电子体温计的设计与制作
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。
4.NTC是Negative Temperature Coefficient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。
5.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。
6.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]。
7.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。
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。
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 ysn-264 | 6（T0=0℃） | 3390 |
0~150 | 30(0℃） | 3450 |
50~200 | 3(100℃） | 电动开瓶器3894 |
长效连续捕鼠器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
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+K x 2－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γ，如图2-10中的曲线1和曲线2。
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）放大电路部分提前放电避雷针
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~红薯清洗机32V；
(4)书立低偏置电流：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2-12 LM324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。
（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=0.1 mA，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。
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