集成温度传感器人体体温测量及报警电路.docx
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集成温度传感器人体体温测量及报警电路
集成温度传感器人体体温测量报警系统电路
一、题目介绍
运用集成温度传感器AD590，搭建一个用于测量人体体温的温度测量电路，并当温度高于一定的预置值时进行报警。
要求测温范围为25至45摄氏度，输出的频率小于100KHZ，调节灵敏度为1KHZ/℃；测量温度精确到0.1℃，误差范围在
1℃，且温度到达37.5℃时实现报警。
二、总体方案设计
如上图所示，整个电路主要包括信号采集电路，数码管显示电路，和超限报警电路三部分。
我主要负责设计完成电流－电压转换主电路，电压调整电路，信号放大电路；压频转换电路；温度超限报警电路（采用发光二极管报警，不闪烁）。
信号的采集是整个电路的关键部分，该电路能否得到一个合适的结果将
直接影响整个系统。
其中的核心的元件的是温度传感器AD590，AD590是利用PN节正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器，该器件具有良好的线性特性和互换性，且测量精度较高。
在温度传感器AD590正负两极接上工作电压时，其能够输出一个与其所处环境温度值成正比的一个恒定的电流量。
通过查询相关的书籍得知其输出的电流与温度的关系是当温度每上升1℃其输出的电流值增大1μA。
正是利用这个特性，外界的温度信号直接转化成电流信号输入电路当中。
将温度的变化转化为电流的变化之后，再通过相应的电路将电流的变化转化为电压的变化。
接下来再将电压送入相应的放大电流，进行一定比例的放大，得到一个大小适中的电压。
之后需要对电路中的信号进行一步滤波操作，滤除高频噪音信号。
至此为止，已经得到了一个比较纯净的电压，将此电压通过压频转换器，得到一个频率和输入电压成正比的方波信号。
这时，在计数电路部分会有一个标准的秒脉冲，让计数电路记下单位时间内的频率数并进行显示。
三、具体内容（电路、流程等）
在电路设计中，我主要负责设计完成电流－电压转换主电路，电压调整电路，信号放大电路；压频转换电路；温度超限报警电路（采用发光二极管报警，不闪烁）。
下面我主要对自己自己负责的部分做一介绍。
总电路图：
1、电流-电压转换电路
1.1 AD590主要技术参数：
工作电压:
4—30V 工作温度:
-55～+150℃
保存温度:
-65～+175℃焊接温度（10秒）:
300℃
正向电压:
+44V反向电压:
—20V
灵敏度:
1μA/K输出电阻:
710MΩ
AD590的特性就是流过器件的电流与热力学温度成正比,基准温度下可得到1μA/K的电流值。
AD590是电流输出性集成温度传感器。
在设计测量温度电路时,必须将电流转换成为电压。
在被测温度一定时,AD590实质上相当于恒流源,把它与直流电源相连,并在输出端串接一个22KΩ的电阻,结果此电阻上流过的电流与被测热力学温度成正比,电阻两端将会有和温度成正比输出的电压信号。
比例在4mV/℃左右。
摄氏温度测量电路的设计必须完成两部分任务:
一是将AD590输出的电流转换为电压信号,也就是电流转换为电压电路。
二是将热力学温度转换成为摄氏温度,即绝对温度转换为摄氏温度电路。
摄氏温度测量电路工作原理见图。
其中由AD590、电位器RP1和R1、运算放大器A1组成电流电压转换电路,A1连接为电压射随器形式,主要为增加信号的输入电阻。
而运算放大器A2为绝对温度转换为摄氏温度的核心器件,其转换原理为摄氏零度对应热力学273K,因此热力学转换为摄氏温度必须设置基准电压。
实现方法是给A2的同名端输入一个恒定的电压,恒定电压由限流电阻R2和R3提供,通过R3分得1V电压,由A2将此电压放大至合适的电压，A2中装有滑动变阻器，通过调节滑动变阻器可调节放大倍数,。
通过转换电路,这样在A1、A2输出端的电压即为与摄氏温度成正比的电压数值,即每摄氏度对应4mV的电压数值。
2、放大电路
放大电路部分是一个减法放大器，用由AD590输出的电压减去基准电压，通过调节电阻值，减法的同时放大10倍。
如上图所示，减法公式为：
其中，
和
值分别为470kΩ和47kΩ。
3、压频转换电路
利用锁相环4046，可以将输入的电压U0转化为成正比的频率
各管脚的接线图如图所示，据上所述，输出的频率
，其中比例常数k由接入芯片的电阻RL和电容C1的值所决定的，由于k由RL和C1决定，所以在后续的调节当中，而这也起到了非常重要的作用。
4、整形电路
CD4046输出的方波带有毛刺，我组设计使用六施密特触发器CD40106对输出波形进行整形，同时CD40106对波形还有反象的效果，但是在实际操作中发现，整形效果并不明显。
5、超限报警电路
高温报警电路则是起着警示的作用，当所测量的温度达到甚至超出了所设定的阈值的时候，高温报警电路就会报警，给人们以警示。
下面就来介绍一下高温报警模块的设计。
在设计报警电路的时候，我们采用模拟的电压信号比较电路。
模拟信号比较的实现比较容易。
高温报警电路的本质就是一个电压比较器通过选取的电压与所设定的电压进行比较，如果高于设定的电压，则运放LM318的输出端就输出正电压，从而使发光二极管发光，反之则不发光，这样就达到了高温报警的要求。
电路中还采用了电位器来控制参考电压的高低，从而实现不同温度下的报警功能。
四、实验与数据分析
我们的目的是得到一条数字显示和温度变化相适应的直线，也就是说，我们需要通过调整各个相应的参数从而得到一条符合要求的直线。
直线的两大要素为斜率和截距，我们调整的主要就是这两者。
回想一下上面的所有电路图，可供调节的主要有，和AD590紧连的两个电位器、4046的参数RC、基频。
这几个参数的改变都会影响最终的显示结果。
在理论计算的基础上，我们进行了大量的调整，以控制变量法为主，大致过程可以用以下几组数据表示。
1、温度-信号放大电路输出电压
温度
/°C
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
输出电压/V
1.59
1.62
1.66
1.68
1.72
1.77
1.8
1.84
1.88
1.92
1.98
2
2.04
2.09
2.13
通过一次减法放大电路之后，输出的电压和温度的关系如上图所示，线性程度良好，线形比例在39mV/℃。
2、CD4046输入电压-输出频率的关系
电压
1.585
1.65
1.68
2
2.04
2.17
2.26
2.42
2.63
3
频率
28.75
30.9
31.8
41.9
43.3
47.7
50.6
55.2
61.3
72.1
3、室温下电路系统和温度计示数的漂移
温漂：
是指传感器输出随外界温度变化的变化。
以下是我们分别用温度计和测温电路测量的室温
电子示数
28.3
28.6
28.6
28.3
28
27.8
27.4
27.5
27.3
27.5
普通示数
28.3
28.6
28.8
28.6
28.5
28.4
28.2
28.3
28.2
28.1
电子示数
27
27.2
26.9
27.7
27.8
27.6
27.4
27.3
27.3
27
普通示数
28
28
27.9
27.8
27.8
27.8
27.6
27.6
27.6
27.5
从数据看来，实际温度和电路示数的温度最大相差不超过一度，基本符合要求。
4、体温测量稳定性
为了体现其体温计的属性，我们对掌心温度进行了测量，结果如下
电子示数
36.1
36
35.8
35.8
35.7
35.8
35.7
35.6
35.5
35.5
温度计示数
36
35.9
35.8
35.7
35.6
35.8
35.7
35.6
35.6
35.5
电子示数
35.8
36
35.6
35.5
35.4
36.1
35.9
35.6
35.7
35.4
温度计示数
35.7
35.9
35.7
35.6
35.5
35.9
35.8
35.7
35.7
35.5
从上表可以看出，电路测量的体温和温度计测量的体温符合较好，最大差值不超过0.2。
5、温度重复性
为了测量实验电路对温度测量的重复性，我们对一杯26.5℃的水共进行了5次，结果如下：
电路示数
26.7
26.6
26.5
26.6
26.5
从家过上看，实验电路在稳定性方面也符合精度要求。
6、标定
最后，我们从29℃一直到45℃，对电路的测量进行了标定，如下所示：
温度计温度
29
30
31
32
33
34
35
36
37
电路示数温度
28.4
29.4
30.6
31.7
32.6
33.7
34.9
35.9
37
温度计温度
38
39
40
41
42
43
44
45
电路示数温度
38
39.1
40.2
41.2
42.3
43.3
44.3
45.5
从标定的结果看，电路的标定精确度在25℃到45℃的量程范围内符合标准。
五、总结
这次为期两周的电路实践，让我学到了很多东西。
一方面，在实践中我对上学期学习的电工电子技术进行了充分的巩固和复习，让我更好的认识到电工电子技术在实际工程中都有哪些应用，另一方面，也让我深刻体会到实践和理论之间存在着一定的差异。
理论与实践密不可分，理论引导实践，实践中遇到的问题总归能够回到理论解释；理论又与实践有所不同，实践中遇到的复杂多变的情况，是理论经常考虑不到的问题。
这次实践，使我的动手能力也有了很好的提高，可以更加熟练的使用示波器进行各项测量。
在小学期之前，我一直觉得凭自己现有的知识，完成一个人体体温测量报警电路是相当困难的，但是，两周已经过去，虽然这其中经历了不少波折，我们组的电路也最终通过了检查，我还是挺有成就感的。
在实际操作中，遇到的问题还是不少的，比较让我们头疼的是用CD4046构成的电压-频率转换电路不稳定，虽然电路使用的电阻和电容参数始终都没变，但是电路的电压频率转换参数却由最初的27kHz/V到之后的30kHz/V再到最终提交检查前的31kHz/V，这对我们的实验造成了很不好的影响，在最终提交实验电路时，由于电压频率转换倍数的改变，使我们的电路没有在提交之前自己试验时准确度高，但是我们始终没有找到对这个问题的一个很好的解释。
在我们的电路中，需要用到一个秒脉冲，我们开始的设计是用555定时器发射秒脉冲，在电工教材上就有发射秒脉冲的电路，我们选择好参数，按书上的电路搭好后发现输出的始终不是方波，经过进一步实验和讨论，我们觉得是由于选用电容值太大的缘故，但是如果选用较小的电容，虽然会发出很好的方波，但是周期太小，达不到要求，后来，我们发现实验电路板上的方波发生器是可以用的，我们最终放弃了555定时器的设计，改用方波发生器输出秒脉冲，但是在用方波发生器的过程中又存在新的问题，方波发生器的输出频率不是很稳定，通常在调出标准的频率为1Hz的方波后过一点时间，频率就会变动几毫秒，使得计数电路产生误差，对这个问题，我们只好不断的用示波器检测方波发生器的输出频率并调整。
理论上，CD4046输出的方波带有毛刺，我组设计使用六施密特触发器CD40106对输出波形进行整形，同时CD40106对波形还有反象的效果，但是在实际操作中发现，整形效果并不明显。
不过CD4046输出的方波基本上标准，在我们设计的电路中，虽然设计了整形电路，但在实际当中作用并不大。
我还负责了报警电路的设计，理论上，报警电路十分简单，就是一个普通的电压比较器，但在实际接线时同样费了不少周折，首先，我习惯上将LM318的正负极一个接5V电源，另外一个接地，但得到的现象是当输入电压低于比较电压时，电路同样输出正电平，只不过相对较低，经助教老师提醒，LM318的另一端应当接-5V电源。
另外一个被我忽略的问题是，我在开始时直接将输入电压和运放接在一起，结果得不到预期效果，经查询，因为输入电压较大，不应和运放直接接到一块，应当在运放和输入电压之间接一个较大的电阻以减小输入电流。
经过这次实践，让我意识到想要用自己学到的理论知识去完成一个可以进入市场销售的成品，自己还有很多知识要学习。
同时，就我们的人体体温测量报警电路而言，电路可以有很多种设计接线方式，设计什么样的电路对成品的精确度及稳定性有着至关重要的影响。
经历了两周的小学期，困难是不少，可是收获也很多。
首先就是让我懂得了团队协作的重要性，虽然我们是临时组成的队伍，可是分工合作还是做的不错的，双方分头行进，互相讨论，相比其他组而言，由于分工合理，大大的节省了我们的时间，也就使得我们的进度比别人要快，但是分工合作一定要有一个好的氛围，遇到问题要摆出道理，一起解决，不能互相不服气彼此争斗，那样反而误事。
还有很重要的一点就是做事情要有步骤，条理清晰，我们正是由于采用了模块化的方法去连接调试电路，所以才会很容易的发现问题，解决问题，也会很大程度上的提高我们的速度，所以做事要有条理，这真的是很重要的一点。
六、参考文献
王鸿明，段玉生，王艳丹。
电工与电子技术。
北京：
高等教育出版社，2009。
雷少刚基于AD590组成的温度测量电路及应用
锁相环CD4046原理及应用
七、附录（芯片管脚，相关附图等）
电容值的区分
1、电容在电路中一般用“C”加数字表示（如C13表示编号为13的电容）。
电容是由两片金属膜紧靠，中间用绝缘材料隔开而组成的元件。
电容的特性主要是隔直流通交流。
电容容量的大小就是表示能贮存电能的大小，电容对交流信号的阻碍作用称为容抗，它与交流信号的频率和电容量有关。
容抗XC=1/2πfc（f表示交流信号的频率，C表示电容容量）电话机中常用电容的种类有电解电容、瓷片电容、贴片电容、独石电容、钽电容和涤纶电容等。
2、识别方法：
电容的识别方法与电阻的识别方法基本相同，分直标法、色标法和数标法3种。
电容的基本单位用法拉（F）表示，其它单位还有：
毫法（mF）、微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）。
其中：
1法拉=103毫法=106微法=109纳法=1012皮法
容量大的电容其容量值在电容上直接标明，如10uF/16V
容量小的电容其容量值在电容上用字母表示或数字表示
字母表示法：
1m=1000uF1P2=1.2PF1n=1000PF
数字表示法：
一般用三位数字表示容量大小，前两位表示有效数字，第三位数字是倍率。
如：
102表示10×100PF=1000PF224表示22×1000PF=0.22uF
3、电容容量误差表
符号FGJKLM
允许误差±1%±2%±5%±10%±15%±20%
如：
一瓷片电容为104J表示容量为0.1uF、误差为±5%。
芯片管脚图
4013
双D触发器（双稳态）
4013真值表
4011
四2输入与非门
4511
BCD－锁存/7段译码/驱动器
4511真值表
4518
双BCD同步加计数器
4046
锁相环（压频转换）
LM324
通用四运放
4081
四2输入与门
升级会员 