温度传感器在医用恒温恒湿箱中的应用.docx
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温度传感器在医用恒温恒湿箱中的应用
温度传感器在医用恒温恒湿箱中的应用
摘要
本文主要设计基于NTC电阻温度传感器在恒温恒湿箱中的温度测量系统。
温度是被广泛用来测量的物理量，在恒温恒湿箱中温度测量是重要的组成部分。
热电阻、热敏电阻、热电偶、二极管、NTC都可以用来测量温度和控制温度。
出于传感器的感温精度、稳定性、成本、生产过程等因素的考虑，NTC相对这些元器件来说，成本是最低廉的。
也渐渐的取代了其他类型的传感器。
NTC它的测量范围一般为-10～300℃，也可做到-200～10℃，甚至可用于300～1200℃环境中作测温用，现在一般医用恒温恒湿箱的温度范围在2～48℃。
典型的温度测量过程分为收集采集环境温度信号，经过放大器把小信号放大，经过A/D转换器把模拟信号转换成数字信号，经单片机处理显示在液晶屏上，通过键盘控制箱体内温度，再由上述过程把结果反馈到液晶屏上，并且尤温度测量报警电路及水泥升温电阻加热。
本文开始对NTC温度测量作了概述，之后对整体设计思路进分析，再通过硬件软件两方面整理，最后进行测试。
关键词：
NTC传感器，单片机，恒温恒湿箱的温度测量
Temperaturesensorinthemedicalapplicationofconstanttemperatureandhumiditybox
ABSTRACT
ThisdesignisbasedprimarilyNTCresistortemperaturesensorinconstanttemperatureandhumiditychambertemperaturemeasurementsystem.Itiswidelyusedtomeasurethetemperatureofthephysicalquantity,temperatureandhumiditychamberintemperaturemeasurementisanimportantcomponent.Thermalresistance,thermalresistance,thermocouple,diode,NTCcanbeusedtomeasuretemperatureandcontrolthetemperature.Temperaturesensorfortheaccuracy,stability,cost,theproductionprocessconsiderations,NTCrelativelytheseparts,thecostisthelowest.Alsograduallyreplacedbyothertypesofsensors.NTCItsmeasurementrangeisgenerally-10~300℃,canbe-200~10℃,evenfor300~1200℃temperatureenvironmentforuse,aregenerallyinthetemperaturerangeofmedicalHumidityChamberof2～48℃.
Typicaltemperaturemeasurementprocessisdividedintocollectingambienttemperaturesignalacquisition,thesmallsignalamplificationthroughtheamplifier,afterA/Dconverterconvertstheanalogsignalintoadigitalsignal,processedbythemicrocontrollerdisplayedontheLCDscreen,thekeyboardcontrolcabinetstemperature,thenbytheaboveprocesstheresultsbacktotheLCDscreen,andinparticularthetemperaturemeasurementandcementwarmingalarmcircuitresistanceheating.
NTCtemperaturemeasurementonthebeginningofthisarticleareoutlined,followedbyanalysisoftheoveralldesignideasinto,andthroughtheconsolidationofbothhardwareandsoftware,andfinallytested.
Keywords:
NTCsensor,Microcontroller,HumidityChamberTemperatureMeasurement
目录
第1章绪论1
1.1NTC温度测量概述1
1.2本设计方案思路2
1.3研发方向和技术关键3
1.4主要技术指标3
第2章总体设计4
2.1系统总体方案的设计及其原理概述4
2.2温度的检测4
2.3信号放大5
2.4A/D及温度显示5
2.5单片机最小系统6
2.6其他说明6
第3章硬件设计7
3.1AC-DC的交直流转换7
3.2温度传感器的选择8
3.3NTC测温电路12
3.4运放电路13
3.5AD转换模块的设计15
3.6单片机电路设计17
3.7温度控制电路的原理与电路的设计19
3.8按键电路20
3.9显示模块电路设计21
3.10报警电路的原理与电路的设计22
第4章软件设计23
4.1软件总体程序设计23
4.2A/D转换模块原理及程序23
4.3热敏电阻阻值和温度的非线性的线性化处理原理及程序24
4.4温度显示模块程序28
4.5按键设计31
第5章总结32
谢辞33
参考文献34
附录一：
完整的C语言源程序35
第1章绪论
1.1NTC温度测量概述
NTC是NegativeTemperatureCoefficient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，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。
它是以锰、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。
NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在100～1000000欧姆，温度系数-2%～-6.5%。
NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。
它的测量范围一般为-10～+300℃，也可做到-200～+10℃，甚至可用于+300～+1200℃环境中作测温用。
表1-1NCT与常用测温传感器的比较
热敏电阻
热电偶
铂丝电阻，线绕
铂丝电阻，薄膜
硅
基准
NTC
（负温度系数）
TC
（温度系数）
RTD
（电阻式温度检测）
RTD
（电阻式温度检测）
Posi-chip
（正温度系数-薄片）
材料
陶瓷
（金属氧化物）
两种不同金属
铂丝线绕
铂薄膜
硅（主体）
相对成本
低至中
低
高
中
低
温度范围
-100℃至500℃
-200℃至2300℃
-200℃至600℃
-150℃至
500℃
-55℃至
150℃
激活性
波动
自产生
波动
波动
波动
灵敏度
-4%/℃
40微伏/℃
.39%/℃
.39%/℃
.81%/℃
相对灵敏度
极高
极低
极低
极低
低
线性度
对数
线性
线性
线性
线性
斜率
负
正
正
正
正
噪声敏感性
低
高
低
低
低
引线电阻误差
低
高
低
低
低
典型最小尺寸（裸片装）
.008*.012
.016直径
.125直径
.020*.100
无
最小探头直径
.018
.125
.187
.125
.080
特殊要求
冷接点补偿
1.2本设计方案思路
分析任务要求，该系统要用NTC温敏电阻作为测温元件，NTC热敏电阻是一种负温度特性的热敏电阻，其阻值随温度的变化曲线如下所示：
图1-1负温热敏电阻曲线
由图1-1可知，NTC的阻值随温度的上升而下降，其阻值和温度呈非线性特性，因此必须采用一定的方法对曲线进行线性化处理。
其测量原理是利用通过测量其阻值，通过其温度特性曲线便可求的环境温度。
但因为温度不便于测量且不便于其他电路处理。
通常是将电阻的变化转化为电压的变化通过测量电压变化测得温度的变化。
由于采集到的电压信号是模拟信号，不能被数字系统处理，因此必须通过AD转换器，将模拟信号转换成数字信号。
一般AD转换器的基准电压要求为5V，而采集到的电压信号很微弱，必需经过放大后才能送给AD转换器，因此在系统中还必须有信号放大的信号调理电路。
该系统要求具有控温功能，因此必须有控温元件，控温可以制作一个加热器作为控温元件，系统要求能采用适当的方法来实现改变系统的超调量和调节时间，因此可以采用脉冲宽度调制来实现。
控温装置可以通过三极管来驱动。
该系统应该有一个控制器，用以控制温度的显示报警和温度控制等功能。
该控制器可以采用单片机，STC89C52或者DSP来实现。
1.3研发方向和技术关键
1.AC-DC的交直流转换，提供稳定的5V直流电压输出供电；
2.确定NTC的安装位置，可以最好的体现箱体内温度；
3.运用运放电路，对NTC微弱信号的放大和滤波；
3.将运算放大器输出的信号，进行A/D转换输出到单片机芯片处理；
4.采用新一代的8051单片机——STC89C52；
5.通过译码器，把实时数据在LCD上显示；
6.通过报警电路，进行高低温上下限报警；
7.并由键盘进行操作；
8.运用NTC传感器的温度反馈，对医用恒温恒湿箱进行加热保温。
1.4主要技术指标
1.测量精度：
0.1℃
2.线性度：
0.2%
3.重复性：
良好
4.测量与实际温度偏差：
±1℃
第2章总体设计
2.1系统总体方案的设计及其原理概述
根据以上分析可知，该系统应该包括用NTC热敏电阻制作的温度传感器，对传感器信号放大的信号电路，加热器电路，AD数模转换电路，单片机控制电路，LCD显示电路，AC-DC电源供给电路，按键和控制器组成。
由于单片机作为控制器价格便宜，控制性能好，电路方便，已能完全满足该系统的要求，因此综合考虑用单片机作为该系统的控制器。
该系统通过NTC热敏电阻制作的传感器采集温度，将采集到的值送给单片机处理后通过LCD显示出来，并可将处理后的值与设定的温度值进行比较看是否超过设定范围来实现加热。
在控制温度模式下，可以通过单片机控制加热器来加热，实现温度控制。
系统原理图如下：
图2-1医用恒温箱系统原理图
2.2温度的检测
由于恒温恒湿恒湿箱内部结构是一个近立方体结构，如图2-2所示。
箱体内热空
图2-2箱体内胆空气循环示意图
由底部进入箱内，中上部出去，所以箱体顶部最能代表箱内温度，所以NTC要安装在箱体顶部。
2.3信号放大
NTC在驱动电路的驱动下输出的电压很小，一般只是在十几毫伏到一百毫伏之间。
而一般的A/D转换器都是要求伏级电压。
所以在进行A/D转化之前我们要把NTC所采集的温度信号进行放大，通常这种放大都是靠运算放大器来完成的。
因为是对微弱信号进行放大，所以应选用高输入阻抗、低失调、低漂移的高精度的放大器。
2.4A/D及温度显示
NTC所采集的温度信号经放大后还是一个模拟信号，我们只能从波形的变化下才能分析出温度的变化，而是用十进制数字显示出温度数值才是我们的最终目的。
所以我们要把NTC所采集的温度信号转化成数字信号。
这就要进行A/D转换。
为确保系统处理结果的精确度，A/D转换器必须具有足够的转换精度；如果要实现快速变化信号的实时控制与检测，A/D转换器还要求具有较高的转换速度。
转换精度与转换速度是衡量A/D转换器的重要技术指标。
2.5单片机最小系统
目前在单片机系统中，应用比较广泛的微处理芯片主要为8XC5X系列单片机。
该系列单片机均采用标准MCS-51内核，硬件资源相互兼容，品类齐全，功能完善，性能稳定，体积小，价格低廉，货源充足，调试和编程方便，所以应用极为广泛。
例如比较常用的AT89C2051单片机，带有2KBFlash可编程、可擦除只读存储器的低压、高性能8位CMOS微型计算机。
拥有15条可编程I/O引脚，2个16位定时器/计数器，6个中断源，可编程串行UART通道，并能直接驱动LED输出。
本系统采用新一代的8051单片机——STC89C52，由国内宏晶科技生产，其指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路，其工作电压范围是3.5V~5.5V。
STC89C52有60KB的用户应用程序空间，256B的RAM和1024B的XRAM。
能满足程序代码的需求和缓冲区定义的需求。
另外与程序存储空间独立的一片闪存区域，可在应用编程中作EEPROM使用。
STC89C52有双UART以及ISP串口，串口资源足够系统使用。
另外通过宏晶科技提供的软件，使用UART可很容易地实现程序下载。
STC89C52有36个通用I/O口，大部分可位控，并且有强推挽输出的能力，足够系统使用。
还拥有4个16bit定时器和一个独立的波特率发生器，另外还有两个PCA模块，能获得丰富的定时器资源。
STC89C52有PDIP-40封装的芯片，易于快速进入实验。
2.6其他说明
系统主要分硬件系统和软件系统。
其中本文主要制作是在硬件系统和单片机STC89C52程序。
硬件部分主要是NTC温度采集电路，LM324运放电路，AD数模转换电路，051单片机——STC89C52控制电路基于个模块的接连线，LCD1602译码器与LCD12864显示器连接和AC-DC交直流稳压电源供给电路，按键电路及尤单片机程序控制的水泥电阻加热恒温恒湿电路。
软件部分主要是单片机STC89C52控制加热程序，包括A/D转换和液晶显示程序。
第3章硬件设计
3.1AC-DC的交直流转换
该电路输入家用220V交流电，经过全桥整流，稳压后输出稳定的5V直流电供给单片机。
方便实用，输出电压稳定，最大输出电流为1A，电路能带动一定的负载
图3-1交直流稳压电路
1.电路工作原理，从上图上看,变压器输入端经过一个保险连接电源插头,如果变压器或后面的电路发生短路，保险内的金属细丝就会因大电流引发的高温溶化后断开。
变压器后面由4个二极管组成一个桥式整流电路，整流后就得到一个电压波动很大的直流电源，所以在这里接一个330uF/25V的电解电容。
变压器输出端的9V电压经桥式整流并电容滤波，在电容C1两端大约会有11V多一点的电压，假如从电容两端直接接一个负载，当负载变化或交流电源有少许波动都会使C1两端的电压发生较大幅度的变化，因此要得到一个比较稳定的电压，在这里接一个三端稳压器的元件。
三端稳压器是一种集成电路元件，内部由一些三极管和电阻等构成，在分析电路时可简单的认为这是一个能自动调节电阻的元件，当负载电流大时三端稳压器内的电阻自动变小，而当负载电流变小时三端稳压器内的电阻又会自动变大，这样就能保持稳压器的输出电压保持基本不变。
因为我们要输出5V的电压，所以选用7805，7805前面的字母可能会因生产厂家不同而不同。
LM7805最大可以输出1A的电流，内部有限流式短路保护，短时间内，例如几秒钟的时间，输出端对地（2脚）短路并不会使7805烧坏，当然如果时间很长就不好说了，这跟散热条件有很大的关系。
三端稳压器后面接一个105的电容，这个电容有滤波和阻尼作用。
最后在C2两端接一个输出电源的插针，可用于与其它用电器连接,比如MP3等。
虽然7805最大电流是一安培，但实际使用一般不要超过500mA,否则会发热很大，容易烧坏。
一般负载电有200mA以上时需要散热片。
2.平时对于5V的直流电源需求的情况比较多，在单片机，以及一些电路中应用的较多，因此，为了更方便快捷的由220V的交流电得到这样的电源，故设计了一个电路。
首先翻阅了参考书，复习了整流稳压的一些电路知识，然后设计出一个实现电路，使用了portel99绘制出电路图，对电路进行简单的仿真和校验。
然后列出了元器件表，去电子市场买到元器件后，进行了电路板上元器件的规划，设计好元件的摆放位置，焊接完毕以后确认无误。
最后开始进行功能调试。
按照电路设计，加上220V交流电源后，发光二极管会亮，显示电路工作状态。
然后对用万用表对输出进行开路检测，显示输出Vo=5.02V，接着接上10k左右的负载，显示Vo=4.85V。
3.2温度传感器的选择
1.测量温度的关键是温度传感器，因此需要灵敏度高、测温范围宽、稳定性好，同时还要考虑成本和实际情况。
方案一：
DS18B20数字式温度传感器，使用集成芯片，采用单总线技术，其能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度，同时，它可以直接将被测温度转化成串行数字信号供微机处理，接口简单，使数据传输和处理简单化。
部分功能电路的集成，使总体硬件设计更简洁，能有效地降低成本，搭建电路和焊接电路时更快，调试也更方便简单化，但是这个温度传感器适用于精密温度测量系统中。
方案二：
热敏电阻的主要特点是：
①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；⑥稳定性好、过载能力强．
方案三：
热电偶传感器的灵敏度,线性和温度范围是和所用的金属有关。
多年来,已经有几种热电偶成为标准,在美国NIST公布了八种热电偶,让字母代码来识别的毫伏～温度表。
其中五种J、K、T、G和N是由碱金属合金制成,有不同的温度范围和用途,灵敏度一般是每摄氏度几十毫伏,其中三种R、S和B是用的金属白金制成的,但是这种热电偶价格昂贵，最常用于高温工作，不适合常温的测量，而且灵敏度很低。
对比之后，根据实际的应用需求，本设计采用方案二热敏电阻传感器。
2.温度补偿的调整模块，方案一：
如图3-2所示是由集成运算放大器和铂热电阻构成的自动温度补偿电路。
该电路可分为阻抗变换和温度补偿两级，阻抗变换器A1是一个电压跟随器，它的作用是把来自传感器送来的与温度成比例变化的，温度补偿器A2是一个同相电压放大器，电路元件可根据同相电压放大器基本原则进行选取，这一级的作用是将阻抗变换级送来的电压信号进行放大，同时吸取来自铂热Rt送来的与温度成比例变化的电阻信号，这个电阻信号去改变放大器的灵敏度，使放大器的输入电压V0与温度无关。
但是此电路比较复杂，元器件较多，可能导致精度不够。
图3-2为自动温度补偿电路
方案二：
温度补偿还可以采用简单的查表法从电压值中查出相应的温度值。
预先将一系列温度与电压对应值存贮到STC89C52微控制器程序存储器中的一个表内，当给定任意一个在测量范围中的电压值时，即可通过查表得出所对应的温度值。
本设计所采用的NTC热敏电阻所对应温度补偿表如表3-1；如图3-3所示的是电阻温度曲线图，温度随阻值的增加而减小；无论什么补偿都有误差，电阻与温度的误差。
表3-1温度补偿表
R25=10KΩ精度:
±5%B25/50=3950K精度:
±1%
温度（℃）
电阻（KΩ）
温度（℃）
电阻（KΩ）
-3.00
35.58
38.48
41.51
21.00
11.32
11.95
12.60
-2.00
33.80
36.52
39.35
22.00
10.83
11.43
12.03
-1.00
32.12
34.67
37.32
23.00
10.36
10.93
11.49
0.00
30.54
32.92
35.40
24.00
9.92
10.45
10.98
1.00
29.04
31.27
33.59
25.00
9.50
10.00
10.50
2.00
27.62
29.72
31.89
26.00
9.08
9.57
10.06
3.00
26.28
28.25
30.28
27.00
8.69
9.16
9.64
4.00
25.02
26.86
28.76
28.00
8.31
8.77
9.23
5.00
23.82
25.55
27.33
29.00
7.95
8.40
8.85
6.00
22.69
24.31
25.98
30.00
7.61
8.05
8.49
7.00
21.61
23.14
24.70
31.00
7.29
7.71
8.14
8.00
20.60
22.03
23.50
32.00
6.98
7.39
7.81
9.00
19.64
20.98
22.36
33.00
6.69
7.09
7.49
10.00
18.73
19.99
21.28
34.00
6.41
6.80
7.19
11.00
17.86
19.04
20.86
35.00
6.14
6.52
6.90
12.00
17.04
18.15
19.29
36.00
5.89
6.25
6.63
13.00
16.27
17.31
18.38
37.00
5.64
6.00
6.37
14.00
15.53
16.51
17.51
38.00
5.41
5.76
6.12
15.00
14.83
15.75
16.69
39.00
5.19
5.53
5.88
16.00
14.17
15.03
15.91
40.00
4.98
5.31
5.65
17.00
13.54
14.35
15.18
41.00
4.78
5.10
5.43
18.00
12.94
13.71
14.48
42.00
4.59
4.90
5.22
19.00
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