基于单片机的电子体温计设计毕业论文目 录第一章 绪论11.1 体温计的发展与现状11.2 新型智能电子体温计的介绍11.3 本文研究容2第二章 系统总体设计32.1 系统方案设计32.2 硬件主要模块的选取与介绍32.2.1 温度传感器的选取与介绍32.2.2 放大器的选取与介绍32.3 硬件系统方案设计4第三章 测温电路的设计53.1 NTC热敏电阻的介绍53.2 热敏电阻温度测量计算53.3 恒压源电路73.4 温度检测、放大电路8第四章 数字电路部分设计104.1 ATmega8L单片机硬件介绍104.2 电源部分与睡眠模式104.3 复位与时钟电路114.4 AD转换器124.5 人机接口13第五章 系统软件设计155.1 软件总体设计方案155.2 ADC模块的软件设计16第六章 系统测试186.1 硬件测试186.1.1 单元模块的测试186.1.2 系统整体测试186.2 软件测试186.2.1 模块测试186.2.2 整体软件测试196.3 测试结果分析19第七章 结论20参考文献21致谢22附件A23附件B24附件C25 / 第一章 绪 论1.1 体温计的发展与现状体温测量的历史，可以追溯到l6世纪。当时Saatorio用空气热膨胀的原理，制出了第一支测量口腔温度的体温计。本世纪初，开始用水银来制作体温计，至今在临床上得到了广泛的应用。根据1928年Ebstein的报告，当时除测量口腔与腋下的温度外，还可以测量直肠、颈部、大腿根部，外耳与尿温,这些都是用被测皮肤温度与玻璃球积存的水银温度相等的原理实现的。1在之前，由于水银体温计使用方便、精度高，因而应用很广，再加上测温方法与其结构都已成熟，没多大改进余地，人们对它的研究失去了信心，在很长时间里几乎没有什么进展。由于用水银体温计进行体温监测很不方便，水银的污染的可能也很严重等，为了正确测量人体局部温度，促使人们开发了各种不同的测温仪器和测温方法。虽然水银体温计仍不愧是一个精度高、便宜、使用方便的测温仪器，但现在已有许多医院采用了电子体温计，用其它电子仪器测量体温也日益普与。这一事实至少说明，电子测温仪器的性能已接近水银温度计的性能。因此，鉴于传统的水银体温计汞的污染与其携带不方便易破碎，尤其是测量时间过长等缺点，本课题为解决此问题设计出一种数字式电子体温计。它在稳定性与响应时间上比传统的水银体温计有着显著的优势，精度要求也能和传统的水银体温计相媲美。1.2 新型智能电子体温计的介绍单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。它给日常生活带来多方面的进步，其中数字温度计就是一个典型的例子，医院、家庭等随处可见，为了能更加满足人们的需要，数字体温计正在更新换代。2-3温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域有着特别重要的意义。目前所使用的温度计还有很多是传统的水银温度计。这种温度计的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，使用非常不方便。电子体温计由温度传感器，液晶显示器，专用集成电路与其他电子元器件组成。能快速准确地测量人体体温，与传统的水银玻璃体温计相比，具有读数方便，测量时间短，测量精度高，能记忆并有蜂鸣提示等优点，尤其是电子体温计不含水银，对人体与周围环境无害，特别适合于家庭，医院等场合使用。41.3 本文研究容鉴于目前体温计的发展现状，本设计采用单片机来控制实现体温的测量、显示、与报警等功能，与传统的体温计相比安全性高、携带使用方便、测温速度快、测量围广。此次设计的体温计温度测量围在25oC45oC，设计容包括有温度的采集与放大处理，数字电路部分的设计，以与程序的编写。文中详细介绍了硬件电路各部分的工作原理、软件的编写与仿真以与整个设计过程，最后对系统进行了各种测试。第二章 系统总体设计2.1 系统方案设计（1）根据温度围和精度选择NTC热敏电阻，确定其型号，根据电阻特性设计温度采集与放大电路，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02.68V，所以输入的测量围为2545左右时对应输出电压为02.68V左右。（2）温度采集并放大后将信号输入单片机ATmega8L的AD口，对模拟量进行采样，转化为数字信号，单片机对该数字信号进行处理，根据采集的信号与温度的数学关系，将该数字信号转化为对应温度值。（3）用数码管显示出温度值，同时控制蜂鸣器发声并根据按键做相应调整。（4）所需的电源功率比较小，数字电路部分采用普通的三端稳压芯片，放大电路部分采用DC-DC电源以提高稳定性和测温精度。2.2 硬件主要模块的选取与介绍2.2.1 温度传感器的选取与介绍在电子体温计中常用的温度传感器可分为两种：集成温度传感器和NTC热敏电阻。集成温度传感器使用方便，整体电路设计相对比较简单，但是集成温度传感器的测量围一般都比较广，所以精度有限，很难满足设计要求，要在体温计上使用必须用专用的传感器，因此价格比较贵，故在本设计中不采用。所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。负温度系数热敏电阻器温度计的精度可以达到0.1，感温时间可少至10s以下。它可应用于食品储存、医药卫生、科学种田、海洋、深井、高空、冰川等方面的温度测量。4NTC热敏电阻原理简单，对温度灵敏，可以自由控制精度，所以在设计时有更大的发挥空间，故本设计采用的是NTC热敏电阻作为体温计的温度传感器。2.2.2 放大器的选取与介绍为使电路设计简单，特别是电源部分的设计，在本设计中采用单电源供电、低电压、低功耗的运算放大器，因为对测温精度有一定的要求，所以在选取运放时要考虑运算放大器相关参数，如输入偏置电流和、输入失调电压等。LM358部包括有两个独立的、高增益、部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合，其引脚功能如图2.1所示。图2.1 LM358引脚功能图LM358的一些基本参数与特性:输入偏置电流：45nA输入失调电流：50nA输入失调电压：2.9mV输入共模电压最大值：VCC-1.5V输出电压摆幅大：0至Vcc-1.5V电源电压围宽：单电源(3-30V)低功耗电流，适合于电池供电共模抑制比：80dB电源抑制比：100dB2.3 硬件系统方案设计 根据设计要求，将系统分为若干模块，以单片机为核心，完成多项功能。系统框图如图2.2，温度传感器把采集的外部温度信号转换成电压信号，经过放大电路放大后作为单片机部AD转换器的模拟输入信号，单片机将模拟信号转换成数字信号，并通过算法将其换算成对应的温度，再经数码管显示出来。同时单片机还处理按键、报警模块。电源部分则为整个系统提供稳定的电源，保证系统能正常的工作。5NTC热敏电阻温度采集LM358电压信号放大电源数码管显示按键预置报警模块ATmega8L单片机图2.2 系统整体框架图第三章 测温电路的设计3.1 NTC热敏电阻的介绍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。在此主要介绍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。热敏电阻有如下优点：对于温度的变化，其阻值变化较大，即输出灵敏度高；便于大批量生产，因而价格便宜；体积小而且坚固；由于灵敏度高，因而信号处理非常方便。缺点是非线性、测温围窄、互换性差等。63.2 热敏电阻温度测量计算首先介绍一个NTC负温度系数热敏电阻专业术语：零功率电阻值RT()。RT指在规定温度T时，采用引起电阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计的测量功率测得的电阻值，其中T一般情况下为298.15K(25)。NTC热敏电阻的电阻值与温度变化的关系式为：RT = R0expB(1/T1/T0)（3.1）RT：在温度T(K)时的NTC热敏电阻阻值 R0：在额定温度T0(K)时的NTC热敏电阻阻值T：规定温度(K)B：NTC热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数exp：以自然数e为底的指数(e = 2.71828)注释：该关系式是经验公式，只在额定温度T0或额定电阻阻值R0的有限围才具有一定的精确度，因为材料常数B本身也是温度T的函数。由式3.1可得出RT-T的关系示意图，如图3.1所示。a) B值相同，电阻值不同b) 电阻值相同，B值不同图3.1 NTC热敏电阻RT-T特性曲线示意图由图3.1可知NTC热敏电阻阻值与温度的关系成很明显的非线性关系，在非线性情况下，将严重影响测量准确度，因此必须作线性处理。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，以与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+b。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复杂。本设计采用对数计算的方法，通过软件完成线性化：由式3.1变换可得：（3.2）由式3.2可得出lnRT与1/T的关系，如图3.3所示。图3.3 lnRT1/T的关系图由图3.3可知1/T与lnRT之间存在线性关系，所以问题转为求取对数lnRT，然后通过t=B/(ln(RT/R0)+B/298.15)-273.15公式来计算温度值。3.3 恒压源电路为提高系统的测温精度，目前常使用的方法有电桥线性法、恒压源测量法、恒流源测量法。电桥平衡法理论上线性化效果明显，电路抗干扰能力强，电路简单，但是测量精