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1、燕山大学传感器原理与设计课程设计说明书题目： 夜用电子体温警示计的设计学院（系）： 年级专业： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 摘要我们传感器原理与应用课程设计的课题是夜用电子体温计，即设计匹配电路对人体温度进行采样、转化与显示。根据课设任务书，选用热敏电阻传感器对体温进行采样，然后转化为电路电压的改变，并最终实现代表不同体温高低的LED灯的亮灭。因此，可将匹配电路分为三个主要部分：传感器检测部分、电信号比较部分、灯光显示部分。通过查阅资料，用MF51负温度系数传感器完成温度的测量，将测量温度的模拟量通过电路转化为电压的值。温度引起电路采样点电压的变化，然后经过电路中的电压跟随器及电压比较
2、器，实现相应温度引起相应颜色LED灯点亮，实现快速、方便的读取温度。根据设计的电路建立仿真电路，通过Multisim软件进行仿真。仿真结果显示，该电路误差在0.1以内。该夜用电子体温计测温电路精确度高，测温时间短，是一个智能化的电子体温计。该装置制作成本低廉、外型轻巧,适宜普及推广，是一种非常适合家庭和医院病房使用的体温警示计。关键词：热敏传感器运算放大器Multisim仿真电路目录摘要1目录2一、 夜用电子体温计31. 研究意义32. 研究现状33. 设计思路4二、 硬件电路设计51. 热敏传感器的选择52. 设计匹配电路62.1 运放器的选择62.2 固定电阻的确定7三、 仿真验证及结果分
3、析91. 仿真电路的建立92. 仿真结果分析9四、 设计总结及体会11参考文献：11附录：121、 夜用电子体温计1. 研究意义人体温度是衡量人体状况的一项重要指标，对人体温度进行实时监测，可有效对一些疾病进行预断，进而及时就诊。现在使用较为广泛的体温计一般分有三种：水银体温计，电子体温计，红外线体温计。水银体温计测量准确、稳定性好，但是响应太慢，一般需要5min左右的时间。电子体温计采用高精度传感器和微电脑技术，能够快速、准确、方便地测出人体的温度，并且无传统水银式温度计的容易破碎、水银污染环境与不易读数的问题。激光体温计具有使用方便，测温快速的优点，但一般结构复杂，成本较高。因此电子体温警
4、示计非常适宜普及推广，而简单、快速、方便的夜用电子体温计，更是适合家庭、医院病房使用。设计具有优良性能，经济实用的夜用电子体温计以迎合市场及社会需求。2. 研究现状电子体温计利用某些物质的物理参数，如电阻、电压、电流等，与环境温度之间存在的确定关系，将体温以数字的形式显示出来。其最核心的元件就是感知温度的温度传感器， 利用温度传感器输出电信号，直接输出数字信号或者再将电流信号转换成能够被内部集成的电路识别的数字信号，然后通过显示器以数字形式显示温度大小。目前，市场上夜用电子体温警示计都采用液晶屏显示，部分带有蜂鸣器。其优点是准确度高，测量迅速，且携带及读数方便。另外能够记录、读取被测温度的最高
5、值。但是测量稳定性相对于玻璃体温计稍差，在使用方便，快速及安全方面也不及红外线电子体温计。其典型产品如：1 外资品牌的欧姆龙电子体温计。欧姆龙（OMRON）电子体温计具有记忆功能，便于体温的管理。使用时只需简单按下电源开关，就可测量。温度值采用大屏幕液晶显示，数值一目了然。测量完成后有蜂鸣提示，不用自己刻意去注意时间。而且它还具备记忆功能，可以记忆前次测量值，便于体温测量值的比较。 图 1欧姆龙电子体温计图 2倍尔康非接触式电子体温计2 国内品牌的倍尔康（Berrcom）电子体温计。倍尔康非接触式电子体温计系列属于红外线电子体温计，其使用非常简单，测温准确快速，无镭射点。其不须接触测温，免除传
6、染性，可排查流感。由于电子行业逐步规范和新一轮电子体温计产品消费热潮的兴起，2009年以后，电子体温计产品行业进入了一个前所未有的高速发展时期，市场的快速发展孕育着巨大的商机。3. 设计思路根据设计要求，夜里无需开灯即可了解体温是否正常、是何种程度的异常、是否需要就诊等的体温显示装置。因此在基本的温度检测之后，可设计信号比较部分，对测量的温度进行分级处理，以采用不同颜色LED灯显示即可。根据该电子体温计的测温原理，可将电路分为：传感器检测部分、电信号比较部分、灯光显示部分。具体实现过程是：热敏传感器对人体温度进行采样转换，即将人体温度引起的热敏电阻阻值的变化，转换为电路中的电信号的过程，该电信
7、号可以是电压或电流。考虑到电路准确度，可在电信号部分加上电信号跟随器，以保证对原电路不产生影响，然后经电信号比较部分单路开通相应LED灯支路。人体温度一般在35到42之间变化，考虑到夜间电子体温计只需大致显示体温所处程度，我们可将体温分为5种程度：体温过低（低于36）、体温正常（3637）、低热（3738）、中度热（3839）和高热（39以上）。以上五段可用五种颜色的LED灯区分，比如分别为：蓝、绿、黄、橙、红。其电路工作流程如下：传感器检测蓝电信号比较绿黄橙红（电信号跟随器）单路开通设计电路流程图一个电压跟随器，六个电压比较器组成的运算放大电路部分，都必须通过事先计算好各参数值选择元器件。还
8、需要选择规定大小的电源，型号性能相近的固定电阻，以及合理连线等。2、 硬件电路设计1. 热敏传感器的选择温度传感器即是能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。热电偶是最简单和最通用的温度传感器，但热电偶并不适合高精度的的测量和应用。热敏电阻是用半导体材料， 非常适合需要进行快速和灵敏温度测量的电流控制应用 。其优点比如有：1 温度系数大，灵敏度高，结构简单，体积小；2 其电阻率高，热惯性小，因此温度响应速度快，适合于动态测量；3 测量线路简单，有些不用放大器就可输出几伏电压，并对外界干扰抵抗力强。
9、热敏电阻的种类很多，按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可分为：正温度系数热敏电阻器（PTC），负温度系数热敏电阻器（NTC），突变型负温度系数热敏电阻器（CTR)。其电阻-温度特性曲线如下：1234铂丝4060120160010101102103104105106RT/温度T/C1NTC2CTR3-4 PTCA-B因人体温度一般在35到42之间变化，则所需传感器在温度在35到42变化范围之间有较准确的测量精度，并且考虑电路设计要求简单，我们选用负温度系数热敏电阻器（NTC），并确定可用测温范围为-50+300的中温型号。MF51是非常适合的一种负温度系数热敏电阻器，体积小、测试精度高、反应
10、速度快、一致性、互换性好并可在高温高湿等恶劣环境下使用。并且一般灵敏度在几百度每摄氏度，测量时引线电阻的影响小。其电阻器的阻值随温度变化的关系为：（1-1）：为热敏电阻在温度T时的阻值；：为热敏电阻在温度 时的阻值（将T0设定在298.15K（25）；：热敏电阻的材料系数（常数B可查表得出）。这里我们选用市场上常见的标称值为50k的MF51，查阅相关资料可知其材料系数B为：3950k。2. 设计匹配电路根据前文所述的设计思路，可以将设计电路分为：传感器检测部分、电压比较部分、灯光显示部分。传感器检测部分我们选用标称值为50k的MF51，电压比较部分由运算放大器组成，灯光显示部分用蓝、绿、黄、橙
11、、红五种颜色的LED显示。其实现电路如下：图 3设计电路其基本原理是，热敏传感器与固定电阻组成采样电路，电阻分压随温度变化而变化，然后由电压跟随器得到稳定的采样电压值。电压比较部分由六个电压比较器组成，将采样电压与不同参考电压作比较，进而实现各个运放器下的LED灯的亮灭。灯光显示部分由五个LED灯构成。当体温低于36时，跟随器电压V1大于参考电压V2，则U1A比较器的同相输入端电压高于反相输入端电压，输出端电压为正饱和电压。其他比较器输出电压为零，所以只有第1只LED（蓝）灯亮，示意体温过低。当体温在3637之间时，电压关系应是V2V1V3，分析比较器输出端电压，只有第2只LED（绿）灯亮，示
12、意体温正常。当体温在3738之间时，电压关系是V3V1V4，只有第3只LED（黄）灯亮，示意体温低热。当体温在3839之间时，对应电压V4V1V5，只有第4只LED（橙）灯亮，示意体温中度发热。当体温在39以上时V1V5，只有第5只LED（红）灯亮，警示体温处于高热。2.1 运放器的选择运放器的选择包括电压跟随器及电压比较器的选择。电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用，可对热敏电阻电压进行采样，同时又不对原电路产生影响。电压比较器与LED灯相连，实现在不同参考电压下，开通相应显示支路。如下图所示，V0值等于V1值，V1与V2V5的大小关系，决定LED灯输入端的高、低电平。一般来说所有的运
13、算放大器都可以用作电压跟随器，只要将运算放大器的反相输入端与输出端短接，即可组成简单电压跟随器。因此，可以选用通用型运算放大器，这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标也可满足要求。另外，因体温计要求很好的测温精度，所以可以选用可靠性较高的LM358运算放大器。将其反相输入端与输出端短接，形成简单电压跟随器。查阅资料了解到，LM339是专业的电压比较器。切换速度快，延迟时间小，可用在专门的电压比较场合，在弱信号检测等场合是比较理想的，并且各比较器的输出端允许连接在一起使用。集成块采用C-14型封装，使用灵活，应用广泛。LM339电压比较器的特点如下：1 失调电压小，典型值为2mV
14、；2 电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；3 对比较信号源的内阻限制较宽；4 共模范围很大；5 差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6 输出端电位可灵活方便地选用。2.2 固定电阻的确定热敏电阻我们选用市场上标称值为50k的MF51，查阅相关资料可知其材料系数B为：3950k。根据热敏电阻的电阻值与温度的关系：（2-1）可求得该热敏电阻的阻值与温度关系如下表（详表见附录）：R0/kT/kt/R0/kT/kt/32.528308.1535.027.600312.1539.031.859308.6535.527.047312.6539.531.207309.153
15、6.026.507313.1540.030.569309.6536.525.980313.6540.529.947310.1537.025.464314.1541.029.339310.6537.524.960314.6541.528.746311.1538.024.468315.1542.028.166311.6538.523.987315.6542.5表格 1MF51阻值-温度特性关系设置电路主路固定电阻R1为30k，则电压跟随器的输出电压与温度的关系为：（2-2）设定电路电源电压为6V，则可得出不同温度下的采样电压V1的大小（详表见附录）：R0/kt/V0/vR0/kt/V0/v32.5
16、2835.03.127.60039.02.931.85935.53.127.04739.52.831.20736.03.126.50740.02.830.56936.53.025.98040.52.829.94737.03.025.46441.02.829.33937.53.024.96041.52.728.74638.02.924.46842.02.728.16638.52.923.98742.52.7表格 2电路温度-电压特性关系因此，根据设计电路要求，可计算出参考电压电路中各电阻阻值。另外，为保证电路稳定，应适量减小电路电流，因此不妨确定R2的阻值为10k，然后可进一步计算出参考电压电路
17、中的其他相应阻值，R3,R4，R5电阻在200左右。考虑到制作工艺的要求，则LED灯部分的串联电阻R7R11的阻值可定为200。另外将电阻进行取整处理，及查找被普遍使用的阻值电阻，其最终确定阻值为：电阻R1R2R3R4R5R6R7R11阻值30k10k2002002009.76k200表格 3电路各电阻的阻值3、 仿真验证及结果分析1. 仿真电路的建立根据前文的电路设计以及原件参数，可得出如下仿真电路：图 4建立的仿真电路仿真电路中，热敏传感器用滑动变阻器代替，改变其阻值即可观察电路的效果。经测量，仿真电路的参考电压值分别是：V2=3.05v，V3=2.99v，V4=2.93v，V5=2.88
18、v。通过电路仿真，当改变滑动变阻器阻值时，电压跟随器输出电压也相应改变。实际仿真结果显示，滑动变阻器在一定变化范围内，五只LED灯依次亮起与熄灭，即满足设计要求。2. 仿真结果分析为避免误报体温延误治疗或者引起不必要的恐慌，夜用电子体温警示计必须对温度有精确的测量。为验证电路的准确度，我们以0.1为步长作为输入量，并记录验证结果，其结果如下表：（详表见附录）温度t热敏电阻阻值R0跟随电压VLED灯35.90 31.34 3.07 蓝36.00 31.21 3.06 蓝36.10 31.08 3.05 绿36.20 30.95 3.05 绿36.90 30.07 3.00 绿37.00 29.9
19、5 3.00 绿37.10 29.82 2.99 黄37.20 29.70 2.99 黄37.90 28.86 2.94 黄38.00 28.75 2.94 黄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 红39.20 27.38 2.86 红表格 4仿真结果分析验证结果显示，在理论情况下，该电路的效果是比较好的，误差在 0.1左右。误差产生原因可能是，电阻R2R6为接近实际而选用软件内已有阻值。因此，为保证产品的灵敏度与准确度，
20、除了加强各元件的精度，还应该设计合理的电阻大小，电阻比例等。另外，热敏电阻器的分压V0和跟随器输出电压V1必须同步变化，不受温度影响。各固定电阻的材料型号要尽量相同，这样它们随温度发生的变化一致，且成比例，即可提高测量精度。集成运放电路选用性能稳定的运放器，可加强抗干扰性等。总之，要得到高精度的夜用电子体温计，必须考虑各个基础元件的性能，掌握其受环境影响的变化规律。热敏电阻器的标定实际是一个高精度的内插问题，传感器接入仪表不可避免会使电路产生热电势，另外，自热效应、引线电阻、噪声和分辨力的影响等，这些都是高精度温度测量中应该考虑的问题。4、 设计总结及体会夜用电子体温计是一种适合家庭和医院病房
21、使用的体温警示计。其测量迅速，读数方便，夜里无需开灯即可了解体温是否异常。并且该装置制作成本低廉、外型轻巧,适宜普及推广。通过此次夜用电子体温计的设计，不仅巩固了传感器的理论知识，也了解掌握了Multisim仿真软件的使用。真正让我们意识到，理论与实际存在很大差距。理论联系实际，才会有实际进步，学以致用，才是最终目标。另外，五天的课题研究是以小组形式进行的，组员之间交流与合作，是我们更加认识到团队的强大作用。总之，这次课程设计收获颇多，不仅熟练掌握了相关知识的运用，更了解了团队的力量。这是一次理论与实践的结合，让我明白理论知识对实际操作的重要性，实际操作过程也利于更好的学习理论知识，才有可能做
22、出更好的成绩。这就是我们在这次设计中的最大收获。参考文献：1杨小玲.热敏电阻分压测温电路的最佳参数设计DB/OL.http:/ NTC 热敏电阻-温度传感器技术参数详解与选型http:/ 35.028.0522.90 38.632.3933.12 35.127.9382.89 38.732.2583.11 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
23、.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 39.730.9503.05 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
24、.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
25、.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 41.628.6292.93 38.124.7622.71 41.728.5132.92 38.224.6642.71 41.828.3972.92 38.324.5662.70 41.928.2812.91 38.424.4682.70 42.028.1662.91 38.5表格 5温度-电阻-电压详表二、仿真电路参数及结果：（R2=10k，R3R5=200,R6=9.76k）
26、温度t跟随电压VLED灯温度t跟随电压VLED灯353.12蓝38.62.9橙35.13.12蓝38.72.89橙35.23.11蓝38.82.89橙35.33.1蓝38.92.88橙35.43.1蓝392.8835.53.09蓝39.12.87红35.63.08蓝39.22.86红35.73.08蓝39.32.86红35.83.07蓝39.42.85红35.93.07蓝39.52.84红363.06蓝39.62.84红36.13.05绿39.72.83红36.23.05绿39.82.83红36.33.04绿39.92.82红36.43.03绿402.81红36.53.03绿40.12.81红
27、36.63.02绿40.22.8红36.73.02绿40.32.8红36.83.01绿40.42.79红36.93绿40.52.78红373绿40.62.78红37.12.99黄40.72.77红37.22.99黄40.82.77红37.32.98黄40.92.76红37.42.97黄412.75红37.52.97黄41.12.75红37.62.96黄41.22.74红37.72.95黄41.32.74红37.82.95黄41.42.73红37.92.94黄41.52.72红382.94黄41.62.72红38.12.93橙41.72.71红38.22.92橙41.82.71红38.32.92橙41.92.7红38.42.91橙422.7红38.52.91橙表格 6仿真电路结果详表