基于ATmega8AVR單片機的體溫計設(shè)計

馮義志 史洪惠

（德州科技職業(yè)學(xué)院，山東 禹城 251200）

0 前言

臨床醫(yī)學(xué)中 ,體溫是一個重要的生理參數(shù) ,病人的體溫為醫(yī)生提供了生理狀態(tài)的重要信息。傳統(tǒng)的體溫計主要有兩種,水銀式體溫計和電子式體溫計,是經(jīng)口腔、腋窩、直腸等來測量人體的平均溫度 ,這其中水銀體溫計的缺點是測量時間較長 ,大約10至15分鐘，而且不便于讀數(shù)，這樣耽誤病人的大量時間，降低了醫(yī)生的辦事效率；除此之外水銀溫度計還很容易受到測量位置和環(huán)境溫度的影響,給使用者帶來諸多不便。

近年來，電子式體溫計的到很大的改進和性能改善，在縮短測量時間和消除環(huán)境對體溫的影響方面都有了很大的改進。

由于數(shù)字體溫計的價格比同類型的酒精或水銀溫度計要高很多，所以國內(nèi)多數(shù)家用體溫計仍然為酒精或水銀溫度計，而少數(shù)的數(shù)字體溫計存在著測量精不高、體積大、耗電多等缺點。雖然國外進口的數(shù)字體溫計精度較高，可以達到測溫的精度要求，但是其價格更是不菲。因此設(shè)計一款性價比較高的家用數(shù)字體溫計就顯得十分必要了。

1 設(shè)計方案的選取

1.1 溫度傳感器的選取

溫度傳感器的主要功能是把溫度信號轉(zhuǎn)換為微弱的電信號。因此傳感器的好壞直接影響到測到溫度的準(zhǔn)確程度。常用的溫度傳感器有很多如P-N結(jié)溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器等。P-N結(jié)溫度傳感器易受到電磁場尤其是微波場的影響，盡管在使用過程中對P-N結(jié)進行工藝上的加工，在PN結(jié)溫度傳感器探針部分采用了全屏蔽封裝，但是仍很難避免外磁場對溫度采集的影響，給溫度采集的精確度帶來很大的誤差。所以不適合作為體溫計的溫度采集部分。熱電偶溫度傳感器具有較高的穩(wěn)定性，但是熱-電靈敏度低，約幾十uV/℃,對放大電路要求很高；熱敏電阻在較大測溫范圍內(nèi)非線性比較嚴(yán)重，精度不高。而且人體溫度范圍在+32℃～+42℃之間，在小范圍內(nèi)熱電偶溫度傳感器很不適合，所以熱電偶溫度傳感器不適合采集人體溫度。本設(shè)計選取半導(dǎo)體熱敏電阻溫度傳感器，采集溫度信號。

半導(dǎo)體熱敏電阻具有以下優(yōu)點：（1）電阻溫度系數(shù)絕對值大，因而靈敏度高，測量線路簡單，甚至不用放大器便可輸出幾伏的電壓。（2）體積小、質(zhì)量輕、熱慣性小。（3）本身電阻值大，不需要考慮引線長度帶來的誤差。（4）熱敏電阻產(chǎn)品已系列化，便于設(shè)計選用。（5）工作壽命長，而且價格便宜。因此溫度傳感器選取NTC熱敏電阻溫度傳感器。

1.2 電壓放大模塊選取

放大部分采用AD627精密儀表運算放大器。AD627精密儀表放大器運算放大器具有3V單電源供電，低溫度漂移和高增益等優(yōu)點，比較適合對微弱的精密放大。通過四片AD627組成放大模塊。第一級帶調(diào)零電路并對信號放大五倍，之后跟一級兩倍放大，和一級三倍放大，最后跟一電壓跟隨器，達到提高輸入阻抗的作用。

1.3 單片機控制模塊選取

由于溫度傳感器采集到的溫度—電壓變換，經(jīng)過放大模塊后變?yōu)檩^大的電壓信號，為連續(xù)的模擬信號，所以模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊必須緊跟放大模塊的后面，將連續(xù)的電壓模擬信號變化為離散的能夠被單片機處理的二進制數(shù)。如果選擇AT89S51系列單片機，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊就必須單獨的加在單片機的前端，這樣一方面提高了整個電路的功率損耗，而且模數(shù)轉(zhuǎn)換的參考電壓要求很嚴(yán)格，實現(xiàn)起來很不方便。

經(jīng)過分析后，最終決定選取ATMEL公司的產(chǎn)品ATmega8 AVR單片機，其具有內(nèi)置8位/10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而且可以利用內(nèi)部參考電壓2.56V作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的參考電壓，而且還具有內(nèi)部RC振蕩電路，不需要外加晶振，可以簡化電路。

總上所述分析過程，選擇內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器的ATmega8 AVR單片機作為控制模塊。

2 程序設(shè)計流程

程序的設(shè)計流程如下：首先開始對ATmega8的器件初始化，包括對端口進行初始化，和對A/D初始化；循環(huán)檢測是否按下測溫鍵，如果按下，則進入A/D轉(zhuǎn)換程序，結(jié)果處理程序，如果前一次的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果小于后一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果則將轉(zhuǎn)換結(jié)果儲存到前一次，直到溫度不再升高為止；然后進入溫度判斷程序，如果轉(zhuǎn)換的溫度值比36.0℃低或者比38℃高，將進行報警，如果在正常體溫范圍內(nèi)，則顯示其體溫值。

端口初始化部分：PORTB作為8位輸出口，PORTD高4位和第0位作為輸入口，其中高四位作為動態(tài)顯示的片選信號，第0位作為控制程序順序端。

A/D轉(zhuǎn)換程序部分：ADC寄存器控制字的選擇設(shè)置，ADMWX寄存器設(shè)置為內(nèi)部參考電壓AVcc，外參考引腳AREF外部接電容，選擇通道0，即其控制字ADMWX=0x40;ADC控制和狀態(tài)寄存器ADCSRA，ADEN=“1”，使能 ADC，ADSC 置位為“1”，ADC 開始轉(zhuǎn)換，設(shè)置為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，ADFR=“1”。所以控制和狀態(tài)寄存器ADCSRA=0xe6。

結(jié)果處理程序：由于通過調(diào)零和調(diào)滿以后，溫度的升高導(dǎo)致電壓的線性化的升高，即電壓—溫度系數(shù)為10mV/℃。經(jīng)過二級、三級反相放大后，電壓—溫度系數(shù)變?yōu)闉?0mV/℃。由電壓與ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果之間的關(guān)系可以推導(dǎo)出V=（ADC*Vref）/0x3ff?？梢缘玫綔囟扰c電壓的關(guān)系即：T=（V/60）℃。

3 顯示電路

顯示電路采用即將ATmega8的PORTB端口與共陽極LED的8個引腳對應(yīng)連接并行動態(tài)顯示，將片選信號加在PORTD端口的高四位，通過程序控制其循環(huán)選通共陽極端，使LED循環(huán)顯示所送的數(shù)據(jù)，如果所設(shè)的片選信號的選通頻率為10ms左右，人的眼睛無法分辨出選通點亮的過程所以，人眼看到的顯示就是無閃爍的，也就是看似靜態(tài)的LED在顯示。

動態(tài)顯示可以把LED的8位數(shù)碼管的位顯端連接到一起，然后片選端由單線選通，這樣的連接方式可以節(jié)省大量的端口資源，由于ATmega8的端口資源有限，所以動態(tài)顯示的選擇是十分必要的。

4 硬件調(diào)試過程與結(jié)果分析

硬件組裝和調(diào)試參數(shù)及結(jié)果分析如下：

1）第一級放大電路電路調(diào)零輸出電壓U=0.9uV，調(diào)滿輸出電壓U=1.003V。結(jié)果與理論值基本符合。

2）第二級、第三級反相放大部分調(diào)零輸出電壓為U=5.3uV，在室溫為25℃時的輸出電壓為U=1.43V。放大的電壓值與理論誤差很小，基本達到要求。

3）電壓跟隨器的對應(yīng)輸出電壓調(diào)零輸出電壓為U=5.44uV，在室溫為25℃時的輸出電壓為U=1.47V。顯示結(jié)果基本與原理值相吻合。

4）對ATmega8單片機的燒寫，通過雙龍公司的燒寫軟件，將編譯生成的tiwenji.hex文件通過編程器燒寫到ATmega8芯片中。測試外圍電路，將溫度傳感器貼在身體表面，按下測溫鍵，經(jīng)過30s左右，在LED顯示屏上顯示出人體表溫度36.8℃與水銀體溫計36.7℃基本吻合。說明數(shù)字體溫計的硬件基本成功了。

［1］包秀榮,王楠.AVR單片機的特點及其應(yīng)用內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟[J].2004(6)：51-52.

［2］何立民.MCS51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)配置與接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天出版社,1999.

［3］曲繼圣.數(shù)字測溫電路的差值靈敏度的設(shè)計分析[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2005,6,18(2)：344-346.

［4］張彥兵.半導(dǎo)體溫度傳感器的應(yīng)用研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2005,9,18(3)：660-663.