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 0 2.5V，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。
2、总体方案系统设计框图如图 1-1 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 Coefficie
3、nt 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。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
4、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：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
5、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 常 数 B-50100 6（ T0=0 ） 33900150 30(0 ） 345050200 3(100 ） 3894100250 0.55(200 ） 4300150300 4(200 ） 5133200350 8(200 ） 5559计 算 端 基 线 性 度 误 差 ：（2-3Lmaxin1%y）式中 Lmax 最大非线性偏差； ymaxy min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
6、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)
7、，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
8、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，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
9、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“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
10、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
11、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，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 3.0
12、V32V 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
13、工 作 ： 3V32V；(4)低 偏 置 电 流 ： 最 大 100nA；(5)每 封 装 含 四 个 运 算 放 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
14、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 0.60.7V 。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：U C UB UE；对于 PNP 管来说，三个电极的
15、电位关系是：U C 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，I E= 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，I E= IC=0.1 mA，而热敏电阻两端的电压 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
16、。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(PA7PA0) ： 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
17、， 即 使 系 统 时 钟 还 未 起 振 ， 端 口 A 处 于 高 阻 状 态 。端 口 B(PB7PB0) ： 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
18、其 他 不 同 的 特 殊 功 能 。端 口 C(PC7PC0) ： 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 口 C 处 于 高 阻 状 态 。 如 果 JTAG 接 口 使 能 ， 即 使 复 位 出 现 引 脚 PC5(T
19、DI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的 上 拉 电 阻 被 激 活 。 端 口 C 也 可 以 用 做 其 他 不 同 的 特 殊 功 能 。端 口 D(PD7PD0)： 端 口 D 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 ， 则 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
20、口 D 处 于 高 阻 状 态 。 端 口 D 也 可 以 用 做 其 他 不 同 的 特 殊 功 能 。RESET 复 位 输 入 引 脚 ： 持 续 时 间 超 过 最 小 门 限 时 间 的 低 电 平 将 引 起 系 统 复 位 。 持续 时 间 小 于 门 限 间 的 脉 冲 不 能 保 证 可 靠 复 位 。XTAL1： 反 向 振 荡 放 大 器 与 片 内 时 钟 操 作 电 路 的 输 入 端 。XTAL2： 反 向 振 荡 放 大 器 的 输 出 端 。AVCC： AVCC 是 端 口 A 与 A/D 转 换 器 的 电 源 。 不 使 用 ADC 时 ， 该 引 脚 应
21、直 接 与 VCC 连 接 。 使 用 ADC 时 应 通 过 一 个 低 通 滤 波 器 与 VCC 连 接 。AREF ： A/D 的 模 拟 基 准 输 入 引 脚 18。三液晶屏 JXD1602LCD 是液晶显示屏，主要是用来做面显示的，它本身不发光，然后通过电流使屏幕产生各种颜色的浑浊现象，后置一个光源来透过前面的 LCD 面板使人看到图案。LED 是发光二极管，它本身是点光源，就是说发出来的光不是一个面，而是一个点。也有用 LED 做显示屏的，相对于液晶显示屏来说，LED 适合于室外以及室内大屏幕观看距离稍微远一点的情况，因为 LED 显示屏的分辨率肯定远远小过 LCD。还有一点就
22、是由于 LED 与 LCD 的功耗比大约为 10:1，所以本设计部采用 LED 显示。液晶显示器（LCD）由于体积小、重量轻、耗电小等优点已成为各种嵌入式系统的常用的理想显示器。近年来，液晶显示器技术的发展迅猛，大面积的液晶显示器已开始取代CRT 显示器，在使用电池供电的嵌入式电子产品中，如手机、PDA 、家电产品、仪器仪表产品等，液晶显示器是首选的显示器。1602 字符型 LCD 简介1602 字符型液晶显示模块是专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式 LCD，目前常用的有 16X1、16X2、20X2 和 40X2 行等。下面以 1602 字符型液晶显示器为例， 介绍其用法。VL 为液晶显
23、示器对比度调整端， 接正电源时对比度最弱， 接砌寸对比度最高。若对比度过高会产生“鬼影” ，使用时可以通过一只 10K 电阻来调整对比度。RS 为寄存器选择端， RS 为高电平时选择数据寄存器， 为低电平时选择指令寄存器。R/W 为读写信号线， 为高电平时进行读操作， 为低电平时为写操作。当 RS 和 R/W同为低电平时可以写人指令或者显示地址；当 RS 为低电平、R/W 为高电平时可以读忙信号；当 RS 为高电平、R/W 为低电平时可以写入数据。E 为使能端， 当 E 端由高电平跳变成低电平时， 液晶模块执行命令。D0 一 D7 为位双向数据线 21。4.2.2 1602LCD 的指令说明及
24、时序1602 液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。指令 1：清显示， 指令码 01H， 光标复位到地址 00H 位置指令 2：光标复位， 光标返回到地址 00H指令 3：光标和显示模式设置I/D：光标移动方向， 高电平右移， 低电平左移S：屏幕上所有文字是否左移或者右移， 高电平表示有效， 低电平则无效。时序如表所示指令 4：显示开关控制D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示， 低电平表示关显示C：控制光标的开与关， 高电平表示有光标， 低电平表示无光标B：控制光标是否闪烁， 高电平闪烁， 低电平不闪烁指令 5：光标或显示移位S/C：高电平时移动显示的文字， 低电
25、平时移动光标指令 6：功能设置命令DL：高电平时为位总线， 低电平时为 8 位总线；N：低电平时为单行显示， 高电平时双行显示；F ：低电平时显示 5X7 的点阵字符， 高电平时显示 5X10 的点阵字符指令 7：字符发生器 RAM 地址设置指令 8：DDRAM 地址设置指令 9：读忙信号和光标地址BF：忙标志位， 高电平表示忙， 此时模块不能接收命令或者数据低电平表示不忙指令 10：写数据指令 11：读数据外形尺寸/显示内容4.3.3 接口说明表 4-2 1602 的引脚说明编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明1 VSS 电源地 9 D2 Data I/O2 VDD 电源正极 10 D
26、3 Data I/O3 VL 液晶显示偏压信号 11 D4 Data I/O4 RS 数据/命令选择端(H/L) 12 D5 Data I/O5 R/W 读/写选择端(H/L) 13 D6 Data I/O6 E 使能信号 14 D7 Data I/O7 D0 Data I/O 15 BLA 背光源正极8 D1 Data I/O 16 BLK 背光源负极表 4-3 1602 液晶模块内部的控制器的 11 条控制指令序号 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D01 清显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12 光标返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 *3 置输
27、入模式0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S4 显示开/关设置0 0 0 0 0 0 1 D C B5 光标或字符移位0 0 0 0 0 1 S/CR/L * *6 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * *7 置字符发生存储器地址0 0 0 1 字符发生存储器地址8 置数据存储器地址0 0 1 显示数据存储器地址9 读忙标志或地址0 1 BF 计数器地址10 写数到CGRAM 或DDRAM1 0 要写的数据内容11 从 CGRAM或 DDRAM读数1 1 读出的数据内容四编程介绍C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。C语言有功能丰富的库函
28、数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。C语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。此外，C语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。因此，使用C语言进行程序设计已成为软件开发的一个主流。用C语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完备的系统。综上所述，本文在结合自己的知识结构基础和项目的研发状况基础上选用C语言作为软件设计的工具。本设计的软件主要分为四大部分：温度检测与读写程序、键盘检测程序
29、、显示程序和输出模式切换程序 23。系统启动后先对单片机寄存器和温度传感器LM35DZ进行初始化，读取EEPROM 存储设定值，初始化看门狗后进入循环。在循环体内，通过不断读取LM35DZ采集的温度信号进行分析处理，然后通过液晶显示出来；如需设置温度上下限时，可任意通过按键进入设置上下限界面；单片机内部还设置有看门狗，最大限度地减小系统发生故障时，如进入死循环或跑飞，系统复位重新恢复运行。(1)主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理 LM35DZ 的测量温度值。开 始初 始 化 端 口调 用 /转 换 子 程 序调 用 显 示子 程 序图 5-1 系统主程序流程图(2)A/D 转换器的主要功能是将 LM35DZ 的输出值输入单片机的 A/D 转换口，再进行处理。启 用 /转 换开 始调 用 转 换 结 束数 据 转 换数 据 存 储返 回图 5-2 A/D 转换子程序流程图(3)将单片机输出值经过处理后在驱动液晶程序后显示温度值。 温 度 数 据 移 入 显 示 寄 存 器十 位 数 为 0？百 位 数 为 0？十 位 显 示 符 号 百 位 显 示 数 据结 束图 5-3 显示子程序流程图
