熱敏電阻電子體溫計的研制

1、目錄1 緒論 11.1 體溫計的發(fā)展與現(xiàn)狀 11.2 新型智能電子體溫計的結(jié)構(gòu)及其特點 21.3 總體方案設(shè)計 22 測溫電路的設(shè)計 42.1 溫度傳感器的介紹 42.2 熱敏電阻溫度測量計算 1.12.3 放大電路部分 122.4 恒流源電路 133 ATmega16 單片機(jī)173.1 ATmega16單片機(jī)硬件介紹 173.2 電源管理與睡眠模式 213.3 系統(tǒng)控制和復(fù)位 223.4 AD轉(zhuǎn)換器244 液晶屏 JXD1602264.1 液晶顯示簡介 264.2 1602字符型 LCD 簡介264.3液晶特性參數(shù) 294.4 控制器接口時序說明 315 編程介紹 335.1 軟件設(shè)計和仿真

2、軟件 335.2 源程序356 結(jié)論 45參考文獻(xiàn) 47致 謝 481 緒論單片機(jī)智能化儀表是測量儀表的發(fā)展趨勢。它給日常生活帶來多方面的進(jìn)步，其中數(shù)字溫度計就是一個典型的 例子，醫(yī)院、家庭等隨處可見，為了能更加滿足人們的需要，數(shù)字體溫計正在更新?lián)Q代。溫度測量在物理實驗、醫(yī)療衛(wèi)生、食品生產(chǎn)等領(lǐng)域有著特別重要的意義?，F(xiàn)在所使用的溫度計還有很多是分辨 力為10.1 c的水銀、煤油或酒精溫度計。這些溫度計的刻度間隔通常都很密，不容易準(zhǔn)確分辨，讀數(shù)困難，而且他 們的熱容量比較大，達(dá)到熱平衡所需的時間較長，因此很難讀準(zhǔn)，使用非常不方便。本設(shè)計所介紹的數(shù)字體溫計， 與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數(shù)方便，測溫范

3、圍廣，測溫準(zhǔn)確等優(yōu)點，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對測溫 比較準(zhǔn)確的場所，或科研實驗室使用。溫度計的發(fā)展很快，從原始的玻璃管溫度計發(fā)展到了現(xiàn)在的熱電阻溫度計、熱電偶溫度計、半導(dǎo)體集成數(shù)字溫 度計等。在電子式溫度計中，傳感器是它的重要組成部分，溫度計的精度、靈敏度基本決定了溫度計的精度、測量 范圍、控制范圍和用途等。溫度傳感器應(yīng)用極其廣泛，目前已經(jīng)研制出多種新型溫度傳感器，從而構(gòu)成性能優(yōu)良的 溫度監(jiān)控系統(tǒng)。1.1 體溫計的發(fā)展與現(xiàn)狀體溫測量的歷史，可以追溯到16世紀(jì)。當(dāng)時Saatoric用空氣熱膨脹的原理，制出了第一支測量口腔溫度的體溫計。本世紀(jì)初，開始用水銀來制作體溫計，至今在臨床上得到了

4、廣泛的應(yīng)用。根據(jù)1928年 Ebstein的報告，當(dāng)時除測量口腔及腋下的溫度外，還可以測量直腸、頸部、大腿根部，外耳及尿溫。這些都是用被測皮膚溫度與玻璃球內(nèi)積存的水 銀溫度相等的原理實現(xiàn)的。由于水銀體溫計使用方便、精度高，因而應(yīng)用很廣。再加上測溫方法及其結(jié)構(gòu)都已成熟，沒多大改進(jìn)余地，人 們對它的研究失去了信心，至今幾乎沒有什么進(jìn)展。由于用水銀體溫計進(jìn)行體溫監(jiān)測很不方便，水銀的污染的可能 也很嚴(yán)重等，為了正確測量人體局部溫度，促使人們開發(fā)了各種不同的測溫儀器和測溫方法。雖然水銀體溫計仍不 愧是一個精度高、便宜、使用方便的測溫儀器?，F(xiàn)在已有許多醫(yī)院采用了電子體溫計，用其它電子儀器測量體溫也 日益普

5、及。這一事實至少表明，電子測溫儀器的性能已接近水銀溫度計的性能。因此，鑒于傳統(tǒng)的水銀體溫計汞的 污染及其攜帶不方便易破碎，尤其是測量時間過長等缺點，本課題為解決此問題設(shè)計岀一種數(shù)字式電子體溫計。它 在穩(wěn)定性及響應(yīng)時間上比傳統(tǒng)的水銀體溫計有著顯著的優(yōu)勢，精度要求也能和傳統(tǒng)的水銀體溫計相媲美。1.2新型智能電子體溫計的結(jié)構(gòu)及其特點 結(jié)構(gòu)溫度傳感器，這個是關(guān)鍵部件；放大電路；單片機(jī)及數(shù)模轉(zhuǎn)換器A/D ;數(shù)字顯示部分(LCD顯示屏組件);電源部分。NTC具有價格低廉、阻值隨溫度變化顯著的特點，而廣泛用于溫度測量。通常采用一只精密電阻與NTC串聯(lián)，NTC阻值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓苯舆M(jìn)入比較電路或單片機(jī)的

6、 A/D的輸入接口，不必經(jīng)過放大處理，電路構(gòu)成極為 簡單。運(yùn)用NTC時除了選擇合適的 R值和B值之外，還應(yīng)當(dāng)考慮到測量速度和精度 1。選擇合適的B: B值直接反映NTC測量溫度的響應(yīng)速度，但不是越小越好，確定B值需要比較與權(quán)衡。因為 B值與它的封裝尺寸有關(guān)，NTC的封裝尺寸小，則B值小，機(jī)械強(qiáng)度低；封裝尺寸大，則B值大，機(jī)械強(qiáng)度高。確定電流范圍：可根據(jù)廠家提供的非自熱最大功率或利用耗散系數(shù)來確定工作電流的范圍。1.2.2 特點新型電子體溫計利用電子感溫，靈敏度高，也適合無法長時間安靜的兒童，且能在較短的時間內(nèi)準(zhǔn)確測試出體 溫，探熱時間可快至1min。它的測量精度可達(dá)土0.1 'C,液晶

7、屏直接顯示體溫數(shù)值。1.3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 3542C,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)化為溫度值叫(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和圖1

8、-2所示。圖1-1電子體溫計的設(shè)計方案系統(tǒng)框圖圖1-2作者搭建的電子體溫計的電路2測溫電路的設(shè)計2.1溫度傳感器的介紹為了盡量多學(xué)習(xí)到更多的知識，本課題同時采用了兩種溫度傳感器：LM35以及NTC熱敏電阻，設(shè)計了兩個不同的電路。用同一塊單片機(jī)分別測量它們的輸出，用兩套程序來進(jìn)行計算，用同一個液晶屏分時顯示這兩個不同的 傳感器測量到的溫度。因為1602LCD顯示屏可以顯示兩行，一行顯示的是體溫，一行顯示的是室溫。還可以設(shè)計出不同的組合。在實 際應(yīng)用中，當(dāng)然不會同時采用兩種傳感器。LM35是National Semiconductor公司生產(chǎn)的集成溫度傳感器，其輸出電壓與攝氏溫標(biāo)呈線性關(guān)系，轉(zhuǎn)換公

9、式如式2-1所示，0時輸出為0V,每升高1C，輸出電壓增加10mVoLM35有多種不同封裝型式，外觀如圖所示。在常溫下,LM35不需要額外的校準(zhǔn)處理即可達(dá)到 土 1/4 C的準(zhǔn)確率。其電源供應(yīng)模式有單電源與正負(fù)雙電源兩種，其接腳如圖所示，正負(fù)雙電源的供電模式可提供負(fù)溫度的量測；兩種接法的靜止電流-溫度關(guān)系如圖 所示，在靜止溫度中自熱效應(yīng)低(0.08C)，單電源模式在 25C下靜止電流約 50卩A，工作電壓較寬，可在420V的供電電壓范圍內(nèi)正常工作非常 省電3oUout_LM35(T)= 10mV/ C X T(2-1)LM35系列是精密集成電路溫度傳感器，它的輸出電壓與攝氏溫度成線性比例。LM

10、35無需外部標(biāo)準(zhǔn)或微調(diào)來提供(20± 0.25)C的常用的室溫精度，在-55+150C溫度范圍內(nèi)的誤差為土 0.75C，我們把利用LM35做成的溫度傳 感器放在帶有冰水的燒杯里加熱，一直到水燒開，實驗采用攝氏溫度直接校準(zhǔn)方式，由于受當(dāng)?shù)卮髿鈮旱挠绊懀?得的數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。表2-1溫度傳感器實驗數(shù)據(jù)t(C)V(mV)t( C )V(mV)t(C )V(mV)87020208323339932121833343101002222734352111102324135360121212425736372131292526537382141342627638391151442729039

11、401161522830040411171652930641423181803031542432191943132443442從實驗結(jié)果可以看出，LM35溫度傳感器具有較好的線性的溫度特性，特別是在30C以上范圍內(nèi)，其電壓-溫度基本上呈線性特性，因為人體的體溫范圍在3543C內(nèi)，這就為制作數(shù)字溫度計提供了理論和實驗基礎(chǔ)。圖2-1 LM35的溫度特性曲線圖2-2 TO-92封裝引腳圖 圖2-3 SO-8 IC式封裝引腳圖Phnlic 首roiMeial Car Package*BDtrro viewyH；圖2-4 TO-46金屬罐形封裝引腳圖圖2-5TO-220塑料封裝引腳圖圖 2-6單電源模式

12、圖2-7正負(fù)雙電源模式表2-2封裝形式與型號關(guān)系封裝型號TO-46金屬罐形封裝引腳圖LM35H，LM35AH，LM35CH，LM35CAH，LM35DHTO-220塑料封裝引腳圖LM35DTTO-92封裝引腳圖LM35CZ，LM35CAZ LM35DZSO-8 IC式封裝引腳圖LM35DM熱敏電阻的類型及特性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問。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)岀階躍性的增加，溫度

13、越高，電阻值越大。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)岀階躍性的減小，溫度越高，電阻值越小。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)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。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。NTC熱敏電阻是以錳、鉆、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

14、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，所以電阻值降低冋。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。PTC是Positive Temperature Coefficient的縮寫，意思是正的溫度系數(shù)，泛指正溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件。通常我們提到的 PTC是指正溫度系數(shù)熱敏電阻，簡稱PTC熱敏電阻。PTC熱敏電阻是一種典型具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，超過一定的溫度（居里溫度）時，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。PTC熱敏電阻根據(jù)其材質(zhì)的不同分為：陶瓷PTC熱敏電阻、有機(jī)高分

15、子 PTC熱敏電阻。PTC熱敏電阻根據(jù)其用途的不同分為：自動消磁用PTC熱敏電阻、延時啟動用PTC熱敏電阻、恒溫加熱用PTC熱敏電阻、過載保護(hù)用 PTC熱敏電阻、過熱保護(hù)用 PTC熱敏電阻。NTC熱敏電阻的測溫范圍：低溫型號為-100 0 °C，中溫型號為-50+300 C，高溫型號為+200+800 C，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。PTC熱敏電阻的測溫范圍為-50+150C主要材料有BaTiO3等，用于溫度開關(guān)、恒溫控制和防止沖擊電流等。 熱敏電阻有如下優(yōu)點：對于溫度的變化，其阻值變化較大，即輸岀靈敏度高；便于大批量生產(chǎn)，因而

16、價格便宜； 體積小而且堅固；由于靈敏度高，因而信號處理非常方便。缺點是非線性、測溫范圍窄、互換性差等。圖2-8熱敏電阻器的電阻一溫度特性曲線熱敏電阻的電阻值與溫度的關(guān)系為RT=Roe-B(1/To"1/T)(2-2)其中Rt NTC在熱力學(xué)溫度為T時的電阻值Ro NTC在熱力學(xué)溫度為 To時的電阻值，多數(shù)廠商將 To設(shè)定在298.15K ( 25C)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RO與常數(shù)B的關(guān)系如表所示問。Amax1OO%(2-3)表2-3熱敏電阻RO與常數(shù)B的關(guān)系使用溫度范圍C)標(biāo)準(zhǔn)電阻值 RO標(biāo)稱常數(shù)B-5O1O

17、O6 ( TO=O C)3390O15O3O(O C)34505O2OO3(100 C)38941OO25O0.55(200 C)430015O3OO4(200 C)51332OO35O8(200 C)5559計算端基線性度誤差：ymaxy min式中Lmax最大非線性偏差;ymax - ymin輸出范圍。圖2-9傳感器線性度示意圖圖2-10輸岀信號與被測量之間的非線性關(guān)系a端基線性度這圖要改為你自己的真實的曲線i-類似于指數(shù)型非線性特性1端其擬合直線y = a+K x 2 實際特性曲線2-類似于對數(shù)型非線性特性3-線性化后的特性線性化處理多數(shù)傳感器的輸岀信號與被測量之間的關(guān)系并非線性誤差丫，

18、如圖2-10中的曲線1和曲線2。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/輸岀的特性為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-輸岀對應(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

19、就更加復(fù)雜。本設(shè)計采用對數(shù)計算的方法。利用T=3950/(log(R t/R。)+3950/298.15)-273.15公式來計算溫度與熱敏電阻的關(guān)系。2.1.3 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，具有以下方面同：(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，

20、在熱敏電阻測量糧倉溫度中，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32C(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32C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45C。待熱量平衡后，調(diào)節(jié) RP2,使指針指在45C上。再加入冷水，逐漸降溫，檢查32 C 45 'C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

21、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“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，弓|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

22、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十分之幾毫安突變?yōu)閹资涟玻?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1

23、0。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，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)。22熱敏電阻溫度測量計算LM285/LM385系列微功率帶隙穩(wěn)壓器二極管。設(shè)計工作低于 10小到20小的寬電流范圍。這些器件特征有非常 低的動態(tài)阻抗、低噪聲以及隨時間和溫度穩(wěn)定工作。通過片內(nèi)微調(diào)可以實現(xiàn)嚴(yán)格的電壓誤差11。根據(jù)公式 Rt= Ro *EXP(B*(1/To-1/Ti)對上面的公式解釋如下：Rt NTC在熱力學(xué)溫度為T時的電阻值Ro NTC在熱力學(xué)溫度為 To時的電阻值，多數(shù)廠商將To設(shè)定在298K (25C)B熱敏電阻的常數(shù)，它代表熱敏電阻的靈敏

24、度(對溫度的敏感程度)，與熱敏電阻的制造材料有關(guān)。exp是e的n次方。例如作者手頭有一個 MF58502F395型號的熱敏電阻，參數(shù)如下述。MF58型號玻璃封裝502 常溫25度的標(biāo)稱阻值為5KF允許偏差為土1%395 B值為3950K的NTC熱敏電阻則Rt=5000*EXP(3950*(1/T o-1/(273+25)，這時候代入To溫度就可以求出相應(yīng)溫度下熱敏電阻的阻值，注意溫度單位的轉(zhuǎn)換，例如我們要求零上10攝氏度的阻值，那么 To就為(273+10) 12。表2-4熱敏電阻與溫度的計算關(guān)系電壓(V)阻值(kQ)溫度C )2.511.7434423.437511022.610.88461

25、53824.173829512.7229.9485672325.050406832.89.39285714325.613437782.98.72413793126.3400153538.127.073839243.17.51612903227.81707633.26.9687528.572035323.36.45454545529.341212393.45.97058823530.127344643.55.51428571430.933475053.65.08333333331.763032683.74.67567567632.61993373.84.28947368433.508711383

26、.93.92307692334.4346862243.57535.404193284.13.24390243936.424891964.22.92857142937.5061984.32.62790697738.659900924.42.34090909139.901072294.52.06666666741.249446454.61.80434782642.731603094.71.55319148944.384583194.81.312546.262236744.9211.03434261348.9563810850.8651.075913125.10.64705882454.397797

27、695.20.44230769258.947722165.30.24528301966.254451235.40.05555555686.16654643V£一1'-1sJLID：1LJIL.轍 r +21GW21 可V A. 42.3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?？晒ぷ髟趩坞娫聪拢妷悍秶?.0V32V或最大土 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

28、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；真差動輸入級；可單電源工作：3V32V ；低偏置電流：最大 100nA ；（5）每封裝含四個運(yùn)算放大器；（6）具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ?；?）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。2.4恒流源電路圖2-14電子工具箱搭建的恒流源電路圖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=5

29、V）經(jīng)過10kQ，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：Ucv Ub < Ue。對于三極管，它由基極、集電極

30、和發(fā)射極組成。其中三者關(guān)系可以用一下公式來表示：I E= I c+ I B（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（ 2-6）所以，Ie= Ic=0.1 mA，而熱敏電阻兩端的電壓 Urt=10K x0.1mA=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。piD|3zqtnu)F>1|Tl| FisiurrAW；呦)PiqgTl puirosc p«b|iMX：aFrqsjk)WF?tcL2C21氐-2d16、rTpt1jdIBIPHAUITALJ

31、FDO：m>iFD炯U glHlD、M丄心皿切P圈樸口: W桑仙 l'AI(AiiC4；iF阿AD眄AJO1GHPA'MCI：PCHTnSCSi 中口匸“ ?C5<1EJKfflcm vrapinirp Pg莊 rcys&ju FDOpCLJ ?Mroca>-Im二£ 口呂悟呂 C O 7 C O 7 C ? C P£hEn匸九M-I亶FIMi!CCL»PD耳口"町詞J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。3 AT

32、mega16單片機(jī)3.1 ATmega16單片機(jī)硬件介紹ATmega16是基于增強(qiáng)的 AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗 8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時 鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1 MIPS/MHz ，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾15。ATmega16 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元（ALU）相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率， 并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega16有如下特點:16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)

33、可編程Flash（具有同時讀寫的能力，即RWW），512字節(jié) EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個通用I/O 口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器（T/C），片內(nèi)/外中斷，可編程串USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益仃QFP封裝）的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI串行端口，以及六個可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。工作于空閑模式時CPU停止工作，而 USART、兩線接口、A/D 轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶

34、體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個時間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時終止CPU和除了異步定時器與ADC以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲；Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電 流，同時具有快速啟動能力；擴(kuò)展Standby模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。本芯片是以 Atmel 高密度非易失性存儲器技術(shù)生產(chǎn)的。 片內(nèi) ISP Flash 允許程序存儲器通過 ISP 串行接 口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過運(yùn)

35、行于 AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用 任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用 Flash 存儲區(qū) （ApplicationFlash Memory） 。在更新應(yīng)用 Flash 存儲區(qū)時引導(dǎo) Flash區(qū)（Boot Flash Memory）的程序繼續(xù)運(yùn)行，實現(xiàn)了 RWW操作。通過將 8位RISC CPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程 的 Flash 集成在一個芯片內(nèi)， ATmega16 成為一個功能強(qiáng)大的單片機(jī)， 為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而 低成本的解決方案。 ATmega16 具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C 語言編譯器、宏匯編、 程序調(diào)試器 / 軟件仿真器、仿真器及評估板16。3

36、.1.1 ATmega16 產(chǎn)品特性高性能、低功耗的 8 位 AVR 微處理器；先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu)；131 條指令； 大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期；32 個 8 位通用工作寄存器； 全靜態(tài)工作；工作于 16MHz 時性能高達(dá) 16MIPS；只需兩個時鐘周期的硬件乘法器； 非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器；16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，擦寫壽命：10，000次；具有獨(dú)立鎖定位的可選 Boot 代碼區(qū)，通過片上 Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，真正的同時讀寫操作； 512 字節(jié)的 EEPROM ，擦寫壽命 ： 100， 000次；1K 字節(jié)的片內(nèi) SRAM； 可以對鎖定位進(jìn)行編程以實現(xiàn)用戶程序

37、的加密；JTAG 接口 （與 IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)兼容 ）； 符合 JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能； 支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能；通過 JTAG 接口實現(xiàn)對 Flash、 EEPROM 、熔絲位和鎖定位的編程 17。（1）外設(shè)特點： 兩個具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時器 / 計數(shù)器；一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器 /計數(shù)器；具有獨(dú)立振蕩器的實時計數(shù)器 RTC；四通道 PWM ；8路10位ADC，8個單端通道，2個具有可編程增益（1x， 10x， 或200x）的差分通道；面向字節(jié)的兩線接口；兩個可編程的串行 USART；可工作于主機(jī) / 從機(jī)模式的 SPI 串行接

38、口； 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器； 片內(nèi)模擬比較器；（ 2）特殊的處理器特點： 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測 ; 片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的 RC 振蕩器 ; 片內(nèi) / 片外中斷源 ;（ 3） 6 種睡眠模式 ：空閑模式、 ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴(kuò)展的 Standby 模式(4) I/O和封裝32個可編程的I/O 口40弓I腳PDIP封裝， 44弓I腳TQFP封裝， 與44引腳 MLF封裝(5) 工作電壓：ATmega16L : 2.7 - 5.5VATmega16 : 4.5 - 5.5V(6) 速度等級：8MHz ATmega16L ；0-16M

39、Hz ATmega16 ；ATmega16L 在 1MHz， 3V，25 °C 時的功耗；正常模式：1.1Ma ；空閑模式：0.35mA ;掉電模式： 1卩A。3.1.2 ATmega16 引腳功能XCKTO；. PG2 匚140 RAD ADCOJ(T1) PB1 匚239 RAI (ADC1)1 irrrzrAmo)P62 匚338 RA2 (ADC2JCCC' AINI c43? R*3 (A0C3)(SB) PB4 匚536n PA4伙DC町WOSI) FB5 匚635 PA5 :(MISO) PM 匚734n PA6iSCKJ F07 匚833 RA7 (AX7RE

40、SET 匚032帕EFVCC匸1031 QUO&ND匚1130 AVCCXTAL2 匚IE2 PC7 110502)XTALll 匚1328n pee itoscd(RXD'i PM 匚U27=PCS 冋iTXDl PD11 匚1526n PC 4 P3IMTfl：i PD 匚isis PC3 iTMiiINTIj PD3 匚1734 PC2 TCK)rot 匚IB23 PCI 住DA*；OClAi FDB 1922 PCQ SQL(1CP1 PD« 匚2Q21 P07 2切圖3-1 ATmega16引腳圖VCC :電源正GND :電源地端口 A(PA7.PA0):端

41、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。其輸岀緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸岀和吸收大電流。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岀電流。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 輸岀電流。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):

42、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時將 輸岀電流。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

43、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。3.1.3 ATmega16 內(nèi)核介紹為了獲得最高的性能以及

44、并行性，AVR 采用了 Harvard 結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和程序總線。程序存儲器里的指令通過一級流水線運(yùn)行。 CPU 在執(zhí)行一條指令的同時讀取下一條指令 （ 在本文稱為預(yù)取 ）。這個概 念實現(xiàn)了指令的單時鐘周期運(yùn)行。程序存儲器是可以在線編程的FLASH 。快速訪問寄存器文件包括 32 個 8 位通用工作寄存器，訪問時間為一個時鐘周期。從而實現(xiàn)了單時鐘周 期的 ALU 操作。在典型的 ALU 操作中，兩個位于寄存器文件中的操作數(shù)同時被訪問，然后執(zhí)行運(yùn)算，結(jié) 果再被送回到寄存器文件。整個過程僅需一個時鐘周期。寄存器文件里有 6個寄存器可以用作 3個 1 6位的間接尋址寄存器指針以尋址數(shù)據(jù)空間，實

45、現(xiàn)高效的地 址運(yùn)算。其中一個指針還可以作為程序存儲器查詢表的地址指針。這些附加的功能寄存器即為 16 位的 X、 Y、 Z 寄存器。ALU 支持寄存器之間以及寄存器和常數(shù)之間的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。ALU 也可以執(zhí)行單寄存器操作。運(yùn)算完成之后狀態(tài)寄存器的內(nèi)容得到更新以反映操作結(jié)果。程序流程通過有 / 無條件的跳轉(zhuǎn)指令和調(diào)用指令來控制，從而直接尋址整個地址空間。大多數(shù)指令長 度為 1 6位，亦即每個程序存儲器地址都包含一條16位或 32位的指令。程序存儲器空間分為兩個區(qū)：引導(dǎo)程序區(qū) （Boot 區(qū) ）和應(yīng)用程序區(qū)。這兩個區(qū)都有專門的鎖定位以實現(xiàn) 讀和讀 / 寫保護(hù)。用于寫應(yīng)用程序區(qū)的 SPM 指令必須

46、位于引導(dǎo)程序區(qū)。在中斷和調(diào)用子程序時返回地址的程序計數(shù)器（PC）保存于堆棧之中。堆棧位于通用數(shù)據(jù)SRAM，因此其深度僅受限于 SRAM的大小。在復(fù)位例程里用戶首先要初始化堆棧指SP。這個指針位于 I/O空間，可以進(jìn)行讀寫訪問。數(shù)據(jù) SRAM 可以通過 5 種不同的尋址模式進(jìn)行訪問。AVR 存儲器空間為線性的平面結(jié)構(gòu)。AVR 有一個靈活的中斷模塊?？刂萍拇嫫魑挥贗/O 空間。狀態(tài)寄存器里有全局中斷使能位。每個中斷在中斷向量表里都有獨(dú)立的中斷向量。各個中斷的優(yōu)先級與其在中斷向量表的位置有關(guān)，中斷向量地址越 低，優(yōu)先級越高。I/O 存儲器空間包含 64個可以直接尋址的地址，作為CPU外設(shè)的控制寄存器

47、、SPI，以及其他I/O功能。映射到數(shù)據(jù)空間即為寄存器文件之后的地址0x20 - 0x5F 。3.2 電源管理與睡眠模式睡眠模式可以使應(yīng)用程序關(guān)閉 MCU 中沒有使用的模塊，從而降低功耗。AVR 具有不同的睡眠模式，允許用戶根據(jù)自己的應(yīng)用要求實施剪裁。進(jìn)入睡眠模式的條件是置位寄存器MCUCR的SE,然后執(zhí)行SLEEP指令。具體哪一種模式(空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、掉電模式、省電模式、Standby模式和擴(kuò)展 Standby模式)由MCUCR 的SM2、SM1和SM0決定，如表 3-1所示。使能的中斷可以將進(jìn)入睡眠模式的MCU喚醒。經(jīng)過啟動時間，外加4個時鐘周期后，MCU就可以運(yùn)行中斷例程

48、了。然后返回到SLEEP的下一條指令。喚醒時不會改變寄存器文件和SRAM的內(nèi)容。如果在睡眠過程中發(fā)生了復(fù)位，則MCU喚醒后從中斷向量開始執(zhí)行。MCU控制寄存器包含了電源管理的控制位。表3-1電源管理控制位Bit61oSM2SE| SM1SM0ISC11SC10|ISC01|ISC00讀/寫R/WR/WR/WR/WR/WR/WR/WR/W初始值00000000Bits 7，5，4 -SM2-0 :休眠模式選擇位2、 1 和 0。Bit 6 - SE :休眠使能表3-2休眠模式選擇SM2SM1SM0休眠模式000空閑模式001ADC噪聲抑制模式010掉電模式011省電模式100保留101保留110

49、Standby(1)模式111擴(kuò)展Standby(1)模式3.3系統(tǒng)控制和復(fù)位3.3.1 復(fù)位 AVR復(fù)位時所有的I/O 寄存器都被設(shè)置為初始值，程序從復(fù)位向量處開始執(zhí)行。復(fù)位向量處的指令必須是絕對跳轉(zhuǎn)JMP指令，以使程序跳轉(zhuǎn)到復(fù)位處理例程。如果程序永遠(yuǎn)不利用中斷功能，中斷向量可以由一般的程序代碼所覆蓋。這個處理方法同樣適用于當(dāng)復(fù)位向量位于應(yīng)用程序區(qū)，中斷向量位于Boot區(qū)一或者反過來 一的時候。Figure 15為復(fù)位邏輯的電路圖。Table15則定義了復(fù)位電路的電氣參數(shù)。復(fù)位源有效時I/O 端口立即復(fù)位為初始值。此時不要求任何時鐘處于正常運(yùn)行狀態(tài)。所有的復(fù)位信號消失之后，芯片內(nèi)部的一個延遲

50、計數(shù)器被激活，將內(nèi)部復(fù)位的時間延長。這種處理方式使得在MCU正常工作之前有一定的時間讓電源達(dá)到穩(wěn)定的電平。延遲計數(shù)器的溢出時間通過熔絲位SUT與CKSEL設(shè)定。ATmega16芯片有如下幾種通過Flash熔絲位進(jìn)行選擇的時鐘源。時鐘輸入到AVR時鐘發(fā)生器，再分配到相應(yīng)的模塊。延遲時間的選擇請見表3-3。表3-3時鐘源選擇器件時鐘選項CKSEL3.0外部晶體/陶瓷振蕩器1111 - 1010外部低頻晶振1000 - 0101外部RC振蕩器1000 - 0101標(biāo)定的內(nèi)部RC振蕩器0100 - 0001外部時鐘0000當(dāng)C始執(zhí)行指令之前進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)CPU從復(fù)位開始工作時，還有額外的延遲時間以保

51、證在MCU開始正常工作之前電源達(dá)到穩(wěn)定電平。這個啟動時間的定時由看門狗振蕩器完成?？撮T狗溢出時間所對應(yīng)的WDT振蕩器周期數(shù)列于表3-4?？撮T狗振蕩器的頻率由工作電壓決定問。表3-4看門狗振蕩器周期數(shù)典型的溢出時間(VCC =5.0V)典型的溢岀時間(VCC = 3.0V)時鐘周期數(shù)4.1 ms4.3 ms4K （4，096）65 ms69 ms64K （65，536）332晶體振蕩器XTAL1與XTAL2分別為用作片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出，如圖3-2所示，這個振蕩器可以使用石英晶體，也可以使用陶瓷諧振器。熔絲位CKOPT用來選擇這兩種放大器模式的其中之一。當(dāng)CKOPT被編程時振蕩器在輸岀引腳產(chǎn)生滿幅度的振蕩。這種模式適合于噪聲環(huán)境，以及需要通過