热敏电阻电子体温计的研制Word格式文档下载.docx
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1.3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35~42℃,对应输出0~2.5V。
(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。
总体方案系统设计框图如图1-1和图1-2所示。
图1-1电子体温计的设计方案系统框图图1-2作者搭建的电子体温计的电路
2测温电路的设计
2.1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。
因为1602LCD显示屏可以显示两行,一行显示的是体温,一行显示的是室温。
还可以设计出不同的组合。
在实际应用中,当然不会同时采用两种传感器。
LM35是NationalSemiconductor公司生产的集成温度传感器,其输出电压与摄氏温标呈线性关系,转换公式如式2-1所示,0时输出为0V,每升高1℃,输出电压增加10mV。
LM35有多种不同封装型式,外观如图所示。
在常温下,LM35不需要额外的校准处理即可达到
±
1/4℃的准确率。
其电源供应模式有单电源与正负双电源两种,其接脚如图所示,正负双电源的供电模式可提供负温度的量测;
两种接法的静止电流-温度关系如图所示,在静止温度中自热效应低(0.08℃),单电源模式在25℃下静止电流约50μA,工作电压较宽,可在4~20V的供电电压范围内正常工作非常省电[3]。
Uout_LM35(T)=10mV/℃×
T(2-1)
LM35系列是精密集成电路温度传感器,它的输出电压与摄氏温度成线性比例。
LM35无需外部标准或微调来提供(20±
0.25)℃的常用的室温精度,在-55~+150℃温度范围内的误差为±
0.75℃,我们把利用LM35做成的温度传感器放在带有冰水的烧杯里加热,一直到水烧开,实验采用摄氏温度直接校准方式,由于受当地大气压的影响,所得的数据结果如表1所示。
表2-1温度传感器实验数据
t(℃)
V(mV)
8
70
20
208
32
333
9
93
21
218
33
343
10
100
22
227
34
352
11
110
23
241
35
360
12
121
24
257
36
372
13
129
25
265
37
382
14
134
26
276
38
391
15
144
27
290
39
401
16
152
28
300
40
411
17
165
29
306
41
423
18
180
30
315
42
432
19
194
31
324
43
442
从实验结果可以看出,LM35温度传感器具有较好的线性的温度特性,特别是在30℃以上范围内,其电压-温度基本上呈线性特性,因为人体的体温范围在35~43℃内,这就为制作数字温度计提供了理论和实验基础[4]。
图2-1LM35的温度特性曲线图2-2TO-92封装引脚图图2-3SO-8IC式封装引脚图
图2-4TO-46金属罐形封装引脚图图2-5TO-220塑料封装引脚图图2-6单电源模式图2-7正负双电源模式表2-2封装形式与型号关系
封装
型号
TO-46金属罐形封装引脚图
LM35H,LM35AH,LM35CH,LM35CAH,LM35DH
TO-220塑料封装引脚图
LM35DT
TO-92封装引脚图
LM35CZ,LM35CAZLM35DZ
SO-8IC式封装引脚图
LM35DM
2.1.1热敏电阻的类型及特性
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]。
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是NegativeTemperatureCoefficient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。
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。
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]。
NTC热敏电阻根据其用途的不同分为:
功率型NTC热敏电阻、补偿型NTC热敏电阻、测温型NTC热敏电阻。
PTC是PositiveTemperatureCoefficient的缩写,意思是正的温度系数,泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件。
通常我们提到的PTC是指正温度系数热敏电阻,简称PTC热敏电阻。
PTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻,超过一定的温度(居里温度)时,它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。
PTC热敏电阻根据其材质的不同分为:
陶瓷PTC热敏电阻、有机高分子PTC热敏电阻。
PTC热敏电阻根据其用途的不同分为:
自动消磁用PTC热敏电阻、延时启动用PTC热敏电阻、恒温加热用PTC热敏电阻、过载保护用PTC热敏电阻、过热保护用PTC热敏电阻。
NTC热敏电阻的测温范围:
低温型号为-100~0℃,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。
PTC热敏电阻的测温范围为-50~+150℃主要材料有BaTiO3等,用于温度开关、恒温控制和防止冲击电流等。
热敏电阻有如下优点:
对于温度的变化,其阻值变化较大,即输出灵敏度高;
便于大批量生产,因而价格便宜;
体积小而且坚固;
由于灵敏度高,因而信号处理非常方便。
缺点是非线性、测温范围窄、互换性差等。
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RT—NTC在热力学温度为T时的电阻值
R0—NTC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
-50~100
6(T0=0℃)
3390
0~150
30(0℃)
3450
50~200
3(100℃)
3894
100~250
0.55(200℃)
4300
150~300
4(200℃)
5133
200~350
8(200℃)
5559
计算端基线性度误差:
(2-3)
式中Lmax——最大非线性偏差;
ymax﹣ymin——输出范围。
图2-9传感器线性度示意图图2-10输出信号与被测量之间的非线性关系
a)端基线性度这图要改为你自己的真实的曲线1-类似于指数型非线性特性
1-端其拟合直线y=a+Kx2-实际特性曲线2-类似于对数型非线性特性3-线性化后的特性
2.1.2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γ,如图2-10中的曲线1和曲线2。
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),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。
2.1.3NTC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[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32℃~45℃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。
2.2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10μA到20μA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]。
根据公式RT=R0*EXP(B*(1/T0-1/T1))
对上面的公式解释如下:
RT—NTC在热力学温度为T时的电阻值
R0—NTC在热力学温度为T0时的电阻值,多数厂商将T0设定在298K(25℃)
EXP是e的n次方。
例如作者手头有一个MF58502F395型号的热敏电阻,参数如下述。
MF58——型号玻璃封装
502——常温25度的标称阻值为5K
F——允许偏差为±
1%
395——B值为3950K的NTC热敏电阻
则RT=5000*EXP(3950*(1/T0-1/(273+25))),这时候代入T0温度就可以求出相应温度下热敏电阻的阻值,注意温度单位的转换,例如我们要求零上10摄氏度的阻值,那么T0就为(273+10)[12]。
表2-4热敏电阻与温度的计算关系
电压(V)
阻值(kΩ)
温度(℃)
2.5
11.74344
23.43751102
2.6
10.88461538
24.17382951
2.722
9.94856723
25.05040683
2.8
9.392857143
25.61343778
2.9
8.724137931
26.34001535
3
8.1
27.07383924
3.1
7.516129032
27.8170763
3.2
6.96875
28.57203532
3.3
6.454545455
29.34121239
3.4
5.970588235
30.12734464
3.5
5.514285714
30.93347505
3.6
5.083333333
31.76303268
3.7
4.675675676
32.6199337
3.8
4.289473684
33.50871138
3.9
3.923076923
34.43468622
4
3.575
35.40419328
4.1
3.243902439
36.42489196
4.2
2.928571429
37.506198
4.3
2.627906977
38.65990092
4.4
2.340909091
39.90107229
4.5
2.066666667
41.24944645
4.6
1.804347826
42.73160309
4.7
1.553191489
44.38458319
4.8
1.3125
46.26223674
4.921
1.034342613
48.95638108
5
0.86
51.07591312
5.1
0.647058824
54.39779769
5.2
0.442307692
58.94772216
5.3
0.245283019
66.25445123
5.4
0.055555556
86.16654643
2.3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3.0V~32V或最大±
16V[13]。
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)可单电源工作:
3V~32V;
(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2-12LM324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。
2.4恒流源电路
图2-14电子工具箱搭建的恒流源电路图2-15用PROTEL画的恒流源电路
这是最简单的偏置电路,偏置电流IB自电源VCC(取VCC=5V)经过10kΩ,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0.6~0.7V。
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:
UC>
UB>
UE;
对于PNP管来说,三个电极的电位关系是:
UC<
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,IE=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,IE=IC=0.1mA,而热敏电阻两端的电压URT=10K×
0.1mA=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。
3ATmega16单片机
3.1ATmega16单片机硬件介绍
ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾[15]。
ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU)相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。
这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
ATmega16有如下特点:
16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力,即RWW),512字节EEPROM,1K字节SRAM,32个通用I/O口线,32个通用工作寄存器,用于边界扫描的JTAG接口,支持片内调试与编程,三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断,可编程串USART,有起始条件检测器的通用串行接口,8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,一个SPI串行端口,以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。
工作于空闲模式时CPU停止工作,而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作;
掉电模式时晶体振荡器停止振荡,所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作;
在省电模式下,异步定时器继续运行,允许用户保持一个时间基准,而其余功能模块处于休眠状态;
ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作,以降低ADC转换时的开关噪声;
Standby模
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