电子体温计设计实验报告.docx
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电子体温计设计实验报告
电子体温计设计报告
起讫日期:
〔生物医学测量与传感器实验设计〕
学
院
名称：
仪器科学勺光电工程学院
专
业
〔班级〕：
生物医学工程15-1班
姓
名
号〕：
〔学一
周俊余〔2021214960
指
导
教师：
一
付静
2021年6月16日一2021年6月21
体温计是人们生活中的必不可少的用品。
在现代化的工业生产中，单片机技术已经普及到我们生活、工作、科研各个领域，已经成为一种有力的工具，本实验设计一种基于单片机控制的电子温度计。
本设计采用电子体温计系统的硬件设计，采用一种新型的可编程温度传感
（DS18B20,不需复杂的信号调理电路和A/D转换电路能直接与单片机完成数据采集和处理，实现方便、精度高，性能稳定。
传感器DS18B2C接触人体，感应温度后，模数转化后的电信号送入单片机，并将其送入LCD1602数码管显示。
它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的优点。
并且超过预定的温度，回有报警提示。
尤其是电子体温计不含水银，对人体及周围环境无害。
二、任务要求
该系统的用于体温检测，能准确快速地测量人体体温，并且需要实时的显示当前的温度。
与传统的水银玻璃体温计相比，电子体温计具有方便的读数，高精度的测量，测量时间比拟短，能记忆并有与其它体温计不同的蜂鸣提示的优点。
测温范围35。
C~42°C,误差在土0.2°C以内，当温度超过38°C时，可以报警，采用LED数码管直读显示。
并且能够实时的宽范围的温度检测，能清楚的显示与读出数据。
三、设计思路
本实验旨在设计一个电子体温计，主要控制器采用单片机STC89C5，2传感
器采用美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20智能型传感器。
该传感器检查的温度是35。
C~42°C之间，检查的分辨率为土0.2°G当温度出现不同寻常的时候，不在设置范围内时，可以报警，且是通过蜂鸣器。
研究工作总体包括以下多个方面：
了解电子体温计的工作原理，典型结构，开展历史及国内外的研究和开展的现状；研究电子体温计的两个最主要的核心模块：
DS18B20专感器控制和
STC89C5单片机主控制器。
四、系统设计
为满足系统的三个需求：
（1）实时的温度检测。
（2）数据能清楚的显示与读出。
（3）温度变化的曲线能够实时的描绘出来。
整个电子体温计系统应该设计必须含有以下几个模块：
a.温度采集模块。
b・显示模块。
c.串口通信接口。
d・核心系统模块。
五、方案设计与论证
方案一：
本电路设计的电子温度计，如图,热敏电阻器件在测温电路中的感温效应。
随被测温变化，采集的电压或电流，进行模数转换后，再用单片机进行加工处理采样的数据，就可以通过显示电路显示出来。
但是热敏电阻测量体温有许多问题，存在测量时间较长等问题。
图基于热敏电阻的电子体温计系统框图
万案一:
红外体温计是非接触式的，算是高端的技术，最近几年才开展起来的。
主要是靠红外传感器鳳应接收人体辐射的红外线，通过模数转换后，用单片机处理采样的数据，显示电路就可以显示出来数据。
但是这个方案制作本钱费用高，耗时比拟长，主要是表达在硬件电路与软件程序复杂。
根据以上需求分析，本次设计采用方案三来设计电子体温计。
六、系统框图
图1.2电子体温计系统框图
七、硬件电路设计
7.1传感器电路
7.11数字温度传感器DS18B2C介绍
DS18B20勺性能和特点如以下几点，都是很好的优点：
其一是多个DS18B20
可以并联在唯一一个单独的三线上，并且能够实现多点组网功能；其二是独特单独的单线接□仅仅需要一个端口引脚就可以进行通信；其三是用户可以自己定义
的非易失性温度报警的设置；不需要外部的外围器件；其余的是可以通过数据线供电，电压范围为是在3.0-5.5V;当待机的时候，功耗为零；温度以9~12位的数字两读出；负电压特性，当电源极性接反的时候，温度计不会因发热而烧毁，只是不能正常工作。
报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警
DS18B20勺主要特性：
（1）适应更加宽广的电压范围，电压范围：
3.0〜5.5V，并且采用数据线供电，与此同
时也可以采用寄生电源方式；
（2）DS18B20还具有的很多强大的功能，其中一项就是支持多点的组网功能，在唯一单独的三线上，就可以让多个DS18B20功能并联，实现组网多点测量体温；
（3）具有很独特的单线接口
方式，需要一条口线即可让DS18B20在与微处理
器连接，并且能够实现微处理器与DS18B2C的双向通讯；
（4）不需要用其他的任何外围的元器件DS18B20就可以使用，一只三极管的集成电路包含了全部传感元件及转换电路；
（5）温范围一55T〜+125C，在〜+85C的时侯精度是土0.5C左右；
（6）有9〜12位的分辨率是可以用来编写程序的，对应的可分辨温度依次分别为
0.0625C、0.125C、0.25C和0.5C,测量温度可实现精度高；
（7）温度转换为数字，且条件是在9位分辨率时，最多花费93.75ms，而在12位分辨率时，把温度值转换为数字，速度更快，最多在750ms内；
（8）测量结果可以
输出直接明确的数字的温度信号，通过串行，CPU接受"一
线总线〞，同时可以传送CRC校验码，拥有极强的抗干扰纠错能力；
（9）负压特，性:
当接反电源极性的时候，芯片不会发热，因而更加不会被烧毁，但之后不能正常工作。
7.2单片机电路
STC89C5是一种CMOS位微小型控制器，其性能高、功耗低，并且具有可编程
Flash存储器，数据容量是8Ko在单芯片上，STC89C5为众多嵌入式控制系统应用提供有效、灵活的解决方案主要其原因就是拥有可编程Flash和灵活的8位CPU。
具有以下标准功能：
512bitRAM，8kbitFlash，32位I/O口线，看门狗的定时器，内置4KBEEPRO,MMAX81（M位电路，单个6向量2级中断结构，三个16位计数器/定时器，全双工串口。
另外静态逻辑操作是STC89X52降至0Hz,并且支持2种软件，与此同时，还可选择节电模式。
当CPU停止工作，就是属于空闲模式。
此时允许RAM串口、计数器/定时器、中断时候继续工作。
保存RAM内容，可以在掉电保护方式下，并且可以把振荡器冻结了，单片机停止一切工作，直到下一个硬件复位或中断为止。
最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。
7.3LCD1602显示屏电路
1602液晶也叫1602字符型液晶，字母、数字、符号等的点阵型液晶模块将可以显示在1602上的，可以显示一个字符，是通过每个点阵字符位来实现的，并且组成局部是假设干个5X7或者5X11等点阵字符位。
每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。
1602LCD是指显示的内容可以显示每行16个字符液晶模块，并且可以显示两行，1602代表的就是这个意思。
LCD1602液晶显示内容丰富、小巧的体积、功耗低、超薄且轻巧，常用在微型仪表和低功耗应用系统中。
1602的16脚接□是采用标准标准的，其中：
（1）第1脚：
接地电源是VSS；
（2）第2脚：
正电源是VD接+5V；
（3）第3脚：
液晶显示器调整比照度的端口是V0,接正电源的时候比照度是最弱的，接地电源的时候比照度是最高的，比照度太高时会出现不一样的“鬼影〞，使用时，比照度的调整，可以通过一个10K勺电位器来进行；
（4）第4脚：
RS为选择存放器，指令存放器用于^.电平的时候、数据存放器用于高电平的时候；
（5）第5脚：
信号线RV是代表读写的，写操作通常都是在低电平的时候进行，
读操作通常都是在高电平的时候进行，显示地址或者写入指令就要当R番口RW均是为低电平的时候。
低电平的时候可以写入数据，必须要是当RS是高电平RWtf候，
高电平的时候可以读忙信号，必须要是当RS是低电平RV时候；
（6）第6脚：
E端是使能端，其作用就是当E端从高电平跳转成为低电平的时候，液晶模块会按照流程执行命令；
（7）第7〜14脚：
8位双向数据线是从DC到D7；
（8）第15〜16脚：
这些都是空脚；
从以上可以知道，LCD1602有16只管脚，每只都有不同的作用。
设计好电路，再通过软件编程。
当通电时候，就会启动显示屏，显示屏就会工作，就会显示外面所需要的。
7.4电源模块
如图1・3所示，该电路图是电源模块，主要负责整个电路系统的电源供给整个电子体温计采用的是稳压5V恒流电源。
由于这个电子体温计的电路系统的外部电源，不一定全都是系统所要求的而5V稳压电源，故需要对输入的电压进行稳压处理才行，通过处理电压，才会产生5V的电压。
并且稳压是时候，所采用的稳压的芯片是最常用的78xx系列的
7805稳压芯片。
为了系统运行的稳定性，而且由于稳压芯片有波动的波形。
所以应该要对稳压之前和之后的电压进行滤波处理，处理之后的波形，才会增加电
形的平滑，这时候，电子体温计整个电路系统才运行的更加稳定，可靠，不会出问题。
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电源模块
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图1・3电源模块电路原理图
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电源模块
图1.4电子体温计原理图
如图1・4所示，整个电路原理图，分有几个模块，其中主要就是有单片机模块，
DS18B20温度传感器模块，显示模块和电源模块。
而其中也有些小模块，如晶振模块，
报警器模块等等。
这四个大模块，不同功能，有机的结合起来，成为一个完整的整体。
八、测温电路的设计
8.1温度传感器的介绍
为了尽量多学习到更多的知识，本课题同时采用了两种温度传感器：
LM35
以及NTC热敏电阻，设计了两个不同的电路。
用同一块单片机分别测量它们的输出，用两套程序来进行计算，用同一个液晶屏分时显示这两个不同的传感器测量到的温度。
热敏电阻的类型及特［生
热敏电阻是利用半导体的阻值随温度变化这一热f生而制成的，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⑹o
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。
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。
NTC热敏电阻的测温范围：
低温型号为・100〜0C，中温型号为・50〜+300C,高温型号为+200〜+800E，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。
PTC热敏电阻的测温范围为・50〜+150C主要材料有BaTiO3等，用于温度开尖、恒温控制和防止冲击电流等。
线性化处理
多数传感器的输出信号与被测量之间的尖系并非线性误差Y,如图1.5中
的曲线1和曲线2。
图1.5输出信号与被测量之间的非线性尖系
1■类似指数型非线性特性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本钱。
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，贝冋以通过查表法、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二Kxo
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尖系。
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，其适用范围也各不相同，
具有以下方面:
（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枯燥的地方；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，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32C（表头的零位）的温水中，待热量平衡后，调节RP1,使指针指在32C上，再参加热水，用更高一级的数字式温度计监测水温，使其上升到45C。
待热量平衡后，调节RP2使指针指在45C上。
再参加冷水，逐渐降温，检查32C~45C范围内刻度的准确性。
如果不正确：
①可重新刻度；②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根本技术，必须在实践环节反复训练类似的调试根本功。
（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兀件进行温度补
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，如空调与枯燥器、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，它的外表温度将高于周围的空气温度，此时它的阻值较小o当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冋。
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。
8.2热敏电阻温度测量计算
LM285/LM385系列微功率带隙稳压器二极管。
设计工作低于10卩A到20卩A的宽电流范围。
这些器件特征有非常低的动态阻抗、低噪声以及随时间和温度稳定工作。
通过片内微调可以实现严格的电压误差[11]O
根据公式Rt=Ro*EXP（B*（1/To-1/Ti））
8.3放大电路局部
LM324系列运算放大器是价格廉价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3.0V-32V或最大±I6VZ]o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。
8.4恒流源电路
这是最简单的偏置电路，偏置电流Ib自电源Vc“取Vcc=5V）经过10kQ，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=（507）/10=0.43mA
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图1・6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。
九、设计总结
本次用单片机设计电子体温计系统终于完成了，在本次设计中，我不仅把知识融会贯穿，而且丰富了大脑，同时在外观，到论文的编写都是先查阅了大量资料,过程中，也是了解了许多课外知识后再做确定，开拓了视野。
在这次毕业论文设计中，我切身鳳受到了，自己在专业知识方面，和动手能力方面，有了质的飞跃。
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