性化电路往往较复杂，也会增加检测系统的成本。在计算机系统处理能力允许的条件下，可以用软件实现线性化处理。设传感器的静态输入/输出的特性为y=f(x)，是非线性的，则可以通过查表法、线性插值法，以及二次抛物线折线法等几种线性化方法，得到线性的结果：y=Kx。查表法虽然简单，但需逐点测量输入-输出对应数据；采用线性插值法时，划分的段数越多，得到的结果就越精确，但计算所需时间就越长，即仪器稳定时间就越长；二次抛物线折线法的计算就更加
7、复杂。本设计采用对数计算的方法。利用T=3950/(log(RT/RO)+3950/298.15)-273.15公式来计算温度与热敏电阻的关系。NTC热敏电阻用于温度测量和控制简介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。热敏电阻在工业上的用途很广，根据产品型号不同，其适用范围也各不相同，具有以下方面9：（1）热敏电阻测温 作为测量温度的热敏电阻一般结构较简单，价格较低廉。没有外面保护层的热敏电阻只能应用在干燥的地方；密封的热敏电阻不怕湿气的侵蚀，可以使用在较恶劣的环境下。由于热敏电阻的阻值较大，故其连接导线的电阻和接触电阻可以忽略，在热敏电阻测量粮仓温度中
8、，其引线可长达近千米。热敏电阻的测量电路多采用桥路，热敏电阻体温表原理图如图2-11所示。图2-11 模拟指针式电子体温计电路调试电桥电路时，必须先调零，再调满度，最后再验证刻度盘中其他各点的误差是否在允许的范围内，上述过程称为标定。具体做法如下：将绝缘的热敏电阻放入32（表头的零位）的温水中，待热量平衡后，调节RP1，使指针指在32上，再加入热水，用更高一级的数字式温度计监测水温，使其上升到45。待热量平衡后，调节RP2，使指针指在45上。再加入冷水，逐渐降温，检查3245范围内刻度的准确性。如果不正确：可重新刻度；在带微机的情况下，可用软件修正。虽然目前热敏电阻温度计均已数字化，但上述的“
9、调试”、“标定”的概念是作为检测技术人员必须掌握的最基本技术，必须在实践环节反复训练类似的调试基本功。（2）热敏电阻用于温度补偿 热敏电阻可在一定的温度范围内对某些元件进行温度补偿。例如，动圈式表头中的动圈由铜线绕制作而成。温度升高，电阻增大，引起测量误差。可以在动圈回路中串入由负温度系数热敏电阻组成的电阻网络，从而抵消由于温度变化所产生的误差。在三极管电路、对数放大器中，也常用热敏电阻组成补偿电路，补偿由于温度引起的漂移误差。（3）热敏电阻用于温度控制及过热保护 在电动机的定子绕组中嵌入突变型热敏电阻并与继电器串联。当电动机过载时钉子电流增大，引起发热。当温度大于突变点时，电路中的电流可以由
10、十分之几毫安突变为几十毫安，因此继电器动作，从而实现过热保护。热敏电阻在家用电器中用途也十分广泛，如空调与干燥器、电热水器、电烘箱温度控制等都用到热敏电阻。（4）热敏电阻用于液面的测量给NTC热敏电阻施加一定的加热电流，它的表面温度将高于周围的空气温度，此时它的阻值较小。当液面高于它的安装高度时，液体将带走它的热量，使之温度下降、阻值升高。判断它的组织变化，就可以知道液面是否低于设定值。汽车油箱中的油位报警传感器就是利用以上原理制作的。热敏电阻在汽车中还用于测量油温、冷却水温等。利用类似的原理，热敏电阻还可用于气体流量的测量10。热敏电阻的优点是可测量到小范围内的温度，变化率较大，固有电阻大，
11、无需延长导线时的误差补偿；其缺点是变化率非线性，不适合测量高温区。（2）放大电路部分LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V32V或最大16V13。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四运算放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。LM324的特点14：(1)短路保护输出；(2)真差动输入级；(3)可单电源工作：3V32V；(4)低偏置电流：最大100nA；(5)每封装含四个运算放
12、大器；(6)具有内部补偿的功能；(7)共模范围扩展到负电源；(8)行业标准的引脚排列；(9)输入端具有静电保护功能。图2-12 LM324的引脚图图2-13 温度传感器经过LM324放大电路温度传感器LM35输出的电压经过LM324反相端输入放大电路将电压放大5倍。（3）恒流源电路图2-15用PROTEL画的恒流源电路这是最简单的偏置电路，偏置电流IB自电源VCC(取VCC=5V)经过10k，电阻流通。即这一电路的偏置电流IB可用下式表示：IB=（VCC-UBE）/10=（5-0.7）/10= 0.43mA （2-4）式中UBE的值对锗晶体三极管而言约为0.2V，对硅晶体三极管而言约为0.60
13、.7V。因此，一旦给定VCC的值，由该电路中的IB就基本决定，所以该电路称为固定偏置电路。它虽电路简单且功耗小，但由于对温度的稳定性能差，故用于像玩具那样的放大倍数不高、保真度要求低的场合。对于NPN管来说，三个电极的电位关系是：UC UB UE；对于PNP管来说，三个电极的电位关系是：UC UB UE。对于三极管，它由基极、集电极和发射极组成。其中三者关系可以用一下公式来表示：IE= IC+ IB （2-5）当IB=0（将基极开路）时，IE= IC此时电流由集电区穿过基区流入发射区12。上图中IE=（1.2-0.7）/4.3K=0.1mA （2-6）所以，IE= IC=0.1 mA，而热敏电
14、阻两端的电压URT=10K0.1mA=1V，然后再将热敏电阻两端的电压输送到单片机的AD转换器的C1口。图2-16 总电路原理图上图为本设计电子体温计的总原理图，以单片机为核心，温度传感器和1602LCD液晶显示屏为辅件，完成整个电路图的搭建。二.ATmega16单片机ATmega16 图3-1 ATmega16引脚图引脚功能VCC：电源正GND：电源地端口A(PA7.PA0) ：端口A做为A/D转换器的模拟输入端。端口A为8 位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。端口B(PB7.PB0) ：端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B 处于高阻状态。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为8 位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端
