電子體溫計的設計論文

1、目錄一、摘要1二、任務要求3三、設計思路3四、系統(tǒng)設計3五、方案設計與論證4六、系統(tǒng)框圖5七、硬件電路設計57.1 傳感器電路57.2 單片機電路67.3 LCD1602顯示屏電路77.4 電源模塊8八、測溫電路的設計98.1 溫度傳感器的介紹9熱敏電阻的類型及特性9線性化處理108.1.3 NTC熱敏電阻用于溫度測量和控制簡介118.2 熱敏電阻溫度測量計算128.3 放大電路部分128.4 恒流源電路13九、PCB電路板的制作13十、系統(tǒng)調(diào)試與測量1410.1 系統(tǒng)調(diào)試1410.2 誤差分析15十一、設計總結15十二、參考文獻16電子體溫計的設計一、 摘要體溫計是人們生活中的必不可少的用品

2、。在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，單片機技術已經(jīng)普及到我們生活、工作、科研各個領域，已經(jīng)成為一種有力的工具，本文介紹一種基于單片機控制的電子溫度計。本設計采用電子體溫計系統(tǒng)的硬件設計，采用一種新型的可編程溫度傳感（DS18B20），不需復雜的信號調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換電路能直接與單片機完成數(shù)據(jù)采集和處理，實現(xiàn)方便、精度高，性能穩(wěn)定。傳感器DS18B20接觸人體，感應溫度后，模數(shù)轉(zhuǎn)化后的電信號送入STC89C52單片機，并將其送入LCD1602數(shù)碼管顯示。它能快速準確地測量人體體溫，與傳統(tǒng)的水銀玻璃體溫計相比，具有讀數(shù)方便，測量時間短，測量精度高，能記憶并有蜂鳴提示的優(yōu)點。并且超過預定的溫度，回有報警提示。尤

3、其是電子體溫計不含水銀，對人體及周圍環(huán)境無害，特別適合于家庭，醫(yī)院等場合使用?！娟P鍵詞】 電子體溫計 DS18B20傳感器 STC89C52單片機 LCD1602顯示屏The DesignOfTheElectronic ThermometerElectronic And Information Engineering【Abstract】The thermometerisessentialnecessitiesinpeople's lives. Inmodern industrialproduction, single-chiptechnologyhas spreadtotheway w

4、e live,work, researchin various fields, has become a powerful tool, this paper describesamicrocontroller-based controlofelectronic thermometers. This design uses thehardware designoftheelectronicthermometersystem, a new type ofprogrammabletemperaturesensor (DS18B20), data acquisition and processingd

5、oes not require complicatedsignal conditioning circuitry andthe A /D conversioncircuitwith a microcontroller, easy to achieveaccuracyhighand stable performance.Sensor DS18B20contact with the human body, thesensortemperature, theelectrical signalsinto theanalog-to-digitalconversionSTC89C52microcontro

6、llerandinto theLCD1602digitaldisplay. It canquickly and accuratelymeasurethebody temperature, comparedwithtraditionalmercuryglassthermometer, with theeasy reading, shortmeasurement time, high measurement accuracy, memory andBeeperadvantages. Andexceeds a predeterminedtemperature,back to thealarm. El

7、ectronic thermometermercury-free, on the human bodyandambientsound, especially suitable forfamilies, hospitals and other occasions.【Key words】Digital Thermometer DS18B20 SensorSTC89C52 MicrocontrollerLCD1602Display二、任務要求該系統(tǒng)的用于體溫檢測，能準確快速地測量人體體溫，并且需要實時的顯示當前的溫度。與傳統(tǒng)的水銀玻璃體溫計相比，電子體溫計具有方便的讀數(shù)，高精度的測量，測量時間比較短

8、，能記憶并有與其它體溫計不同的蜂鳴提示的優(yōu)點。測溫范圍35°C 42°C，誤差在±0.2°C以內(nèi)，當溫度超過38°C時，可以報警，采用LED數(shù)碼管直讀顯示。并且能夠?qū)崟r的寬范圍的溫度檢測，能清楚的顯示與讀出數(shù)據(jù)。三、設計思路本研究旨在設計一個電子體溫計，主要控制器采用單片機STC89C52，傳感器采用美國DALLAS半導體公司生產(chǎn)的DS18B20智能型傳感器。該傳感器檢查的溫度是35°C 42°C之間，檢查的分辨率為±0.2°C。當溫度出現(xiàn)不同尋常的時候，不在設置范圍內(nèi)時，可以報警，且是通過蜂鳴器。研究工

9、作總體包括以下多個方面：了解電子體溫計的工作原理，典型結構，發(fā)展歷史及國內(nèi)外的研究和發(fā)展的現(xiàn)狀；研究電子體溫計的兩個最主要的核心模塊：DS18B20傳感器控制和STC89C52單片機主控制器。四、系統(tǒng)設計為滿足系統(tǒng)的三個需求：（1）實時的溫度檢測。（2）數(shù)據(jù)能清楚的顯示與讀出。（3）溫度變化的曲線能夠?qū)崟r的描繪出來。整個電子體溫計系統(tǒng)應該設計必須含有以下幾個模塊：a.溫度采集模塊。b.顯示模塊。c.串口通信接口。d.核心系統(tǒng)模塊。五、方案設計與論證方案一：本電路設計的電子溫度計，如圖1.1，熱敏電阻器件在測溫電路中的感溫效應。隨被測溫變化，采集的電壓或電流，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，再用單片機進行加工處

10、理采樣的數(shù)據(jù)，就可以通過顯示電路顯示出來。但是熱敏電阻測量體溫有許多問題，存在測量時間較長等問題。圖1.1 基于熱敏電阻的電子體溫計系統(tǒng)框圖方案二：紅外體溫計是非接觸式的，算是高端的技術，最近幾年才發(fā)展起來的。主要是靠紅外傳感器感應接收人體輻射的紅外線，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，用單片機處理采樣的數(shù)據(jù)，顯示電路就可以顯示出來數(shù)據(jù)。但是這個方案制作成本費用高，耗時比較長，主要是體現(xiàn)在硬件電路與軟件程序復雜。根據(jù)以上需求分析，本次設計采用方案三來設計電子體溫計。六、系統(tǒng)框圖串口通信接口5V穩(wěn)壓電路時鐘振蕩主控制器LED顯示溫度傳 感器圖1.2 電子體溫計系統(tǒng)框圖七、硬件電路設計7.1 傳感器電路7.11數(shù)字

11、溫度傳感器DS18B20介紹DS18B20的性能和特點如以下幾點，都是很好的優(yōu)點：其一是多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一一個單獨的三線上，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多點組網(wǎng)功能；其二是獨特單獨的單線接口僅僅需要一個端口引腳就可以進行通信；其三是用戶可以自己定義的非易失性溫度報警的設置；不需要外部的外圍器件；其余的是可以通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為是在3.05.5V；當待機的時候，功耗為零；溫度以912位的數(shù)字兩讀出；負電壓特性，當電源極性接反的時候，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，只是不能正常工作。報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警DS18B20的主要特性： （1）適應更加寬廣的電壓范圍，電壓范圍：3.

12、05.5V，并且采用數(shù)據(jù)線供電，與此同時也可以采用寄生電源方式； （2）DS18B20還具有的很多強大的功能，其中一項就是支持多點的組網(wǎng)功能，在唯一單獨的三線上，就可以讓多個DS18B20功能并聯(lián)，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測量體溫； （3）具有很獨特的單線接口方式，需要一條口線即可讓DS18B20在與微處理器連接，并且能夠?qū)崿F(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；（4）不需要用其他的任何外圍的元器件DS18B20就可以使用，一只三極管的集成電路包含了全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路； （5）溫范圍55+125，在-10+85的時侯精度是±0.5左右； （6）有912位的分辨率是可以用來編寫程序的，對應的可分

13、辨溫度依次分別為0.0625、0.125、0.25和0.5，測量溫度可實現(xiàn)精度高；（7）溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，且條件是在9位分辨率時，最多花費 93.75ms，而在12位分辨率時，把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快，最多在750ms內(nèi)；（8）測量結果可以輸出直接明確的數(shù)字的溫度信號，通過串行，CPU接受"一線總線"，同時可以傳送CRC校驗碼，擁有極強的抗干擾糾錯能力； （9）負壓特性：當接反電源極性的時候，芯片不會發(fā)熱，因而更加不會被燒毀， 但之后不能正常工作。7.2 單片機電路STC89C52是一種CMOS8位微小型控制器，其性能高、功耗低，并且具有可編程Flash 存儲器，數(shù)據(jù)容量

14、是8K。在單芯片上，STC89C52為眾多嵌入式控制系統(tǒng)應用提供有效、靈活的解決方案主要其原因就是擁有可編程Flash 和靈活的8 位CPU。 具有以下標準功能：512bitRAM，8kbitFlash， 32 位I/O 口線，看門狗的定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復位電路，單個6向量2級中斷結構，三個16 位計數(shù)器/ 定時器，全雙工串口。另外靜態(tài)邏輯操作是STC89X52 降至0Hz，并且支持2種軟件，與此同時，還可選擇節(jié)電模式。當CPU 停止工作，就是屬于空閑模式。此時允許RAM、串口、計數(shù)器/定時器、中斷時候繼續(xù)工作。保存RAM內(nèi)容，可以在掉電保護方式下，并且可以把振蕩器

15、凍結了，單片機停止一切工作，直到下一個硬件復位或中斷為止。最高運作頻率35Mhz，6T/12T可選。7.3 LCD1602顯示屏電路1602液晶也叫1602字符型液晶，字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊將可以顯示在1602上的，可以顯示一個字符，是通過每個點陣字符位來實現(xiàn)的，并且組成部分是若干個5X7或者5X11等點陣字符位。每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。1602LCD是指顯示的內(nèi)容可以顯示每行16個字符液晶模塊，并且可以顯示兩行，1602代表的就是這個意思。LCD1602液晶顯示內(nèi)容豐富、小巧的體積、功耗低、超薄且輕巧，常用在微型儀表和低功耗應用系

16、統(tǒng)中。1602的16腳接口是采用標準規(guī)范的，其中: （1）第1腳：接地電源是VSS；（2）第2腳：正電源是VDD接+5V；（3）第3腳：液晶顯示器調(diào)整對比度的端口是V0，接正電源的時候?qū)Ρ榷仁亲钊醯?，接地電源的時候?qū)Ρ榷仁亲罡叩?，對比度太高時會出現(xiàn)不一樣的“鬼影”，使用時，對比度的調(diào)整，可以通過一個10K的電位器來進行；（4）第4腳：RS為選擇寄存器，指令寄存器用于低電平的時候、數(shù)據(jù)寄存器用于高電平的時候；（5）第5腳：信號線RW是代表讀寫的，寫操作通常都是在低電平的時候進行，讀操作通常都是在高電平的時候進行，顯示地址或者寫入指令就要當RS和RW均是為低電平的時候。低電平的時候可以寫入數(shù)據(jù)，必

17、須要是當RS是高電平RW時候，高電平的時候可以讀忙信號，必須要是當RS是低電平RW時候；（6）第6腳：E端是使能端，其作用就是當E端從高電平跳轉(zhuǎn)成為低電平的時候，液晶模塊會按照流程執(zhí)行命令；（7）第714腳：8位雙向數(shù)據(jù)線是從D0到D7；（8）第1516腳：這些都是空腳；從以上可以知道，LCD1602有16只管腳，每只都有不同的作用。設計好電路，再通過軟件編程。當通電時候，就會啟動顯示屏，顯示屏就會工作，就會顯示外面所需要的。7.4 電源模塊如圖1.3所示，該電路圖是電源模塊，主要負責整個電路系統(tǒng)的電源供應。整個電子體溫計采用的是穩(wěn)壓5V恒流電源。由于這個電子體溫計的電路系統(tǒng)的外部電源，不一定

18、全都是系統(tǒng)所要求的而5V穩(wěn)壓電源，故需要對輸入的電壓進行穩(wěn)壓處理才行，通過處理電壓，才會產(chǎn)生5V的電壓。并且穩(wěn)壓是時候，所采用的穩(wěn)壓的芯片是最常用的78xx系列的7805穩(wěn)壓芯片。為了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，而且由于穩(wěn)壓芯片有波動的波形。所以應該要對穩(wěn)壓之前和之后的電壓進行濾波處理，處理之后的波形，才會增加電形的平滑，這時候，電子體溫計整個電路系統(tǒng)才運行的更加穩(wěn)定，可靠，不會出問題。 圖1.3電源模塊電路原理圖 圖1.4 電子體溫計原理圖如圖1.4所示，整個電路原理圖，分有幾個模塊，其中主要就是有單片機模塊，DS18B20溫度傳感器模塊，顯示模塊和電源模塊。而其中也有些小模塊，如晶振模塊，報警器模塊

19、等等。這四個大模塊，不同功能，有機的結合起來，成為一個完整的整體。八、 測溫電路的設計8.1 溫度傳感器的介紹為了盡量多學習到更多的知識，本課題同時采用了兩種溫度傳感器：LM35以及NTC熱敏電阻，設計了兩個不同的電路。用同一塊單片機分別測量它們的輸出，用兩套程序來進行計算，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。8.1.1熱敏電阻的類型及特性熱敏電阻是利用半導體的阻值隨溫度變化這一熱性而制成的，分為NTC（負溫度系數(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。正溫度系數(shù)熱敏電阻其電阻值隨著PT

20、C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。負溫度系數(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。NTC熱敏電阻的測溫范圍：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、溫度補償和電流限制等。PTC熱敏電阻的測溫范圍為-50+150主要材料有BaTiO3等，用于溫度開關、恒溫控制和防止沖擊電流等。8.1.2線性化處理多數(shù)傳感器的輸出信號與被測量之間的關系并非線性誤差，如圖1.5中的曲線1和曲線2。圖1.5 輸出信號與被測量之間的非線性關

21、系1-類似指數(shù)型非線性特性2-類似于對數(shù)型非線性特性3-線性化后的特性在非線性情況下，將嚴重影響測量準確度。因此必須先將實際曲線1或曲線2進行線性化處理，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雜，也會增加檢測系統(tǒng)的成本。在計算機系統(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，得到線性的結果：y=Kx。查表法雖然簡單，但需逐點測量輸入-輸出對應數(shù)據(jù)；采用線性插值法時，劃分的段數(shù)越多，得到的結果就越精確，但計算所需時間就越長，即儀器

22、穩(wěn)定時間就越長；二次拋物線折線法的計算就更加復雜。本設計采用對數(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系。8.1.3 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、響應速度快、靈敏度高等優(yōu)點，因此它在許多領域得到廣泛應用。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：（1）熱敏電阻測溫 作為測量溫度的熱敏電阻一般結構較簡單，價格較低廉。沒有外面保護層的熱敏電阻只能應用在干燥的地方；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

23、導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，其引線可長達近千米。熱敏電阻的測量電路多采用橋路，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)刻度的準確性。如果不正確：可重新刻度；在帶微機的情況下，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“調(diào)試”、“標定”的概

24、念是作為檢測技術人員必須掌握的最基本技術，必須在實踐環(huán)節(jié)反復訓練類似的調(diào)試基本功。（2）熱敏電阻用于溫度補償 熱敏電阻可在一定的溫度范圍內(nèi)對某些元件進行溫度補償。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胗韶摐囟认禂?shù)熱敏電阻組成的電阻網(wǎng)絡，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償電路，補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 在電動機的定子繞組中嵌入突變型熱敏電阻并與繼電器串聯(lián)。當電動機過載時釘子電流增大，引起發(fā)熱。當溫度大于突變點時，電路中的電流可以由十分之幾毫安突變?yōu)閹?/p>

25、十毫安，因此繼電器動作，從而實現(xiàn)過熱保護。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，無需延長導線時的誤差

26、補償；其缺點是變化率非線性，不適合測量高溫區(qū)。8.2 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。設計工作低于10A到20A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)嚴格的電壓誤差11。根據(jù)公式RT= R0 *EXP(B*(1/T0-1/T1)8.3 放大電路部分LM324系列運算放大器是價格便宜的帶差動輸入功能的四運算放大器?？晒ぷ髟趩坞娫聪拢妷悍秶?.0V32V或最大±16V13。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四運算放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下

27、，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電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。8.4 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 圖1.6 總電路原理圖上圖為本設計電子體溫計的總原理圖，以單片機為核心，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。九、PCB電路板的制作在制作PCB板的過程中，由于設計以及成本的限制，故采用的是熱轉(zhuǎn)印法來制作的PCB板，制作的詳細步驟如下所示。

28、第一步：電路設計。在Multisim 11.0軟件中正確的畫出各模塊的原理圖，對電路進行仿真測試，并且對對該原理圖進行電氣規(guī)則檢查.第二步：在Protell se99軟件，畫出對應的電子體溫計電路圖，并且生成相應的網(wǎng)絡表和元件清單，隨后再利用網(wǎng)絡表生成PCB圖。第三步：設計布線規(guī)則。在這個步驟中只要是對線寬，線距以及焊盤的詳細參數(shù)的設置，是畫出的PCB板能夠符合現(xiàn)實元器件封裝大小。如圖7.1，就是一個已經(jīng)設計好了的PCB板圖。第四步：交付生產(chǎn)，把設計的電路圖，生產(chǎn)出來。第五步：焊接。PCB制作完成。圖1.7PCB制作效果圖十、系統(tǒng)調(diào)試與測量10.1 系統(tǒng)調(diào)試電子體溫計系統(tǒng)的硬件調(diào)試一般分下面幾個步驟。第一步：檢查外部的各種元器件，看元器件是否完好無損，并且觀察電路板上的電路是否有斷點。是否有漏焊，虛焊等等。第二步：用儀器儀表進行檢測，這里主要采用萬用表進行檢測，先用萬用表復核目測中有疑問的連接點，拐點等等，再次檢測各種地線與電源線之間是否有短路、斷路等不良現(xiàn)象。第三步：通電檢測。給電路PCB板通上電，檢測所有器件的電源是否符合要求的值。并且檢測整個電路的功能是否能夠正常運行。第四部：在通電工作中，觀察電子體溫計能否正常的測量體溫，并且檢查顯示屏能否正常顯示數(shù)據(jù)。10.2 誤差分析通過用