电子体温计设计实验报告.docx

1、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

2、。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

3、温度超过38C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 42C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

4、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

5、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

6、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912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：3.05.5V，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

7、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)温范围一55 T+125C，在+85C的时侯精度是土 0.5 C左右；(6)有912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0.0625 C、0.125 C、0.25 C和0.5 C,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750

8、ms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8K o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 4

9、KB EEPRO,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。7.3 LCD1602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

10、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

11、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714脚：8位双向数据线是从

12、DC到D7；(8)第1516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13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

13、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。SI电源模块GNDU 1 DIJIFl? 3P引.7WF33 ?341 wmrZ12 Ci = Z z, 亠_亠_ 星*甘 口卜 差屋EE垃芸B屋更P15HfrP17K5TP5&NC H3U)PSLWEN*U1 DIEL1C3* 一-JGNI35ZOOpF1lOOpF?os* * J电源模块图1.4电子体温计原理图如图14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

14、。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

15、o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1000C，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。

16、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

17、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(R t/Ro)+3950/298.1 5)-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

18、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：可重新刻度；在带微机的情

19、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

20、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

21、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

22、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I b可用下式表示：I b=(Vcc-Ube) /10=(507 ) /10= 0.43mA11I.M3J &3101PiotxCTmj P& ICTI) PMtlNVVANfb、PB3(DOl|i 呻測PBJtSlOSI)0w片磁皿切PM 抑伽V

23、心 巧P 口皿呵 RJ 记(MR PAjC.IfCT (V um AVCC PCATOSCSF PFraECr PC5CTDI) PC4(H0 PM(m JPOfliCKJ PtlJ 曲 S PCACL(vcc 那么 RTAU KlI.Ll PDOIKTO) PDLrT3D) PD3I1HTO PD3IHm) PEHiDC (8) PDJIQCLAF PDflJICPIinM!LTDHi_2iarMIQKHIHP-SV/PB图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。九、设计总结本次用单片机设计电子体温计

24、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。、参考文献1341776.htm2341776.htm3高晓蓉传感器技术M.西南交通大学出版社，20034黄继昌传感器工作原理及应用实例M人民邮电出版社，1998陈杰传感器与检测技术M高等教育出版社，2002 金发庆传鳳器技术与应用第二版M北京：机械工业出版社，20067沙占友，马洪涛，安国臣，孟志永新型智能温度传鳳器的与原理及应用，电

25、子测量与仪器学报第16卷增: 144-1468沙占友智能化温度测试系统的优化设计.电子测量与仪器学报第16卷增 刊.2002.10 : 125-1279高桔祥数字电子技术M.电子工业出版社，200310沈任元，吴勇数字电子技术M北京：机械工业出版社，200511康华光电子技术根底模拟局部M高等教育出版社，198812卜益民模拟电子技术M.北京：邮电大学出版社，200513王港元电工电子实践指导M.南昌：江西科学技术出版社，200514谢自美电子线路设计M武汉：华中科技大学出版社，200015冯璐免疫金渗滤法定量检测研究M 河北工业大学，202116 金毅温度的测量史M.教学仪器与实验，2021年27卷8期