夜用電子體溫計的設(shè)計

1、燕山大學(xué)傳感器原理與設(shè)計課程設(shè)計說明書題目： 夜用電子體溫警示計的設(shè)計學(xué)院（系）： 年級專業(yè)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 摘要我們傳感器原理與應(yīng)用課程設(shè)計的課題是夜用電子體溫計，即設(shè)計匹配電路對人體溫度進(jìn)行采樣、轉(zhuǎn)化與顯示。根據(jù)課設(shè)任務(wù)書，選用熱敏電阻傳感器對體溫進(jìn)行采樣，然后轉(zhuǎn)化為電路電壓的改變，并最終實現(xiàn)代表不同體溫高低的led燈的亮滅。因此，可將匹配電路分為三個主要部分：傳感器檢測部分、電信號比較部分、燈光顯示部分。通過查閱資料，用mf51負(fù)溫度系數(shù)傳感器完成溫度的測量，將測量溫度的模擬量通過電路轉(zhuǎn)化為電壓的值。溫度引起電路采樣點電壓的變化，然后經(jīng)過電路中的電壓跟隨器及電壓比較

2、器，實現(xiàn)相應(yīng)溫度引起相應(yīng)顏色led燈點亮，實現(xiàn)快速、方便的讀取溫度。根據(jù)設(shè)計的電路建立仿真電路，通過multisim軟件進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果顯示，該電路誤差在0.1以內(nèi)。該夜用電子體溫計測溫電路精確度高，測溫時間短，是一個智能化的電子體溫計。該裝置制作成本低廉、外型輕巧,適宜普及推廣，是一種非常適合家庭和醫(yī)院病房使用的體溫警示計。關(guān)鍵詞：熱敏傳感器運(yùn)算放大器multisim仿真電路目錄摘要1目錄2一、 夜用電子體溫計31. 研究意義32. 研究現(xiàn)狀33. 設(shè)計思路4二、 硬件電路設(shè)計51. 熱敏傳感器的選擇52. 設(shè)計匹配電路62.1 運(yùn)放器的選擇62.2 固定電阻的確定7三、 仿真驗證及結(jié)果分

3、析91. 仿真電路的建立92. 仿真結(jié)果分析9四、 設(shè)計總結(jié)及體會11參考文獻(xiàn)：11附錄：121、 夜用電子體溫計1. 研究意義人體溫度是衡量人體狀況的一項重要指標(biāo)，對人體溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，可有效對一些疾病進(jìn)行預(yù)斷，進(jìn)而及時就診?，F(xiàn)在使用較為廣泛的體溫計一般分有三種：水銀體溫計，電子體溫計，紅外線體溫計。水銀體溫計測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好，但是響應(yīng)太慢，一般需要5min左右的時間。電子體溫計采用高精度傳感器和微電腦技術(shù)，能夠快速、準(zhǔn)確、方便地測出人體的溫度，并且無傳統(tǒng)水銀式溫度計的容易破碎、水銀污染環(huán)境與不易讀數(shù)的問題。激光體溫計具有使用方便，測溫快速的優(yōu)點，但一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。因此電子體溫警

4、示計非常適宜普及推廣，而簡單、快速、方便的夜用電子體溫計，更是適合家庭、醫(yī)院病房使用。設(shè)計具有優(yōu)良性能，經(jīng)濟(jì)實用的夜用電子體溫計以迎合市場及社會需求。2. 研究現(xiàn)狀電子體溫計利用某些物質(zhì)的物理參數(shù)，如電阻、電壓、電流等，與環(huán)境溫度之間存在的確定關(guān)系，將體溫以數(shù)字的形式顯示出來。其最核心的元件就是感知溫度的溫度傳感器， 利用溫度傳感器輸出電信號，直接輸出數(shù)字信號或者再將電流信號轉(zhuǎn)換成能夠被內(nèi)部集成的電路識別的數(shù)字信號，然后通過顯示器以數(shù)字形式顯示溫度大小。目前，市場上夜用電子體溫警示計都采用液晶屏顯示，部分帶有蜂鳴器。其優(yōu)點是準(zhǔn)確度高，測量迅速，且攜帶及讀數(shù)方便。另外能夠記錄、讀取被測溫度的最高

5、值。但是測量穩(wěn)定性相對于玻璃體溫計稍差，在使用方便，快速及安全方面也不及紅外線電子體溫計。其典型產(chǎn)品如：1 外資品牌的歐姆龍電子體溫計。歐姆龍（omron）電子體溫計具有記憶功能，便于體溫的管理。使用時只需簡單按下電源開關(guān)，就可測量。溫度值采用大屏幕液晶顯示，數(shù)值一目了然。測量完成后有蜂鳴提示，不用自己刻意去注意時間。而且它還具備記憶功能，可以記憶前次測量值，便于體溫測量值的比較。 圖 1歐姆龍電子體溫計圖 2倍爾康非接觸式電子體溫計2 國內(nèi)品牌的倍爾康（berrcom）電子體溫計。倍爾康非接觸式電子體溫計系列屬于紅外線電子體溫計，其使用非常簡單，測溫準(zhǔn)確快速，無鐳射點。其不須接觸測溫，免除傳

6、染性，可排查流感。由于電子行業(yè)逐步規(guī)范和新一輪電子體溫計產(chǎn)品消費熱潮的興起，2009年以后，電子體溫計產(chǎn)品行業(yè)進(jìn)入了一個前所未有的高速發(fā)展時期，市場的快速發(fā)展孕育著巨大的商機(jī)。3. 設(shè)計思路根據(jù)設(shè)計要求，夜里無需開燈即可了解體溫是否正常、是何種程度的異常、是否需要就診等的體溫顯示裝置。因此在基本的溫度檢測之后，可設(shè)計信號比較部分，對測量的溫度進(jìn)行分級處理，以采用不同顏色led燈顯示即可。根據(jù)該電子體溫計的測溫原理，可將電路分為：傳感器檢測部分、電信號比較部分、燈光顯示部分。具體實現(xiàn)過程是：熱敏傳感器對人體溫度進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換，即將人體溫度引起的熱敏電阻阻值的變化，轉(zhuǎn)換為電路中的電信號的過程，該電信

7、號可以是電壓或電流?？紤]到電路準(zhǔn)確度，可在電信號部分加上電信號跟隨器，以保證對原電路不產(chǎn)生影響，然后經(jīng)電信號比較部分單路開通相應(yīng)led燈支路。人體溫度一般在35到42之間變化，考慮到夜間電子體溫計只需大致顯示體溫所處程度，我們可將體溫分為5種程度：體溫過低（低于36）、體溫正常（3637）、低熱（3738）、中度熱（3839）和高熱（39以上）。以上五段可用五種顏色的led燈區(qū)分，比如分別為：藍(lán)、綠、黃、橙、紅。其電路工作流程如下：傳感器檢測藍(lán)電信號比較綠黃橙紅（電信號跟隨器）單路開通設(shè)計電路流程圖一個電壓跟隨器，六個電壓比較器組成的運(yùn)算放大電路部分，都必須通過事先計算好各參數(shù)值選擇元器件。&

8、#160;還需要選擇規(guī)定大小的電源，型號性能相近的固定電阻，以及合理連線等。2、 硬件電路設(shè)計1. 熱敏傳感器的選擇溫度傳感器即是能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。熱電偶是最簡單和最通用的溫度傳感器，但熱電偶并不適合高精度的的測量和應(yīng)用。熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料， 非常適合需要進(jìn)行快速和靈敏溫度測量的電流控制應(yīng)用 。其優(yōu)點比如有：1 溫度系數(shù)大，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，體積?。? 其電阻率高，熱慣性小，因此溫度響應(yīng)速度快，適合于動態(tài)測量；3 測量線路簡單，有些不用放大器就可輸出幾伏電壓，并對外界干

9、擾抵抗力強(qiáng)。熱敏電阻的種類很多，按熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系這一重要特性可分為：正溫度系數(shù)熱敏電阻器（ptc），負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（ntc），突變型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（ctr)。其電阻-溫度特性曲線如下：1234鉑絲4060120160010101102103104105106rt/溫度t/ºc1ntc2ctr3-4 ptca-b因人體溫度一般在35到42之間變化，則所需傳感器在溫度在35到42變化范圍之間有較準(zhǔn)確的測量精度，并且考慮電路設(shè)計要求簡單，我們選用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（ntc），并確定可用測溫范圍為-50+300的中溫型號。mf51是非常適合的一種負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器，

10、體積小、測試精度高、反應(yīng)速度快、一致性、互換性好并可在高溫高濕等惡劣環(huán)境下使用。并且一般靈敏度在幾百度每攝氏度，測量時引線電阻的影響小。其電阻器的阻值隨溫度變化的關(guān)系為：（1-1）：為熱敏電阻在溫度t時的阻值；：為熱敏電阻在溫度 時的阻值（將t0設(shè)定在298.15k（25）；：熱敏電阻的材料系數(shù)（常數(shù)b可查表得出）。這里我們選用市場上常見的標(biāo)稱值為50k的mf51，查閱相關(guān)資料可知其材料系數(shù)b為：3950k。2. 設(shè)計匹配電路根據(jù)前文所述的設(shè)計思路，可以將設(shè)計電路分為：傳感器檢測部分、電壓比較部分、燈光顯示部分。傳感器檢測部分我們選用標(biāo)稱值為50k的mf51，電壓比較部分由運(yùn)算放大器組成，燈光

11、顯示部分用藍(lán)、綠、黃、橙、紅五種顏色的led顯示。其實現(xiàn)電路如下：圖 3設(shè)計電路其基本原理是，熱敏傳感器與固定電阻組成采樣電路，電阻分壓隨溫度變化而變化，然后由電壓跟隨器得到穩(wěn)定的采樣電壓值。電壓比較部分由六個電壓比較器組成，將采樣電壓與不同參考電壓作比較，進(jìn)而實現(xiàn)各個運(yùn)放器下的led燈的亮滅。燈光顯示部分由五個led燈構(gòu)成。當(dāng)體溫低于36時，跟隨器電壓v1大于參考電壓v2，則u1a比較器的同相輸入端電壓高于反相輸入端電壓，輸出端電壓為正飽和電壓。其他比較器輸出電壓為零，所以只有第1只led（藍(lán)）燈亮，示意體溫過低。當(dāng)體溫在3637之間時，電壓關(guān)系應(yīng)是v2>v1>v3，分析比較器輸

12、出端電壓，只有第2只led（綠）燈亮，示意體溫正常。當(dāng)體溫在3738之間時，電壓關(guān)系是v3>v1>v4，只有第3只led（黃）燈亮，示意體溫低熱。當(dāng)體溫在3839之間時，對應(yīng)電壓v4>v1>v5，只有第4只led（橙）燈亮，示意體溫中度發(fā)熱。當(dāng)體溫在39以上時v1<v5，只有第5只led（紅）燈亮，警示體溫處于高熱。2.1 運(yùn)放器的選擇運(yùn)放器的選擇包括電壓跟隨器及電壓比較器的選擇。電壓跟隨器起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用，可對熱敏電阻電壓進(jìn)行采樣，同時又不對原電路產(chǎn)生影響。電壓比較器與led燈相連，實現(xiàn)在不同參考電壓下，開通相應(yīng)顯示支路。如下圖所示，v0值等于v

13、1值，v1與v2v5的大小關(guān)系，決定led燈輸入端的高、低電平。一般來說所有的運(yùn)算放大器都可以用作電壓跟隨器，只要將運(yùn)算放大器的反相輸入端與輸出端短接，即可組成簡單電壓跟隨器。因此，可以選用通用型運(yùn)算放大器，這類器件的主要特點是價格低廉、產(chǎn)品量大面廣，其性能指標(biāo)也可滿足要求。另外，因體溫計要求很好的測溫精度，所以可以選用可靠性較高的lm358運(yùn)算放大器。將其反相輸入端與輸出端短接，形成簡單電壓跟隨器。查閱資料了解到，lm339是專業(yè)的電壓比較器。切換速度快，延遲時間小，可用在專門的電壓比較場合，在弱信號檢測等場合是比較理想的，并且各比較器的輸出端允許連接在一起使用。集成塊采用c-14型封裝，使

14、用靈活，應(yīng)用廣泛。lm339電壓比較器的特點如下：1 失調(diào)電壓小，典型值為2mv；2 電源電壓范圍寬，單電源為2-36v，雙電源電壓為±1v-±18v；3 對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬；4 共模范圍很大；5 差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；6 輸出端電位可靈活方便地選用。2.2 固定電阻的確定熱敏電阻我們選用市場上標(biāo)稱值為50k的mf51，查閱相關(guān)資料可知其材料系數(shù)b為：3950k。根據(jù)熱敏電阻的電阻值與溫度的關(guān)系：（2-1）可求得該熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系如下表（詳表見附錄）：r0/kt/kt/r0/kt/kt/32.528308.1535.027.600312

15、.1539.031.859308.6535.527.047312.6539.531.207309.1536.026.507313.1540.030.569309.6536.525.980313.6540.529.947310.1537.025.464314.1541.029.339310.6537.524.960314.6541.528.746311.1538.024.468315.1542.028.166311.6538.523.987315.6542.5表格 1mf51阻值-溫度特性關(guān)系設(shè)置電路主路固定電阻r1為30k，則電壓跟隨器的輸出電壓與溫度的關(guān)系為：（2-2）設(shè)定電路電源電壓為6v

16、，則可得出不同溫度下的采樣電壓v1的大?。ㄔ敱硪姼戒洠簉0/kt/v0/vr0/kt/v0/v32.52835.03.127.60039.02.931.85935.53.127.04739.52.831.20736.03.126.50740.02.830.56936.53.025.98040.52.829.94737.03.025.46441.02.829.33937.53.024.96041.52.728.74638.02.924.46842.02.728.16638.52.923.98742.52.7表格 2電路溫度-電壓特性關(guān)系因此，根據(jù)設(shè)計電路要求，可計算出參考電壓電路中各電阻阻值。

17、另外，為保證電路穩(wěn)定，應(yīng)適量減小電路電流，因此不妨確定r2的阻值為10k，然后可進(jìn)一步計算出參考電壓電路中的其他相應(yīng)阻值，r3,r4，r5電阻在200左右?？紤]到制作工藝的要求，則led燈部分的串聯(lián)電阻r7r11的阻值可定為200。另外將電阻進(jìn)行取整處理，及查找被普遍使用的阻值電阻，其最終確定阻值為：電阻r1r2r3r4r5r6r7r11阻值30k10k2002002009.76k200表格 3電路各電阻的阻值3、 仿真驗證及結(jié)果分析1. 仿真電路的建立根據(jù)前文的電路設(shè)計以及原件參數(shù)，可得出如下仿真電路：圖 4建立的仿真電路仿真電路中，熱敏傳感器用滑動變阻器代替，改變其阻值即可觀察電路的效果。

18、經(jīng)測量，仿真電路的參考電壓值分別是：v2=3.05v，v3=2.99v，v4=2.93v，v5=2.88v。通過電路仿真，當(dāng)改變滑動變阻器阻值時，電壓跟隨器輸出電壓也相應(yīng)改變。實際仿真結(jié)果顯示，滑動變阻器在一定變化范圍內(nèi)，五只led燈依次亮起與熄滅，即滿足設(shè)計要求。2. 仿真結(jié)果分析為避免誤報體溫延誤治療或者引起不必要的恐慌，夜用電子體溫警示計必須對溫度有精確的測量。為驗證電路的準(zhǔn)確度，我們以0.1為步長作為輸入量，并記錄驗證結(jié)果，其結(jié)果如下表：（詳表見附錄）溫度t熱敏電阻阻值r0跟隨電壓vled燈35.90 31.34 3.07 藍(lán)36.00 31.21 3.06 藍(lán)36.10 31.08

19、3.05 綠36.20 30.95 3.05 綠36.90 30.07 3.00 綠37.00 29.95 3.00 綠37.10 29.82 2.99 黃37.20 29.70 2.99 黃37.90 28.86 2.94 黃38.00 28.75 2.94 黃38.10 28.63 2.93 橙38.20 28.51 2.92 橙38.80 27.83 2.89 橙38.90 27.71 2.88 橙39.00 27.60 2.88 39.10 27.49 2.87 紅39.20 27.38 2.86 紅表格 4仿真結(jié)果分析驗證結(jié)果顯示，在理論情況下，該電路的效果是比較好的，誤差在 0.1

20、左右。誤差產(chǎn)生原因可能是，電阻r2r6為接近實際而選用軟件內(nèi)已有阻值。因此，為保證產(chǎn)品的靈敏度與準(zhǔn)確度，除了加強(qiáng)各元件的精度，還應(yīng)該設(shè)計合理的電阻大小，電阻比例等。另外，熱敏電阻器的分壓v0和跟隨器輸出電壓v1必須同步變化，不受溫度影響。各固定電阻的材料型號要盡量相同，這樣它們隨溫度發(fā)生的變化一致，且成比例，即可提高測量精度。集成運(yùn)放電路選用性能穩(wěn)定的運(yùn)放器，可加強(qiáng)抗干擾性等?？傊?，要得到高精度的夜用電子體溫計，必須考慮各個基礎(chǔ)元件的性能，掌握其受環(huán)境影響的變化規(guī)律。熱敏電阻器的標(biāo)定實際是一個高精度的內(nèi)插問題，傳感器接入儀表不可避免會使電路產(chǎn)生熱電勢，另外，自熱效應(yīng)、引線電阻、噪聲和分辨力的影

21、響等，這些都是高精度溫度測量中應(yīng)該考慮的問題。4、 設(shè)計總結(jié)及體會夜用電子體溫計是一種適合家庭和醫(yī)院病房使用的體溫警示計。其測量迅速，讀數(shù)方便，夜里無需開燈即可了解體溫是否異常。并且該裝置制作成本低廉、外型輕巧,適宜普及推廣。通過此次夜用電子體溫計的設(shè)計，不僅鞏固了傳感器的理論知識，也了解掌握了multisim仿真軟件的使用。真正讓我們意識到，理論與實際存在很大差距。理論聯(lián)系實際，才會有實際進(jìn)步，學(xué)以致用，才是最終目標(biāo)。另外，五天的課題研究是以小組形式進(jìn)行的，組員之間交流與合作，是我們更加認(rèn)識到團(tuán)隊的強(qiáng)大作用?？傊?，這次課程設(shè)計收獲頗多，不僅熟練掌握了相關(guān)知識的運(yùn)用，更了解了團(tuán)隊的力量。這是一

22、次理論與實踐的結(jié)合，讓我明白理論知識對實際操作的重要性，實際操作過程也利于更好的學(xué)習(xí)理論知識，才有可能做出更好的成績。這就是我們在這次設(shè)計中的最大收獲。參考文獻(xiàn)：1楊小玲.熱敏電阻分壓測溫電路的最佳參數(shù)設(shè)計db/ol.2劉愛華.夜用電子體溫警示計的設(shè)計db/ol.3百度文庫.負(fù)溫度系數(shù) ntc 熱敏電阻-溫度傳感器技術(shù)參數(shù)詳解與選型附錄：一、熱敏電阻的溫度-阻值-電壓對應(yīng)關(guān)系表：（b=3950k，r=50k/25，e=6v，r1=30k）電阻值r0電壓v溫度t電阻值r0電壓v溫度t32.5283.12 35.028.0522.90 38.632.3933.12 35.127.9382.89 3

23、8.732.2583.11 35.227.8252.89 38.832.1253.10 35.327.7132.88 38.931.9923.10 35.427.6002.88 39.031.8593.09 35.527.4892.87 39.131.7273.08 35.627.3782.86 39.231.5963.08 35.727.2672.86 39.331.4663.07 35.827.1572.85 39.431.3363.07 35.927.0472.84 39.531.2073.06 36.026.9382.84 39.631.0783.05 36.126.8302.83 3

24、9.730.9503.05 36.226.7222.83 39.830.8223.04 36.326.6142.82 39.930.6963.03 36.426.5072.81 40.030.5693.03 36.526.4012.81 40.130.4443.02 36.626.2952.80 40.230.3193.02 36.726.1892.80 40.330.1943.01 36.826.0842.79 40.430.0703.00 36.925.9802.78 40.529.9473.00 37.025.8762.78 40.629.8242.99 37.125.7722.77 40.729.7022.99 37.225.6692.77 40.829.5812.98 37.325.5662.76 40.929.4602.97 37.425.4642.75 41.029.3392.97 37.525.3622.75 41.129.2202.96 37.625.2612.74 41.229.1002.95 37.725.1602.74 41.328.9822.95 37.825.0602.73 41.428.8642.94 37.924.9602.72 41.528.7462.94 38.024.8612.72 41.628