体温计原理

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35〜42C，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I

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。

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。

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。

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］。

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。

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〜+800C，主要材料为Mn、Ni、Co、FeCu、Al等，用于温度测量、温度补偿和电流限制等。

图2-8热敏电阻器的电阻一温度特性曲线

热敏电阻的电阻值与温度的关系为⑺：

Ri=R0e-B(1/T0-1/T)

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(25C)

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］。

(2-2)

表2-3热敏电阻R0与常数B的关系

使用温度范围（C）

标准电阻值R0标称常数B

-50~100

6(T0=0C)3390

0~150

30(0C)3450

50~200

3(100C)3894

100~250

0.55(200C)4300

150~300

4(200C)5133

200~350

8(200C)

5559

计算端基线性度误差：

ymaxymin

ymax—ymin-------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你自己的真实的曲线

1—端其拟合直线y=a+Kx2—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Y如图2-10中的曲线1和曲

线2。

Amax100%

(2-3)

式中

Lmax---------最大非线性偏差;

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)，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45C。待热量平衡后，调节RP2,使指针指在45C

上。再加入冷水，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，弓I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)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或最大土16W3

】。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。

管脚连接

(俯视图〉

图2-12LM324的引脚图

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

这是最简单的偏置电路，偏置电流IB自电源VCC(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=(VCGUBE)/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

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=b+IB

当IB=0（将基极开路）时，lE=IC此时电流由集电区穿过基区流入发射区

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，温度传感器和显示屏为辅件，完成

整个电路图的搭建。

二.ATmega16单片机

ATmega16

j扎GK/TD1FBO1JIOZlPAD

JT1)P日1匚

23&口PA1(ADC1J

PS2匚3SB

□PAS谄g打

R日3匚A37

□3A3

(罚|P04匚S36

□PM{ADC4i

PS5匸635□PAS:ADC5>

iMISO}P0O匸?酣

TlPM

(SCKjPB7匚S33

□PM^ADC7>

RESETr$32

二AREF

VCC匸1031二刖D

（2-5）

[12]

。上图中

IE=（1.2-0.7）/4.3K=0.1mA

所以，IC=0.1mA，而热敏电阻两端的电压

（2-6）

URT=10KX0.1mA=1V,然后再将热敏电阻

1602LCD液晶

tA

GND匚

It30

□JWCC

XJAL2匚

T229

□PG7(TOSC2)

KTAL1匚

1328JPCflro11

LRXDiFD口匚

M27

□PCSCTDIi

(TXD)PD1匚

1526

□PCJCTDO)

(IMTO)PD2匚1425□PC3(IMS)

(IMT1)PD3匚1724□PC2(TCK)

QC咗FD4匚

IB23

□PCI(SDA』

■：：OCMi

1922□PCO(GCL}

(ICPIIPDA匚3C21□PD7(OC2}

图3-1ATmega16引脚图

引脚功能

VCC:电源正

GND:电源地

端口A(PA7..PA0):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，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。

端口B(PB7..PB0):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也可以用做其他不同的特殊功能。

端口C(PC7..PC0):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(TDI)、P

C3(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(PD7..PD0):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，该引脚应直接与V

CC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JXD1602

LCD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LCDb还有一点就是由于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]

。

4.2.21602LCD的指令说明及时序

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

I234I5789tc11Li21/:b

<(/)

s

<

n

石

0

€

I1n

g

Dcd

ru

-

—

GJ

1'tG

4

ntu

ntnu

7

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R&EL5511.0

LED

9.5

15D

、v-y.

H1-60am

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□曲

rmn

z匚

□□□

口

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□mm□

1•川十二”-'J-

9□O□e?CGD4Z'C'»Q

433接口说明

表4-21602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

9D2DataI/O

2VDD

电源正极

10D3DataI/O

3VL

液晶显示偏压信号

11D4DataI/O

4RS

数据/命令选择端(H/L)

12D5DataI/O

5R/W

读/写选择端(H/L)

13D6DataI/O

6

E

使能信号

14D7DataI/O

7D0DataI/O15BLA

背光源正极

8D1DataI/O16BLK

背光源负极

表4-31602液晶模块内部的控制器的11条控制指令

序号指令

RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0

1

清显示

000000000

r1

2

光标返回

000000001

*

3

置输入模式

00000001

I/DS

4

工J显示开/

关

0000001DCB

设置

5

光标或字

000001

S/R/L

**

符移位

C

6

置功能

00001

DLNF

**

7

置字符发

0001

字符发生存储器地址

生存储器地

址

8

置数据存

001

显示数据存储器地址

储器地址

9

读忙标志

01BF

计数器地址

或地址

10

写数到

10

要写的数据内容

CGRAM或

DDRAM

11

从CGRAM

11

读出的数据内容

或DDRAM

读数

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、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。

⑴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。

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。

图5-2AD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。

图5-3显示子程序流程图