能快速测温的体温计.doc

题目三：能快速测温的体温计
设计要求：能够方便婴幼儿使用，价格合适的快速体温计。测温时间小于30s，误差小于±2℃。
题目分析：题目首先给我们的要求是能够方便婴幼儿使用，这要求我们在选择设计方案时要考虑体温计的适用人群。这就给我们的设计在材料，测量方式上提出了要求，其次是温度计的测量时间和测量精度的要求，这在我们选择实现方案时同样需要重点考虑。
和前面一道题一样，我们首先给出系统的基本实现框图如下：

对于温度检测部分我们通过查阅资料总结出以下几个方案：
方案一 采用热电偶, 热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成。热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压, 便可推断出检测结点的温度。热电偶的优点是工作温度范围非常宽, 且体积小。但是, 它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点。
方案二 采用NTC，热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的, 是低成本温度传感器, 是线性最差的温度传感器, 通常将两个热敏电阻组合起来使用, 以使输出具有较好的线性。热敏电阻可靠性差、测量精度准确度低, 且必须经过专门的接口电路转换成数字信号后才能由微处理器进行处理。普通的热敏电阻可在有限的工作温度范围内呈现出上佳的稳定性、而在较宽的温度范围内工作时则表现出中等水平的稳定性。
方案三 采用单线数字温度传感器。例如DS18B20，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点, 特别适合于构成多点温度测控系统, 可直接将温度转化成串行数字信号进行处理, 而且每片DS18B20都有唯一的产品号并可存入其ROM中, 以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个这样的芯片。从DS18B20芯片读出或写入信息仅需一根端口线, 其读写及温度变换功率来源于数据总线, 该总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电, 而无需额外电源。此外DS18B20还能够提供9位温度读数。
方案四 采用红外温度传感器。红外传感器是红外体温计的关键部件，它是由温差热电堆和热敏电阻两部分构成的。热电堆是用半导体集成电路工艺和微机械子工艺制造的，它可以等效为多个热电偶串联组成的。而热电偶是由两种电子密度不同的导体相连接组成的。热电偶有冷热两个端点。在测量物体温度时，热端与被测物体接触，冷端与测量仪表接触。热电偶的同种导体上会因为存在温度剃度而产生一种电动势，两种金属的连接处会因为电子密度差而产生另一种电动势，所以在热电偶的两端会产生温差电动势在红外传感器热电堆的热端贴有热量吸收器，它用来吸收被测物体辐射的红外线并转化为热能。通过热电堆把辐射红外线的功率转化为电信号进行测量。
对于数据处理部分，我们有这样两种方案：如果温度检测部分能够直接输出数字量，我们就将其直接接到单片机上进行数据处理；如果温度检测部分的输出量是模拟量，我们就必须进行信号的放大，滤波，然后进行模数转换后送到单片机里进行处理。
对于最后的LCD显示模块，由于系统最终的显示结果仅仅是数字，那么我们着重考虑的就是成本问题了。
方案比较以及最后方案的确定：
从温度检测的四个方案来看，我们可以将体温计分成接触式和非接触式，显然使用前三种方法来检测的体温计是接触式的，它们必须与人体的某些部位接触才能比较准确的测量出人体的体温，但是题目要求方便婴幼儿使用，为了省去在选材方面的麻烦我们在温度检测方面使用第四种方案，也就是红外温度传感器检测温度，这是一种非接触式的温度检测方法，这种方案非常符合题目方便婴幼儿使用的要求，而且成本较前三种方案也没有明显的偏高。而在数据处理方面，由于温度传感器输出的都是模拟量，我们需要进行一定的信号放大，滤波以及模数转换，再考虑到体温计需要的测量范围并不是很宽，温度传感器的测量精度完全能符合要求，我们采用PerklinElmer Optoelectronics的TPS334红外传感器，此红外传感器有两路输出，分别是热电堆输出端和热敏电阻输出端，两个端口输出的都是电压信号，其中热电堆输出端的电压信号反应热电偶冷热两端的温度差，也就是被测物体与热电堆冷端温度差，热敏电阻输出端的电信号反应的是环境温度，也就是热电堆冷端温度差，我们将这两路电信号送到ADC中，然后送到单片机中，经单片机查表分别得出热电堆的两端温差和环境温度，将两值相加就得到了物体真实的温度，然后我们把结果通过LED输出。ADC我们选用CIRRUS LOGIC公司生产的CS5521/23，它是一款16位高精度串行A/D芯片。该芯片内集成了一个仪表放大器、一个可编程增益放大器、多路开关、数字滤波器、自校正和系统校正电路。通过简单的串行连接，CS5521/23便可放方便地由MCU控制，以实现多通道高精度的A/D转换，而且价格低廉，节省了设计成本。单片机我们选用的是TI公司生产的MSP430系列单片机。MSP430 系列是一个 16 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，具有 Flash 存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。具有丰富的寻址方式（ 7 种源操作数寻址、 4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用 6us 。
经数字化的温度信号，送到单片机进行查表处理。对于红外体温计，其对温度的刻度要求就会降低，因为它的测量范围只是很小的一段，从36℃～42℃这么小的范围内，就不需要复杂公式进行计算或刻度。只需要把传感器的输出电压看为是人体与环境的温差函数而不考虑被测物体和环境的具体温度值。通过单片机查表就可以得知被测物体与环境的温度差，再与热敏电阻测得的环境温度相加就可以得出被测物体的温度。这就是单片机处理数据的基本算法